電梯轎廂與機(jī)房之間信號傳輸通過隨行電纜實現(xiàn)，電梯物聯(lián)網(wǎng)中需采集轎廂上或轎廂內(nèi)的電梯數(shù)據(jù)，如電梯振動數(shù)據(jù)、門機(jī)電流信號、轎廂音視頻信號等，需借助現(xiàn)有的隨行電纜通道或者增加新的數(shù)據(jù)通道實現(xiàn)此類信號的傳輸，為保證電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺與電梯轎廂信號采集裝置數(shù)據(jù)交互的可靠和穩(wěn)定，需在電梯轎廂與機(jī)房之間建立高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸通道。文本結(jié)合實際工程案例，研究了Wi-Fi點對點無線傳輸方式和電力線載波有線傳輸方式，經(jīng)實際對比研究后得出，基于電力線載波技術(shù)的電梯物聯(lián)網(wǎng)井道傳輸方案性能最佳，該方案已在多個實際項目中進(jìn)行了實際應(yīng)用，效果良好，有一定的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：電梯物聯(lián)網(wǎng)井道傳輸點對點Wi-Fi電力線載波

1、研究背景

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為實現(xiàn)電梯智能化提供了技術(shù)手段，電梯物聯(lián)網(wǎng)基本功能之一需實現(xiàn)電梯運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程信息的下發(fā)，需建立電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺到電梯控制系統(tǒng)各個監(jiān)測點之間的交互通道，由電梯控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖（如圖1所示）可知，如需采集轎廂數(shù)據(jù)（如電梯轎廂振動數(shù)據(jù)、警鈴信號等），現(xiàn)有的電梯控制系統(tǒng)通訊協(xié)議中一般都不包含這幾個信號，因此需在轎頂或者轎廂內(nèi)單獨加裝測試裝置；當(dāng)需實現(xiàn)電梯物聯(lián)網(wǎng)語音視頻對講，也需在轎廂內(nèi)安裝語音視頻對講裝置，如LCD顯示屏、一鍵報警裝置等。這些外加裝置需通過數(shù)據(jù)傳輸裝置與電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺進(jìn)行交互?？紤]到電梯井道內(nèi)的運營商信號一般很難保證完全覆蓋，特別是在住宅小區(qū)或者一些運營商基站覆蓋邊緣地帶，由于井道和轎廂金屬的障礙，無線信號衰減嚴(yán)重，因此在電梯轎頂或者轎廂內(nèi)直接加裝數(shù)據(jù)傳輸單元可行性受限；另外考慮到電梯物聯(lián)網(wǎng)一般需通過采集器采集電梯控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，通過采集器或者采集器附近的數(shù)據(jù)傳輸單元接入運營商網(wǎng)絡(luò)，因此單獨在轎頂或轎廂內(nèi)再增加數(shù)據(jù)傳輸單元，對于電梯物聯(lián)網(wǎng)成本也是挑戰(zhàn)。

基于上述應(yīng)用背景，需要建立機(jī)房與轎廂之間的數(shù)據(jù)傳輸通道?，F(xiàn)有的電梯井道隨行電纜中，基本不會有多余的通訊線纜，常規(guī)的28芯線或者18芯線中，一般包括，AC220V信號4芯（照明2芯，門機(jī)電源2芯）；AC110V信號4芯（門鎖、抱閘）；通訊信號4芯（通訊電源、通訊雙絞線）；對講機(jī)信號3芯；門區(qū)信號線2芯；貫通門后轎門鎖2芯；異步主機(jī)副轎門鎖2芯。這些芯線中，若在不更改控制系統(tǒng)軟件和電氣設(shè)計的前提下，很難再承載如音視頻對講裝置數(shù)據(jù)、警鈴報警信號及轎廂振動數(shù)據(jù)等。當(dāng)然，最佳方案是在不增加隨行電纜芯線、不改變電氣回路及不修改軟件的情況下實現(xiàn)轎廂與機(jī)房之間的數(shù)據(jù)傳輸。本文在實際工程應(yīng)用研究的基礎(chǔ)上，提出多種解決方案，實現(xiàn)了電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路的完整性和可靠性。

圖1電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2、方案設(shè)計

2.1Wi-Fi點對點

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過在井道頂導(dǎo)軌上和轎廂頂護(hù)欄上各安裝一個Wi-Fi板實現(xiàn)井道與機(jī)房數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示?？紤]到實際安裝時Wi-Fi電源獲取的方便性，Wi-Fi板供電直接采用AC220V供電，且采用井道照明電源。井道頂Wi-Fi與電梯控制柜內(nèi)采集器（或數(shù)據(jù)傳輸單元）通過通訊方式交互，如RS232、CANBUS、RS485等。轎頂Wi-Fi負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)采集和電梯狀態(tài)下發(fā)。電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)，如電梯廣告、應(yīng)急救援、轎廂內(nèi)故障報警信號、振動數(shù)據(jù)等都可通過轎頂Wi-Fi和井道頂Wi-Fi之間的通訊鏈路實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。

