关于电梯远程监控系统与电梯之间通用通讯协议的研究

史 新/范丽丽

1. 中国电子工程设计院， 北京 100840； 2. 北京市建筑设计研究院， 北京 100045

1 引言

随着高层建筑的大量涌现, 电梯的使用也日益广泛与普及, 怎样保证电梯能够安全高效的运行, 不仅越来越多地引起了维护保养业界人士的关注, 也成了众多电梯用户关心的焦点。基于这种现实的需求及伴随着计算机控制技术和网络技术的发展，电梯远程监控技术应运而生。

所谓电梯远程监控系统（Elevator Remote Central Control and Monitoring System），是指建筑物内安装多部电梯后,对这些电梯进行远程监控、数据管理、维护、统计、分析、故障报警及救援。其目的是对电梯进行远程数据维护、故障报警，以及对电梯的运行性能（群控效果、使用频率、故障次数及故障类型） 进行统计与分析,并在分析的基础之上辅助专业人员选择合理的派梯方案[1]。

但在现实应用中，电梯远程监控系统都是由电梯厂家自己开发的，只针对自己厂家的电梯，而对其他公司电梯的监控则无能为力。其根源在于每个电梯厂家采集数据的通讯协议都是自己厂家的专用协议，不具有开放性。这样就导致从底层电梯控制系统到上层监控系统都由一个厂家生产，易形成垄断，市场上表现为监控系统的价格比较昂贵，一般用户难以承受。

在IT行业，通用协议很早就已开始使用，用来保证不同厂家的产品可以自由通讯。在楼宇自动化行业，BACnet、LonWorks、Konnex 等开放协议也已广泛使用。通过使用通用协议，不同厂商的产品可以互相通讯，为系统集成提供便利。但在电梯行业还未采用通用协议。

目前，市场上有很多基于通用协议的组态软件和基于网络（web）的浏览器和技术，如何将电梯数据采集的协议通用化，即，将电梯运行的各个现场数据统一成通用的格式，是需要解决的问题。一旦电梯数据格式具有通用性、开放性，这样就有利于监管部门的管理，更有利于电梯远程监控系统的发展与应用。

2 通用协议的采用

所谓通用协议必须是世界上广泛接受的技术，具有开放性的特点，市场上必须有足够多的厂家使用该项技术。本文选用三种世界通用的标准协议（XML、BACnet、LonWorks）作为研究对象，将电梯厂家的专有协议转化为上述三种协议，提供通用的接口，便于上层监控软件的二次开发。

2.1 XML

XML（The Extensible Markup Language） 即可扩展标记语言。标记是指计算机所能理解的信息符号，通过此种标记，计算机之间可以处理包含各种信息的文章等。定义这些标记，既可以选择国际通用的标记语言，比如HTML，也可以使用诸如XML这样由相关人士自由决定的标记语言，这就是语言的可扩展性。

XML应用面主要分为文档型和数据型两种类型，几种常见的XML应用有：

1）自定义XML+XSLT=>HTML，最常见的文档型应用之一。XML存放整个文档的XML数据，然后XSLT将XML转换、解析，结合XSLT中的HTML标签，最终成为HTML，显示在浏览器上。

2） XML作为微型数据库，这是最常见的数据型应用之一。利用相关的XML API（MSXML DOM、JAVA DOM等）对XML进行存取和查询。

3）作为信息传递的载体，尽管这些应用还是以XML为基本形态，但均已经发展出具有特定意义的格式形态。最典型的就是WEB SERVICE，将数据包装成XML来传递，但是这里的XML已经有了特定的规格，即SOAP。

本研究中就是使用XML作为信息传递的载体，将电梯的现场数据转化为XML格式、利用TCP/IP来传递的。

2.2 BACnet

BACnet是由美国供热、制冷与空调工程师协会组织（ASHRAE）的标准项目委员会（SPC）于1995年6月正式通过制定的。标准编号为ANSI/ASHRAE Standard 135-1995，现在标准已发展到ANSI/ASHRAE Standard 135-2004版本。

一般楼宇自控设备从功能上分为两部分：一部分专门处理设备的控制功能；另一部处理其数据通信功能。而BACnet就是要建立一种统一的数据通信标准，使得设备可以互操作。BACnet协议只是规定了设备之间通信的规则，并不涉及实现细节。

