摘 要： 介紹了一種基于GPRS/GSM的網(wǎng)絡(luò)化電梯遠程監(jiān)測系統(tǒng)，重點討論了其中嵌入式監(jiān)控終端硬件和軟件的設(shè)計與實現(xiàn)。該嵌入式監(jiān)控終端基于32位高性能嵌入式微處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)，可通過以太網(wǎng)口或嵌入式Modem基于TCP/IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，具有高可靠性、高實時性和運行費用低的特點。
關(guān)鍵詞： GPRS/GSM; 電梯； 遠程監(jiān)測系統(tǒng)
目前，我國在用電梯近100萬部，電梯的安全運行倍受關(guān)注，電梯遠程監(jiān)控是提高電梯運行安全的重要方式，監(jiān)控中心可通過監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測電梯的運行狀態(tài)，采集電梯運行參數(shù)，實現(xiàn)故障的早期預告和排除。在當前電梯遠程監(jiān)測系統(tǒng)中，遠程監(jiān)控中心主要通過電話線與電梯控制器進行數(shù)據(jù)通信。這種方式的運行成本高且監(jiān)控容量受到限制。隨著GPRS/GSM(Genral Packet Radio Service/Global System for Mobile communication)移動數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，可以方便、低廉地將信息傳送到幾乎世界上的任何一個地方。本文設(shè)計了一種基于GPRS/GSM電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)中嵌入式監(jiān)控終端通過GPRS/GSM無線網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控中心和樓宇監(jiān)測中心通信，最后可通過計算機網(wǎng)絡(luò)與政府公共安全網(wǎng)絡(luò)連接，具有高可靠性、高實時性、運行費用低和監(jiān)控容量大的特點。
1 嵌入式無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)
網(wǎng)絡(luò)化電梯無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)如圖1 所示。安裝在電梯現(xiàn)場的嵌入式監(jiān)控終端不間斷地采集電梯信息，通過無線通信平臺GPRS或CDMA與電梯遠程監(jiān)測中心的服務(wù)器通信，解釋遠程監(jiān)測中心下傳的命令，實現(xiàn)自動報警以及詳細監(jiān)測和設(shè)置功能；另一方面，小區(qū)的樓宇監(jiān)測中心可以通過局域網(wǎng)訪問電梯遠程監(jiān)測中心的服務(wù)器，實現(xiàn)一些基本的實時監(jiān)測和設(shè)置功能（如樓層召喚、樓層屏蔽等）。
2 嵌入式無線監(jiān)控終端系統(tǒng)設(shè)計
嵌入式無線監(jiān)控終端需運行TCP/ IP、PPP、TFTP 等協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)通信，對嵌入式微處理器的運算能力要求很高。嵌入式監(jiān)控終端硬件系統(tǒng)選用Philips公司的LPC2294 為核心進行設(shè)計，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。LPC2294 是基于ARM7結(jié)構(gòu)的32 位高性能嵌入式微處理器[2]。它集成了多功能的內(nèi)存控制器和4路CAN_BUS控制器，主頻高達到90 MHz，具有強大的運算能力以及通信優(yōu)化能力。本系統(tǒng)含128 MB Flash 用于存放代碼和運行參數(shù)，系統(tǒng)啟動后LPC2294從Flash 中讀取指令開始運行；擴展8 MB 的SDRAM 模塊用于存放動態(tài)數(shù)據(jù)和運行下載程序；擴展以太網(wǎng)接口模塊和嵌入式無線通信模塊分別用于接入局域網(wǎng)或無線傳輸網(wǎng)，通過CAN_BUS現(xiàn)場總線和電梯控制器進行通信，采集電梯信息。其他的擴展硬件模塊還包括人機交互接口(鍵盤與液晶顯示模塊等)以實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)測和設(shè)置。為保證包括高速器件的系統(tǒng)硬件設(shè)計的可靠性，硬件系統(tǒng)的仿真設(shè)計均在Philips公司的EDA 環(huán)境（PCB design studio）下，采用高速PCB 設(shè)計方法實現(xiàn)。