圖2基于Wi-Fi方案的電梯物聯(lián)網(wǎng)井道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）工作原理

Wi-Fi協(xié)議由IEEE802.11工作組負(fù)責(zé)，并經(jīng)歷了IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11n、IEEE802.11g、IEEE802.11ac、IEEE802.11ad等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，支持的ISM頻段從傳統(tǒng)2.4G、5G到60G，峰值傳輸速率從2Mbps到7Gpbs。考慮到電梯井道的實際工況，需考慮無線干擾、通訊距離及通訊速率等綜合要求，本項目Wi-Fi板工作在2.4G頻段，支持IEEE802.11b、IEEE802.11n、IEEE802.11g。

轎頂Wi-Fi和井道頂Wi-Fi通過點對點方式通訊，各自外置平面型定向天線用于信號放大。通過Wi-Fi板上的模式選擇開關(guān)選擇Wi-Fi板網(wǎng)絡(luò)角色，即AP（AccessPoint）與STATION。AP模式下，Wi-Fi板為Wi-Fi接入點，是Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建點和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，允許其他設(shè)備接入并提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)；STATION模式下，Wi-Fi板類似無線終端，其不具備接入點功能，但可連接至AP。Wi-Fi之間的匹配通過SSID實現(xiàn)，每個無線AP都需有一個標(biāo)志網(wǎng)絡(luò)的名字，SSID用于區(qū)別不同的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)。本方案可通過SSID設(shè)置開關(guān)選擇SSID，共支持16個SSID，考慮到相鄰或者同一井道內(nèi)的電梯數(shù)量不會多于16臺，因此16個SSID符合實際應(yīng)用要求，設(shè)置的SSID可通過Wi-Fi板自帶的顯示模塊顯示，方便現(xiàn)場調(diào)試時區(qū)別。本方案設(shè)計可通過LED指示燈判斷當(dāng)前工作狀態(tài)，當(dāng)加入網(wǎng)絡(luò)成功時網(wǎng)路指示燈常亮，否則常滅；無線數(shù)據(jù)收發(fā)時數(shù)據(jù)燈閃爍，無數(shù)據(jù)收發(fā)時常滅。

（3）案例應(yīng)用

圖3基于Wi-Fi方案的電梯物聯(lián)網(wǎng)井道數(shù)據(jù)傳輸案例

本案例需將電梯實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，如樓層、方向、特殊狀態(tài)（檢修、消防、故障、超載、滿載、ARD）、困人、救援人員位置等信息下發(fā)到轎廂內(nèi)多媒體顯示屏，通過Wi-Fi建立轎內(nèi)多媒體顯示屏與機(jī)房網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通訊鏈路。由于交互數(shù)據(jù)量和交互速率要求不高，Wi-Fi板與轎內(nèi)多媒體顯示器和節(jié)點或網(wǎng)關(guān)均采用RS232通訊，如圖3所示。

2.2電力線載波

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電力線載波（PLC，PowerLineCarrier）屬于有線傳輸方式，通過在控制柜內(nèi)和電梯轎頂安裝一對電力線載波模塊，復(fù)用隨行電纜中的井道照明電纜即可建立控制柜與轎廂的通訊鏈路，電力線載波模塊提供RS232和以太網(wǎng)口與外設(shè)通訊，如圖4所示，當(dāng)電梯樓層較高、電力線電源質(zhì)量污染較嚴(yán)重的情況下，復(fù)用照明電纜容易造成數(shù)據(jù)丟失、通訊不穩(wěn)定等現(xiàn)象，可借助隨行電纜的2芯備用線解決此問題。電力線載波模塊安裝方便，傳輸速率可達(dá)94Mpbs，適用于語音視頻傳輸應(yīng)用。

圖4基于電力線載波方案的電梯物聯(lián)網(wǎng)井道數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（2）工作原理

電力線載波通訊的基本原理是將信號從通信主站A的處理單元調(diào)制，經(jīng)電力耦合接口耦合到電力線上，從站B的電力耦合接口接收此信號并進(jìn)行解調(diào)，解調(diào)信號經(jīng)過處理單元處理還原成原始信號，通過通訊接口送至通信設(shè)備中，如圖5所示，從站B發(fā)送數(shù)據(jù)到主站A的原理類似。其中耦合接口由耦合電容和濾波器組合成一個帶通濾波器，其作用是通過高頻載波信號，并阻止電力線上的工頻信號進(jìn)入載波設(shè)備。

圖5電力線載波技術(shù)工作原理示意圖

電力線載波技術(shù)從帶寬角度可分別窄帶電力線載波和寬帶電力線載波，其中窄帶電力線載波常用帶寬一般為幾十KHz，我國電信主管部門規(guī)定的電力線載波合法頻段范圍為40~500KHz，基本載波頻帶寬度為4KHz，而實際電力線載波設(shè)備單方向載波通道所占用的頻帶寬度等于基本頻段寬度的整數(shù)倍；寬帶電力線載波一般工作在2~30MHz。窄帶電力線載波相比寬帶電力線載波具有信號衰減少，通訊距離遠(yuǎn)、成本低等優(yōu)勢，但40~500KHz頻段干擾較大。目前電力線載波通信常用的擴(kuò)頻技術(shù)主要有直接序列擴(kuò)頻、線性調(diào)頻Chirp和正交頻分復(fù)用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）等。此外，跳頻FH、跳時TH以及上述各種方式的組合擴(kuò)頻技術(shù)也較為常用。