BACnet 的灵魂是它的互操作性，即不同厂家的设备能够很好的互联互通。从而在一定层面上实现了体系结构的统一, 这主要是由它的协议体系结构决定的[2,3]。BACnet 参照 ISO/OSI 的 7 层标准协议模型，并根据控制系统本身的特点，对它进行了简化和改进。考虑到控制系统本身要求快速、简捷，将原来的 7 层模型改为 4 层，如图1所示[2]。协议定义了自己的网络层和应用层，从而将控制体系在一个较高层面上统一起来。在数据链路层和物理层，考虑到现存各种网络的既定事实；同时也是为了使协议具有更好的兼容性、开放性，并兼顾各标准的优点和特点，协议提供了5 种不同的选择方案。包括以太网、ARCnet、MS/TP、RS485、RS232、LonTalk[2]等，并为每种方式提供了相应的标准。其中 LonTalk 的使用必须得到 Echelon 公司的OEM 许可，并且要做一个 BACnet原语到 LonTalk 应用层接口的映射。通过以上设计，使得 BACnet 协议在体系结构上保证了标准性和开放性。

图1 BACnet 4层ISO/OSI协议模型

2.3 LonWorks

LonWorks技术由美国埃施朗（Echelon）公司研发，已成为国际控制网络的通用标准。LonWorks协议，也称为LonTalk协议和ANSI/EIA 709.1控制联网标准，是LonWorks系统的核心。该协议是一个分层的以数据包为基础的对等（Peer to Peer）通信协议。如同相关的以太网和因特网协议一样，它是一个遵守国际标准化组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模型的分层体系结构准则的、公开的标准[4]。

LonWorks技术中的核心是神经元芯片与收发器，每一个神经元芯片构成的控制器为网络中的一个节点，不同的节点之间通过收发器对等的进行通讯。LonWorks网络支持多种介质的传输，包括：双绞线、电力线、同轴电缆、光纤等。网络变量、配置属性与功能块是数据的体现形式：网络变量通过虚拟连接的方式实现了不同节点、不同变量之间的通讯；配置属性定义了变量、功能块等的属性；功能块可以理解为一个实现某个功能的函数。

LonMark互操作协会定义了标准的网络变量、配置属性、功能块，实现不同厂家产品的互操作性与通用性。

3 研究中需要限定的问题

从电梯生产厂家的立场出发，首先，他们不反对电梯远程监控系统，但是，他们对电梯的远程控制仍持保留意见。我们也有同样的观点，在不知道现场情况的条件下，进行电梯的远程控制是相当危险的。所以，电梯的远程控制一定要慎重。只有那些不涉及到乘梯人安全的操作才可以远程操作。故在本文中的协议转化数据仅限于电梯的监视数据，不涉及到电梯的控制命令。

另外，电梯厂家仍然不愿意将他们的专有协议公开，所以我们提供协议转换的方案和数据格式，可由电梯厂家来实现他们自己的专有协议到通用协议的转换。也就是说，电梯厂家自己生产网关。但是，这势必会增加电梯厂家的成本，现阶段可能很多厂家不愿意做这件事情。但是从电梯监管部门来讲，一个统一的通用协议有利于电梯监控系统的发展，有利于电梯数据的记录、统计、分析和故障情况报警及救援。本研究为电梯监管部门提供了通用的电梯数据格式和协议转换的方案，帮助他们向电梯厂家推广。

4 协议转化

电梯有很多种类型的数据和信息，本文重点研究电梯厂家、电梯安装公司、业主、电梯使用者和电梯远程监控系统厂家关心的数据，即电梯运行的原始数据。对于由原始数据衍生出来的其他数据，本文中不作定义。这些数据可利用原始数据在上层监控端生成，供管理人员进行数据统计分析。

4.1 转化框图

为了实现协议转化，首先要采集电梯现场数据。现在电梯厂家常用的协议为Modbus，采集数据后进行转换，然后封装成TCP/IP格式提供给远程监控系统。如图2所示。

4.2 硬件支持

针对不同厂家的专有协议，最好的方法是开发一个网关，实现协议的翻译功能。如图2所示，ULEG（Universal Lift and Escalator Gateway）即为用来实现转化功能的设备，本研究中用一台电脑来实现。网关的下层接口通过RS232接口与电梯控制器连接，读取电梯的数据。三种协议（XML、BACnet、LonWorks）报告单元通过局域网或广域网与上层监控软件实现通讯。测试成功后，这台电脑不是必需的，可以由电梯厂家根据自己的协议生产自己的监控级控制器，即网关。