嵌入式監(jiān)控終端軟件系統(tǒng)是基于WindRiver 系統(tǒng)公司的pSOSystem 操作系統(tǒng)平臺開發(fā)的。pSOSystem 是一種專門為嵌入式微處理器設(shè)計的模塊化、高性能的多任務(wù)實時操作系統(tǒng)。pSOSystem 采用了一種模塊化的結(jié)構(gòu)，圍繞實時多任務(wù)核心，是標準的可編譯、可裁減、自包含的代碼模塊。任何模塊的組合都可以由用戶通過配置表配置系統(tǒng)以滿足實時需要和定制軟件功能。pSOSystem 的模塊化結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可定制體積最小的系統(tǒng)，占用更少資源，獲取更高效率。嵌入式監(jiān)控終端軟件圍繞pSOS+實時內(nèi)核,在pSOSystem系統(tǒng)內(nèi)部配置了pNA+(TCP/IP 協(xié)議棧)、pROBE+調(diào)試與終端模塊、pRPC+遠程調(diào)用模塊、pREPC+標準C/C++函數(shù)庫，并通過I/O系統(tǒng)進行中斷處理和驅(qū)動程序管理。圖3為嵌入式監(jiān)控終端軟件模塊結(jié)構(gòu)。另一方面，電梯監(jiān)控終端系統(tǒng)功能復雜，實時性要求高，網(wǎng)絡(luò)通信量大，pSOSystem高性能的多任務(wù)調(diào)度方法降低了程序編寫的復雜性，使復雜的嵌入式監(jiān)控終端軟件系統(tǒng)的可靠實現(xiàn)成為可能。根據(jù)要實現(xiàn)的功能，嵌入式監(jiān)控終端軟件采用任務(wù)調(diào)度方法進行設(shè)計，將多任務(wù)監(jiān)控軟件劃分為主任務(wù)、實時采集任務(wù)、實時分析任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、界面交互任務(wù)、消息框處理任務(wù)。各個任務(wù)之間通過消息、旗語、事件實現(xiàn)相互間的數(shù)據(jù)交換及同步，通過設(shè)定任務(wù)的優(yōu)先級保證實時性。為模塊化設(shè)計，如圖3所示，將嵌入式監(jiān)控終端軟件系統(tǒng)分為CAN_BUS通信模塊、實時任務(wù)模塊、無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊、人機交互模塊、遠程加載模塊5個模塊。
3 關(guān)鍵模塊實現(xiàn)
3.1 CAN_BUS 通信模塊
CAN_BUS通信模塊負責串行通信，并在此基礎(chǔ)上為其他模塊提供可靠的串行數(shù)據(jù)調(diào)用接口函數(shù)。其中CAN_BUS接口設(shè)計要求與電梯控制器的CAN_BUS接口輸出特性匹配。監(jiān)控終端系統(tǒng)與電梯控制器之間CAN_BUS通信的基本應(yīng)答流程是：終端系統(tǒng)先向電梯控制器發(fā)送命令碼，電梯控制器在驗證該命令碼合法之后，向終端系統(tǒng)發(fā)送反應(yīng)碼。終端系統(tǒng)讀取反應(yīng)碼，并從中提取監(jiān)測信息和報警信息。反應(yīng)碼具有以下特點：
(1) 不間斷性：電梯控制器在收到合法命令后，不斷地從CAN_BUS接口發(fā)送反應(yīng)碼，其中有用信息重復發(fā)送。
(2) 非規(guī)范性：電梯控制器的輸出信息中可能包括回車符、換行符，也可能不包括。
(3) 通信速率100 Kb/s,32位CRC校驗。
由于CAN_BUS總線采用通信沖突硬件自動仲裁機制，平時按問答式通信，特殊情況下，各節(jié)點可主動發(fā)送緊急信息，總線不會因發(fā)生沖突導致癱瘓。為提高CAN_BUS總線的速度和可靠性，對CAN_BUS總線控制器初始化作如下修改：
void CAN_init(void)
{
CSR=0x81；
while (!CSR_HALT)；
TCANR = 0xffff；
BVALR = 0；
BTR = BTR_16M_100K0_22_68_3； /*波特率100 Kb/s*/
CSR = 0x0080；
while (CSR_HALT)；
AMRX0=0Xffffffff
AMRX1 = 0Xffffffff
/*采用全比較濾波方式*/
}
3.2 實時任務(wù)模塊
實時任務(wù)需完成實時監(jiān)測異常、為其他任務(wù)提供電梯實時運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)等2個功能。基于pSOSystem對多任務(wù)并行的支持，并考慮到基于CAN_BUS 2.0B協(xié)議的串行通信硬件處理速度和CPU 處理速度的差距,采用實時采集任務(wù)（r mlll）和實時分析任務(wù)（p mlll）并行運行的方法，不但充分利用CPU 資源，而且提高了電梯監(jiān)控的實時性。實時采集任務(wù)和實時分析任務(wù)如圖4 所示，任務(wù)r mlll 負責與電梯控制器進行串行通信,采集信息；任務(wù)p mlll 負責對采集來的信息進行分析提取，判斷異常，并向其他任務(wù)提供電梯實時運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。在任務(wù)r mlll讀串行信息的同時,任務(wù)p mlll 處理上一次任務(wù)r mlll 讀入的數(shù)據(jù)。