值得注意的是，配電變壓器對電力線載波信號有阻隔影響，由于載波信號相比工頻50Hz信號而言基本屬于高頻信號，變壓器的感抗特性使高頻載波信號無法順利通過變壓器。另外當(dāng)電力線上負(fù)載較重時，電力線載波實際傳輸距離大大縮短。這些相對缺點在一定程度上限制了電力線載波技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

（3）案例應(yīng)用

電梯工作環(huán)境一般比較惡劣，供電線路中存在非線性負(fù)載，造成線路上產(chǎn)生高次諧波，變頻器運行中也會產(chǎn)生高次諧波，實際測試發(fā)現(xiàn)，使用窄帶電力線載波技術(shù)時，通訊不穩(wěn)定，無法滿足電梯轎廂語音和視頻傳輸速率要求。本案例采用寬帶電力線載波技術(shù)，并采用正交頻分復(fù)用調(diào)制機(jī)制，在工作頻帶內(nèi)，以一定的頻率間隔使用多個相互正交的子載波，經(jīng)過編碼后的數(shù)據(jù)調(diào)制到多個子載波上發(fā)送，因此適用于電梯惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)通訊。本案例借助電力線載波技術(shù)，實現(xiàn)電梯物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程圖像視頻下發(fā)，通過機(jī)房多功能網(wǎng)關(guān)網(wǎng)口，經(jīng)電梯隨行電纜照明線送到轎頂電力線載波模塊，其網(wǎng)口輸出與轎頂音視頻對講主機(jī)通訊，打通電梯轎廂與機(jī)房的數(shù)據(jù)鏈路，實時速率達(dá)到94Mbps。由于井道到機(jī)房之間的照明線或者隨行電纜備用線都在一個變壓器范圍之內(nèi)，無需通過中繼等措施解決電力線載波跨變壓器難題。該電力線載波模塊符合IEEE802.3和IEEE1901標(biāo)準(zhǔn)，采用CSMA/CA（CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance，帶沖突避免載波偵聽多路訪問）機(jī)制，即不論當(dāng)前信號是否忙，發(fā)送端都需等待一個幀間間隔，當(dāng)發(fā)送端檢測到當(dāng)前信道為空時，則等待一個幀間間隔，之后繼續(xù)偵聽，當(dāng)檢測到當(dāng)前信道為空時，則執(zhí)行一個隨機(jī)后退過程，隨機(jī)后退過程結(jié)束后，再次偵聽信道，若仍為空，則發(fā)送端開始發(fā)送數(shù)據(jù)，在此過程中，任何階段檢測到信道忙信號，則發(fā)送端退出等待上述等待過程，繼續(xù)檢測當(dāng)前信道是否為空。采用這種主動避免沖突而非被動偵測的方式來解決沖突問題，能大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)某晒β省?/p>

3、方案比較

電梯物聯(lián)網(wǎng)井道傳輸需考慮安全性、穩(wěn)定性、易安裝性等要求。不論采用何種技術(shù)（有線和無線），均不允許影響電梯電梯正常運行，均不允許影響電梯的安全部件的電氣回路，均需符合電梯相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的電磁兼容性要求。建立機(jī)房與電梯轎廂之間的通訊鏈路，目前主要的應(yīng)用是采集涉及安全隱患相關(guān)的電梯數(shù)據(jù)和困人時電梯轎廂實現(xiàn)音視頻對講，因此對于傳輸方案的穩(wěn)定性要求較高。另外，傳輸方案也需滿足方便安裝的要求，簡易的安裝既能降低對電梯原有系統(tǒng)的干涉，也利于方案的推廣。

表1點對點Wi-Fi與寬帶電力線載波井道傳輸方案對比表

通過各項參數(shù)對比（如表1所示）可知，電力線載波技術(shù)在穩(wěn)定性、傳輸距離、傳輸速率、易安裝性、易實用性及兼容性等角度均優(yōu)于Wi-Fi傳輸方案。

4、結(jié)束語

本文從電梯物聯(lián)網(wǎng)井道傳輸實際應(yīng)用要求（安全性、高穩(wěn)定要求及易安裝等）出發(fā)，綜合對比了點對點Wi-Fi技術(shù)和寬帶電力線載波技術(shù)，分別從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及應(yīng)用案例角度研究這兩項技術(shù)在井道傳輸項目中的應(yīng)用，得出電力線載波技術(shù)更加適合電梯物聯(lián)網(wǎng)井道傳輸項目。本方案已經(jīng)在我司電梯星辰物聯(lián)網(wǎng)音視頻對講系統(tǒng)、電梯星辰物聯(lián)網(wǎng)多媒體系統(tǒng)中成功運用。

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