基于u COS- II 實(shí)時(shí)系統(tǒng)電梯目的樓層派梯控制器的開(kāi)發(fā)

李豪

（上海銀欣高新技術(shù)發(fā)展股份有限公司，上海200040）

在一些安全措施嚴(yán)格的場(chǎng)所中，管理者希望能夠?qū)怯顑?nèi)各類人員的出入進(jìn)行更安全、更有效的管理。傳統(tǒng)的電梯控制方式從利用效率和安全的角度已經(jīng)很難滿足管理者的需求。如何提高電梯的有效利用率、節(jié)約乘客的等待時(shí)間、降低電梯運(yùn)行的損耗、保障公共場(chǎng)所的安全性，電梯控制管理顯得尤為重要。

1 需求分析及總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

電梯目的樓層派梯控制器是新型現(xiàn)代化安全管理系統(tǒng)，它集微機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體。使用電梯時(shí)，不同的人員有不同的權(quán)限分配，乘坐電梯的人員只能進(jìn)入經(jīng)過(guò)授權(quán)指定的區(qū)域，并且可根據(jù)日程表授權(quán)管理?？刂破骺梢詫?duì)進(jìn)出的人員進(jìn)行身份識(shí)別，并記錄每個(gè)人的出入時(shí)間，它與門(mén)禁系統(tǒng)組成一個(gè)強(qiáng)大的安保系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，保障出入口的安全。

利用該技術(shù)電梯目的樓層派梯控制器實(shí)現(xiàn)低功耗、安全性、實(shí)時(shí)性、可靠性、開(kāi)放性的新型模塊化產(chǎn)品，改善了現(xiàn)有技術(shù)模式，降低了硬件成本，提升電梯使用壽命和利用效率，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

基于上述需求開(kāi)發(fā)了基于一卡通平臺(tái)的電梯樓層派梯控制器。

1.2 總體設(shè)計(jì)

控制器采用32 位ARM處理器，技術(shù)成熟、集成度高、可靠性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行速度快，可同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)時(shí)運(yùn)算；控制器軟件采用uCOS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，多任務(wù)并發(fā)處理能力強(qiáng)，實(shí)時(shí)性高，而且可靠性、可移植性和安全性都比較高，做到精簡(jiǎn)系統(tǒng)內(nèi)核、算法、降低功耗和節(jié)能減排、降低軟硬件成本，適應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求[1]。

針對(duì)傳統(tǒng)電梯上述的缺點(diǎn)，電梯目的樓層派梯控制器主要在安全性和高效率兩個(gè)方面做了大量的改進(jìn)。

1.2.1 安全性方面：乘客在使用電梯時(shí)，只能通過(guò)刷卡或者人臉識(shí)別的方式乘坐電梯。所有的樓層，必須先經(jīng)過(guò)系統(tǒng)管理者的授權(quán)。使用電梯時(shí)，不同的乘客分配不同的權(quán)限，該權(quán)限只能到達(dá)經(jīng)授權(quán)指定的樓層。

當(dāng)派梯控制器發(fā)生故障或者與電梯群組控制器KGC 之間網(wǎng)絡(luò)無(wú)法連接時(shí)，電梯可以采用約定好的配置，使電梯全部開(kāi)放或部分樓層鎖定，通過(guò)觸控屏選擇要去的樓層。保證人員的正常使用，和重要場(chǎng)所的安全。

1.2.2 使用效率方面：乘客通過(guò)閘機(jī)出入口通道時(shí)進(jìn)行身份識(shí)別，預(yù)判乘客將要到達(dá)的樓層，通過(guò)組織合理的算法，有效的分配使用電梯，電梯群組控制器KGC 優(yōu)先把去往同一目的樓層的乘客分派到同一轎廂中，以便減少電梯的?？看螖?shù)，提升電梯運(yùn)行效率，節(jié)約乘客等待時(shí)間。提高用戶體驗(yàn)、達(dá)到高效利用和節(jié)能的目的。