3.3 無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊
無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊嵌入了西門子公司MC35I/MC39I高度集成的GSM/GPRS模塊,該模塊支持EGSM900和GSM1800雙頻，支持數(shù)字、語音、短消息和傳真，標準協(xié)議的認證、采用GSM Phase2/2+標準，處于睡眠狀態(tài)時電流為3 mA，支持3種語言編碼的傳送速率。
無線網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)模塊應(yīng)用層設(shè)計分為網(wǎng)絡(luò)層、無線接口層和應(yīng)用通信層。網(wǎng)絡(luò)層屏蔽連接差異，提供統(tǒng)一的通用接口為系統(tǒng)服務(wù)。因此無論系統(tǒng)采用GPRS、CDMA或局域網(wǎng)方式連接網(wǎng)絡(luò)，上層通信軟件均統(tǒng)一為TCP/IP。接口層提供函數(shù)連接網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用通信層。應(yīng)用通信層主要在網(wǎng)絡(luò)層上根據(jù)本系統(tǒng)的特定應(yīng)用通信協(xié)議，提供協(xié)議握手、應(yīng)答等，并且對監(jiān)控中心下傳的命令、數(shù)據(jù)進行解釋，作出相應(yīng)的處理。應(yīng)用通信協(xié)議為電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)專門定制，定義了各類命令的應(yīng)答流程以及命令包和數(shù)據(jù)包的格式，其中協(xié)議應(yīng)答流程類型分為5類：操作類命令應(yīng)答流程、設(shè)置類命令應(yīng)答流程、上傳類命令應(yīng)答流程、終端忙時命令應(yīng)答流程、報警類命令應(yīng)答流程。圖5為電梯操作類命令應(yīng)答流程。監(jiān)控中心處于監(jiān)聽狀態(tài)，通信開始由終端系統(tǒng)主動提出連接請求，在與監(jiān)控中心的服務(wù)器端SOCKET 建立連接后，監(jiān)控中心發(fā)送設(shè)置和上抄命令，終端系統(tǒng)解釋命令，并通過CAN_BUS 上抄相應(yīng)電梯信息，發(fā)送回監(jiān)控中心。監(jiān)控中心完成通信任務(wù)后，發(fā)送給終端系統(tǒng)結(jié)束標志。終端在協(xié)議應(yīng)答過程中，定義了2種類型的包：命令包和數(shù)據(jù)包。
3.4 人機交互模塊
人機交互模塊包括界面交互任務(wù)和消息框顯示任務(wù)兩部分。界面交互任務(wù)為電梯現(xiàn)場的電梯參數(shù)設(shè)置和實時監(jiān)測提供界面交互功能。它的優(yōu)先級最高，當有鍵按下時，必須立即響應(yīng)。消息框顯示任務(wù)顯示提示信息，本終端系統(tǒng)提供3 種類型的消息框：固定時間長度消息框、等待用戶響應(yīng)消息框、任務(wù)控制消息框。遠程加載模塊用于支持監(jiān)控終端軟件的遠程更新。
基于計算機網(wǎng)絡(luò)、嵌入式技術(shù)和電梯無線遠程監(jiān)控技術(shù)，本文設(shè)計了一個基于無線網(wǎng)絡(luò)的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)終端以32位高性能嵌入式微處理器和嵌入式實時操作系統(tǒng)為核心，無線通信網(wǎng)絡(luò)基于現(xiàn)有成熟網(wǎng)絡(luò)，具有高可靠性、高實時性、組網(wǎng)靈活方便、運行費用低、監(jiān)測容量大的特點。該系統(tǒng)已批量應(yīng)用于國內(nèi)電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，并出口到新加坡建屋局HDB項目中，取得了很好的效果。
參考文獻
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[4] 徐超漢.住宅小區(qū)智能化系統(tǒng).北京：電子工業(yè)出版社,2002.
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