4.3 软件结构

1） 数据格式定义（DP message definition）

各个厂家不同的协议需要统一数据格式，我们定义了数据协议消息的格式：G,C,E,参数1[,参数2[,参数3]],参数4

其中: [ ]表示可选项,可以省略

G —表示电梯分组（Group），用1 9 的ASCII代码表示，0表示不属于电梯组的事件。

C —表示电梯（Car）编号，用1 9 的ASCII代码表示，0表示不属于本电梯的事件。

E —表示事件（Event）类型，用01到99的ASCII代码表示。

参数 —表示事件各个参数。

例如 ：“1,0,1,1,14,2, 2006-05-10 22:40:50.123” 表示第一组电梯在14层有向下的呼梯。

Group = 1

Lift = 0 （即表示组事件）

Event Type = 01

State = 1

Floor = 14

Direction = Down

Time = 2006-05-10 22:40:50.123

表1列举了其中一个事件的参数定义，本研究中定义了电梯各种数据的数据类型。DP是数据转换的中间格式，通过XML、BACnet和LonWorks的报告单元（Reporter）转换成相应的XML、BACnet和LonWorks协议供监控系统使用。

2） XML通用协议

通过XML报告单元，转化成TCP/IP格式，基于网络服务技术和XML图表，可以显示电梯的静态和动态数据。XML数据格式定义如下：

例如：DP: 1,0,1,1,9,2,2006-07-25 14:41:47.203

XML数 据 格 式:

3） BACnet通用协议

在ULEG内部，数据经过扫描器、转换器后生成DP的格式，由BACnet报告单元生成BACnet对象格式，供BACnet CCMS使用。BACnet对象定义格式如下：

DP event type 01 （Landing Call） （normal control system）

Object_Identifier BACnetObjectIdentifier

Object_Name CharacterString

Object_Type Muti DataInputObjectType

Present_Value BACnetARRAY[N]of

表1 事件参数定义举例

BACnetLndCallStatus

BACnetLndCallStatus::= SEQUENCE {

Floor_number Unsigned8,

command CHOICE {

direction BACnetLiftDirection,

destination Unsigned8

},

}

BACnetLiftDirection ::= ENUMERATED {

Up （1）, Down （2）, Up and down （3）,

}

4） LonWorks通用协议

LonWorks通用协议需要依赖于硬件，如图2中RS232-LON网关即为LonWorks协议的承载体。在RS232-LON网关上需要载入功能块、网络变量、配置属性。根据电梯的消息类型来定义LonWorks协议下的数据类型。如图3所示为电梯故障情况信号功能块，表2定义了该变量的数据格式。除了这个变量，电梯的每一个数据本研究都作了定义。

表2 电梯故障情况功能块中网络变量定义

5 系统测试

针对上述设计思路和实现方式，我们对两个不同厂家的电梯进行了测试。连接电梯系统的RS232接口到ULEG，通过Internet或Intranet连接电梯远程监控系统主机，观察电梯数据上传的速度和监测数据的准确性。此项测试与原有电梯厂家的监控系统对比，可以完全达到一致的显示。

6 研究成果与进一步研究方向

本研究定义了电梯需要监控的数据，并且将其转化为通用协议，提供给业主、用户、监管部门一个开放的接口，方便上层监控软件公司开发二次监控软件。本研究中提供了ULEG的硬件设备用于测试，我们建议以后由电梯厂家生产这个网关，本研究项目能提供数据定义、转换方法及转换源代码，电梯厂家不用自己开发，可以利用这个研究项目生产。

但是，现实的问题是电梯厂家仍然不愿意将他们的专有协议公开，这就需要监管部门提出通用协议的概念，推动电梯远程监控的发展。

对于电梯协议标准化的问题，需要与美国供热、制冷与空调工程师协会组织（ASHRAE）与LonMark协会联系，将电梯的BACnet与LonWorks标准数据格式纳入到标准中。

参考资料

[1]John Bashford （J Bashford & Associates）. CIBSE Guide D Transportation Systems in Buildings[DB].

[2]ANSI/ASHRAE Standard 135-2001: BACnet-A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks[S]. ASHRAE, Atlanta,Georgia, USA, 2001.

[3]董春桥. 智能楼宇BACnet原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2003.

[4]美国埃施朗公司北京代表处.LonWorks系统介绍（1版）[DB].http://wenku.baidu.com/view/be6947c4bb4cf7ec4afed05e.html，2005.