派梯系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要有：

（1）主控單元采用STM32F103RCT6 和STM32F103ZE 兩款低功耗嵌入式控制芯片；協(xié)同工作，分管數(shù)據(jù)采集、輸入輸出和系統(tǒng)多任務(wù)運(yùn)行，數(shù)據(jù)分析操作，做到了實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。

（2）采用DM9000 快速以太網(wǎng)MAC 控制芯片。

（3）采用LWIP 協(xié)議棧，使控制器具備網(wǎng)絡(luò)通訊的功能。

圖1 派梯控制器系統(tǒng)組成

（4） 開(kāi)放式設(shè)計(jì)兼容多種前端輸入設(shè)備，2 路Wiegand 26/34，2 路RS485。

（5）大容量低功耗數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片，可保存10 萬(wàn)條身份信息和10 萬(wàn)條事件記錄。

（6）具有消防聯(lián)動(dòng)的硬件接口。

（7）具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，能為設(shè)備提供準(zhǔn)確的系統(tǒng)時(shí)間。

（8）遠(yuǎn)程在線升級(jí)/Remote IAP 技術(shù)，方便系統(tǒng)升級(jí)維護(hù)。

（9）設(shè)備可移植性，采用驅(qū)動(dòng)加應(yīng)用的方式實(shí)現(xiàn)，減小對(duì)底層硬件設(shè)備的依賴，對(duì)將來(lái)降低成本，及市場(chǎng)采購(gòu)情況變化更有利應(yīng)對(duì)，更換硬件更方便。

（10）實(shí)時(shí)性，產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中對(duì)輸入狀態(tài)的分析，并產(chǎn)生及時(shí)的輸出控制，提高整個(gè)系統(tǒng)的及時(shí)響應(yīng)。

（11）開(kāi)放性，操作接口開(kāi)發(fā)給后臺(tái)監(jiān)控平臺(tái)，方便用戶定制使用和配置。

2 電梯目的樓層派梯控制器設(shè)計(jì)實(shí)施

2.1 派梯控制器硬件

2.1.1 主控單元

圖2 主控單元的結(jié)構(gòu)框架

控制器主控單元的設(shè)計(jì)采用了兩片低功耗嵌入式微控制器芯片來(lái)協(xié)調(diào)工作，控制芯片采用高性能32 位工業(yè)級(jí)STM32F103RCT6 和STM32F103ZET6 CortexTM-M3 架構(gòu)的ARM芯片?？稍?.3V 工作電壓下，工作頻率是72MHz，RISC 內(nèi)核；在外圍模塊全部處于運(yùn)行狀態(tài)，芯片處于最高運(yùn)行頻率下，功耗只有60mA，而在關(guān)閉外圍模塊，芯片處于休眠狀態(tài)下時(shí)，功耗甚至可以低到1.4uA。芯片內(nèi)運(yùn)行uCOS-II 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，各功能采用模塊化設(shè)計(jì)，可移植、可擴(kuò)展性強(qiáng)，簡(jiǎn)單高效。

2.1.2 外部設(shè)備信號(hào)采集單元、輸出單元

外部設(shè)備信號(hào)采集單元（Wiegand26/34、DI、DO）通過(guò)CON端子連接到主控單元控制芯片STM32F103RCT6 芯片上，輸入輸出單元與主控單元之間設(shè)置有排阻，排阻的作用是給信號(hào)線提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)電壓，使之傳輸更穩(wěn)定，傳輸距離更遠(yuǎn)，用來(lái)抵消線路上阻抗對(duì)信號(hào)的損耗。在韋根信號(hào)或DI、DO 信號(hào)到達(dá)主控單元的控制芯片時(shí)，觸發(fā)STM32F103RCT6 芯片中斷處理程序，開(kāi)始分析采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)送達(dá)至STM32F103ZET6 芯片，由該芯片讀取存儲(chǔ)單元，分析采集到的數(shù)據(jù)，結(jié)合當(dāng)前的時(shí)間，把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電梯控制協(xié)議，通過(guò)TCP/IP 通道上送至電梯群組控制器KGC；同時(shí)將處理結(jié)果返回給STM32F103RCT6 芯片，由STM32F103RCT6 芯片對(duì)輸入輸出單元進(jìn)行相應(yīng)的操作。

2.1.3 身份識(shí)別端RS485 通信

為了提高樓宇的安全性，防止持卡人的卡片信息泄露，在出入口閘機(jī)通道控制系統(tǒng)中，信號(hào)采集單元為外接RS485 接口的非接觸式國(guó)密CPU 卡讀卡器和人臉識(shí)別機(jī)。

派梯控制器通過(guò)RS485 總線與讀卡器、人臉識(shí)別設(shè)備連接。當(dāng)乘客使用電梯時(shí)，控制器將把讀取到的乘客身份信息與自身數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的信息進(jìn)行匹配驗(yàn)證；匹配不成功，控制器把本次操作詳細(xì)信息保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并上傳到服務(wù)器平臺(tái)，給出對(duì)應(yīng)的警告級(jí)別；匹配成功，控制器將開(kāi)放控制通道，并在硬件上作出相應(yīng)的狀態(tài)指示，把接收到的RS485 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成電梯協(xié)議格式，通過(guò)UDP 報(bào)文發(fā)送給電梯主控制器。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)通訊

使用直接TCP/IP 10/100M 自適應(yīng)的PHY 和4K DWORD值的SRAM。能在低功耗和高性能進(jìn)程的3.3V 與5V 之間切換?？刂破魃霞闪司W(wǎng)卡，直接連換機(jī)就可以進(jìn)行TCP/IP 通訊，無(wú)需外擴(kuò)一些網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)接模塊，從而大大地降低了成本和現(xiàn)場(chǎng)布線的難度。支持遠(yuǎn)程在線Remote IAP 技術(shù)對(duì)ARM主控芯片的在線升級(jí)。

2.1.5 儲(chǔ)存、RTC

采用增強(qiáng)型Flash 器件，提高了工作頻率并降低了功耗。串行閃存采用SST 專有的高性能CMOS SuperFlash技術(shù)制造。分離柵極單元設(shè)計(jì)（split-gate cell design）和厚氧化層隧穿注入器（thick-oxide tunneling injector）可實(shí)現(xiàn)更高的可靠性和可制造性。SPI 總線通訊，是一種高速的、全雙工同步的串口通信總線，收發(fā)獨(dú)立，可同步進(jìn)行。并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管腳，同時(shí)為PCB 的布局上節(jié)省空間，提供方便。系統(tǒng)時(shí)鐘采用ARM內(nèi)部時(shí)鐘及外部RTC 雙時(shí)鐘模式，精準(zhǔn)控制系統(tǒng)時(shí)間，定時(shí)校準(zhǔn)。

2.1.6 電源供應(yīng)

電源采用3A 電流輸出降壓開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V），并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等，輸出精準(zhǔn)電壓。

2.1.7 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試端口

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試端口，連接手持式多功能數(shù)據(jù)記錄儀用于現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)配置、問(wèn)題查找、功能測(cè)試、版本升級(jí)等工作。

2.2 派梯控制器配置軟件

2.2.1 派梯控制器在線升級(jí)/Remote IAP 技術(shù)使用

方便現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備升級(jí)維護(hù)工作，產(chǎn)品設(shè)計(jì)之初就在功能模塊上預(yù)留出用于在線升級(jí)的資源，開(kāi)發(fā)出了基于Remote IAP 技術(shù)的遠(yuǎn)程升級(jí)模式，該調(diào)試軟件在現(xiàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用，工作效率高。網(wǎng)絡(luò)組建完成后，操作人員即可對(duì)線上派梯控制器進(jìn)行升級(jí)維護(hù)。

圖3 Remote IAP 遠(yuǎn)程在線升級(jí)工具

在調(diào)試軟件界面上搜索并選中需要升級(jí)的派梯控制器，把編譯好的BIN 文件通過(guò)UDP 報(bào)文下發(fā)至派梯控制器中；派梯控制器接收BIN 文件，校驗(yàn)無(wú)誤后，把BIN 文件保存到儲(chǔ)存器中，修改軟件更新標(biāo)志，重啟系統(tǒng)。系統(tǒng)首先運(yùn)行芯片中的BootLoader，檢測(cè)軟件更新標(biāo)志；如果標(biāo)志沒(méi)有改變，則跳轉(zhuǎn)至用戶區(qū)APP 入口，運(yùn)行原有程序；如果更新標(biāo)志有變化，擦除用戶區(qū)原有程序，再?gòu)膬?chǔ)存器中讀出已寫(xiě)入的BIN 文件，寫(xiě)入用戶區(qū)，更新完畢后置位更新標(biāo)志，跳轉(zhuǎn)至用戶區(qū)APP 入口，運(yùn)行新的APP 程序。

2.2.2 派梯控制器的調(diào)試軟件

為方便項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試人員調(diào)試設(shè)備和配置參數(shù)，控制器在設(shè)計(jì)之初預(yù)留了一些功能模塊，可通過(guò)UDP 方式與上位機(jī)聯(lián)調(diào)，避免了現(xiàn)場(chǎng)工程師調(diào)試設(shè)備時(shí)四處走動(dòng)，同時(shí)提高了工作效率。為保證設(shè)置參數(shù)的準(zhǔn)確性，調(diào)試軟件可讀取設(shè)備中保存的參數(shù)來(lái)校對(duì)數(shù)據(jù)。

圖4 派梯控制器現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試軟件

3 派梯控制器功能實(shí)現(xiàn)

乘客使用閘機(jī)通道一卡通控制系統(tǒng)與派梯控制系統(tǒng)，按以下流程操作：

3.1 對(duì)于權(quán)限驗(yàn)證沒(méi)有通過(guò)的乘客，閘機(jī)通道閘門(mén)不打開(kāi)，CPU 讀卡器或人臉識(shí)別機(jī)將發(fā)出長(zhǎng)鳴警報(bào)，以便提醒乘客正確使用閘機(jī)；同時(shí)控制器把閘機(jī)位置數(shù)據(jù)和時(shí)間信息上傳至管理中心的安保系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中彈出警報(bào)提示；同時(shí)輔助配合監(jiān)控系統(tǒng)，便于核查該報(bào)警點(diǎn)的實(shí)際情況。

3.2 對(duì)于權(quán)限驗(yàn)證通過(guò)，已設(shè)置默認(rèn)目的樓層的乘客，在其通過(guò)閘機(jī)通道時(shí)，閘機(jī)系統(tǒng)將讀取乘客的默認(rèn)樓層以及卡號(hào)和電梯前后門(mén)數(shù)據(jù)，閘門(mén)打開(kāi)，同時(shí)將默認(rèn)的目的樓層發(fā)送給電梯群組控制系統(tǒng)KGC，系統(tǒng)分派電梯的梯號(hào)將顯示在閘機(jī)入口屏幕上。

圖5 閘機(jī)呼梯指示和派梯控制器選梯指示

3.3 乘客錯(cuò)過(guò)乘梯或者不想去默認(rèn)樓層時(shí)，可到電梯門(mén)口觸控屏上刷卡自主選擇卡片中授權(quán)的樓層，如果卡片沒(méi)有授權(quán)其它樓層，持卡人只能選擇默認(rèn)樓層或公共樓層。

3.4 派梯控制系統(tǒng)在乘客選擇授權(quán)的目的樓層之后，控制器屏幕會(huì)顯示分派的電梯標(biāo)號(hào)、行走方向等引導(dǎo)信息。各層電梯的廳門(mén)附近都有梯號(hào)指示裝置。部署在轎廂內(nèi)的指示裝置會(huì)向乘客按序顯示該梯將要停靠的多個(gè)樓層。

3.5 對(duì)于有特殊要求的乘客，比如使用輪椅的乘客或者VIP乘客，在授權(quán)時(shí)可配置相應(yīng)的參數(shù)。即使是高峰期間，電梯群組控制器KGC 也會(huì)為其單獨(dú)分派一部轎廂，以提高使用人員的乘梯體驗(yàn)。

3.6 派梯系統(tǒng)要求每位乘客都自主呼梯來(lái)實(shí)現(xiàn)派梯效率的最優(yōu)，也可以按需要對(duì)受其管理的樓層設(shè)置權(quán)限要求或權(quán)限開(kāi)放，其中大樓的出口層和公共樓層的權(quán)限是開(kāi)放的，以便乘客在進(jìn)入閘機(jī)刷卡后，無(wú)需再次通過(guò)身份驗(yàn)證即可到達(dá)大樓的出口層和公共層。

3.7 針對(duì)同一張卡片，在同一個(gè)區(qū)域不同的電梯廳刷卡，顯示的樓層不一致的問(wèn)題，分區(qū)授權(quán)可以解決樓層不一致的問(wèn)題。出于安全的需要，同一持卡人，在未經(jīng)授權(quán)的情況下，在同一棟大樓層的A 電梯廳乘坐電梯可到C 層，在B 電梯廳乘坐電梯則不能到C 層。

根據(jù)持卡人的權(quán)限需求，卡片中需授權(quán)的樓層分為多個(gè)區(qū)域，把項(xiàng)目中所有樓層統(tǒng)一起來(lái)，兼容所有樓層，制作出一種卡片樓層ID 和實(shí)際樓層ID 的關(guān)系對(duì)應(yīng)表。在卡片授權(quán)時(shí)，同時(shí)選擇持卡人需授權(quán)的多個(gè)區(qū)域的樓層。電梯是按照群組區(qū)分的，同一群組的電梯樓層ID 都是一致的。所以，在派梯控制器中，不同電梯群組下的派梯控制器，定制不同的樓層關(guān)系映射表，通過(guò)調(diào)試軟件下發(fā)到派梯控制器中?？刂破髟谏想妴?dòng)時(shí)，從儲(chǔ)存器中讀取映射表放到內(nèi)存中，當(dāng)有樓層數(shù)據(jù)需要轉(zhuǎn)換時(shí)，可以直接進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

目前該派梯控制器在上海國(guó)際金融中心項(xiàng)目中共安裝五百多臺(tái)，整體項(xiàng)目采用國(guó)密IC-CPU 智能一卡通系統(tǒng)，集成門(mén)禁、巡更、考期、梯控、消費(fèi)、人員定位等系統(tǒng)。

4 結(jié)論

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)應(yīng)用于電梯目的樓層派梯控制器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電梯控制智能化、信息化、數(shù)字化，體現(xiàn)各門(mén)學(xué)課的集成?；谇度胧郊夹g(shù)的軟硬件調(diào)試工具更是降低了工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)難度和應(yīng)用障礙。改變了市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的常規(guī)技術(shù)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方式，促進(jìn)安防行業(yè)產(chǎn)品升級(jí)換代、技術(shù)整合、產(chǎn)品調(diào)整、設(shè)計(jì)思路的改變。作為嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員應(yīng)不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)并應(yīng)用于實(shí)踐，使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，積極轉(zhuǎn)化為成果應(yīng)用于項(xiàng)目中。不斷完善技術(shù)的開(kāi)發(fā)，滿足客戶的需要，更加方便、靈活、可靠的適應(yīng)客戶的需求。