CN109552951B - 一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于包括：云平台、智能管理器以及电力线载波通信设备，利用电梯随行线缆中的220V照明线缆线路，进行数字信号的传输。利用本系统数字信号能够在电梯井道中高速可靠地传输，且不需要增加额外的线缆，也避免了复杂的工程施工。系统还具备通信信道传输质量实时监测功能，实现了设备运行状态及性能的可视化管理功能。系统云端具备一定的学习和决策能力，能够根据采集到状态信息，定义优化配置参数并反馈给设备，实现自动智能化的管理，提高可靠性的同时降低运维成本。

Description

一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字通信系统

技术领域

本发明涉及电力载波通信领域，更具体地，涉及一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字通信系统。

背景技术

数字化、网络化、智能化是未来工业及行业应用领域发展的必然趋势，电梯物联网已成为电梯行业最具发展潜力的领域之一，正在吸引越来越多的物联网企业和电梯行业巨头投身到这股浪潮之中。随着电梯行业与物联网技术的融合越来越成熟，支持电梯物联网技术将成为未来电梯的标配。

电梯属于特种设备，由于其应用领域的特殊性，对其数据传输的可靠性和安全性的要求都很高，因此建立一条安全可靠的通信通道是首先且必须要解决的问题。但由于电梯井道特殊的应用环境，电梯轿顶端及轿厢端设备联网一直是个技术难题，当前主要难题有三个方面：信号干扰严重、传输线缆易损坏、工程实施较为困难。

发明内容

本发明为克服上述现有技术中电梯数据传输信号干扰严重、传输线缆易损坏、施工困难的缺陷，提供一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字通信系统。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的首要目的是一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字通信系统。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字通信系统，所述系统包括：云平台、智能管理器以及电力线载波通信设备；

所述电力线载波通信设备成对使用，分别安装在机房和电梯轿顶，两个电力线载波通信设备通过220V电力线通信连接实现宽带数字IP业务的传输，机房端的电力线载波通信设备通过网线连接有交换机；

所述智能管理器与交换机通信连接,用于电力线载波通信设备现场运行参数的采集、本地化存储及分析，与平台进行数据交互；

所述云平台与所述智能管理器通信连接，用于对所述智能管理器及电力线载波通信设备进行集中化管理，通过大数据处理，对采集到的设备状态信息进行分析建模，预测现场环境噪声及电力线通信信道模型，选择最优的工作参数配置。

进一步地，所述智能管理器为物联网网关,所述物联网网关包括应用功能模块和中间件模块，应用功能模块实现电力线载波通信设备信息的采集、分析处理及简单的决策反馈，以及与云平台的数据交互,应用功能模块与云平台通过 MQTT协议进行通信，非业务消息通过HTTP通信；

所述中间件模块主要实现电力线载波通信设备所用协议的解析与处理，不同标准的协议处理程序以统一接口的动态库形式供所述应用功能模块调用；

进一步地，所述云平台包括前端和后台；所述前端提供人机交互界面呈现各个系统及设备的运行情况；

所述后台包括：

MQTT服务器,用于实现智能管理器的接入管理、消息的订阅和发布；

API接口，用于MQTT服务器获取IP或域名、端口号、其他信息；

核心业务处理模块，用于实现系统的核心业务逻辑；

机器学习框架，用于数据处理及数据查询；

智能决策模块，用于根据机器学习框架的计算结果得出优化决策并反馈给电力线载波通信设备。

进一步地，设备状态信息进行分析建模过程包括：采集电力线载波通信设备的运行参数，本地存储计算，将关键指标及数据上传到云平台，云平台建立数学处理模型、通信质量评估模型、故障诊断及预测模型，通过特征值评估设备通信质量、进行故障诊断及告警、故障预测，所述云平台根据故障类型，可以进行远程实时设备参数优化配置，实现智能化设备管理。

进一步地，所述的关键指标包括：设备间通信时延、物理层收发速率、信噪比。

进一步地，通信质量评估是根据信噪比和物理层收发速率来判断：

定时采集平均信噪比

值，物理层发送速率TX，接收速率RX，计算数学期望方差、协方差；通过二维方差

三维协方差：

相关系数：

分析

值、发送速率TX和接收速率RX三者之间相互依赖关系：

通信质量较差，发送速率TX和接收速率RX较低；

通信质量较好，发送速率TX和接收速率RX一般；

通信质量非常好，发送速率TX和接收速率RX较高。

进一步地，进行故障诊断方法为：

电力线载波通信设备出现异常，云平台将从三个方面进行检测异常原因：

A.电力线载波通信设备连接上云平台后每隔30s会发送一个心跳包到云平台，如果设备超过75s没有收到云平台返回的心跳包，则自动尝试重新建立连接；

B.若云平台接收不到电力线载波通信设备的MQTT心跳包，则开启定时器，判断定时器是否超时，若定时器超时则判定设备掉线；

C.电力线载波通信设备连上云平台后，会定时获取自身的及所在电力线载波通信设备链路的状态信息，当检测到设备状态信息变化幅度超过预设值时会立即上报电力线载波通信设备状态数据到云平台。如果检测到设备状态信息指标低于门限值，还会上报一条报警信息到云平台。如果设备状态稳定，则电力线载波通信设备会根据用户设置的周期上报状态数据；

云平台收到电力线载波通信设备上报的状态信息或报警信息，会将数据保存到数据库中并更新电力线载波通信设备状态。

进一步地，所述预设值和门限值由用户根据实际使用需求自行设置。

进一步地，故障的预测过程为：电力载波通信设备第一次上电，连续多次采集电力载波通信设备参数采集平均信噪比

值，物理层发送速率TX，接收速率RX，计算参数的平均值作为标准值，然后将采集值与所计算的标准值计算方差，确定阈值范围，

(1)参数值和标准值相差超出阈值

σ值取10；

(2)月平均掉线频率比以往历史平均掉线频率高

(3)设备重连时间比正常时间长t-E[t]>θ

其中，σ值取为10、

和θ的取值由用户设备的历史统计数据决定，当情况(1)、 (2)、(3)同时满足两项时，则设备存在异常的概率大，其中，

表示标准值，E[f]表示以往历史平均掉线频率，E[t]表示设备重连正常时间，f表示月平均掉线频率，t表示设备重连时间。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明使电梯数字数字信号能够在电梯井道中高速可靠地传输，且不需要增加额外的线缆，也避免了复杂的工程施工。系统还具备通信信道传输质量实时监测功能及学习和决策能力，可定义优化配置参数并反馈给设备，实现自动智能化的管理，提高可靠性的同时降低运维成本。

附图说明

图1为系统结构图。

图2为智能管理器软件架构图。

图3为云平台软件架构图。

图4为设备状态信息的分析与建模流程图。

图5为220V电源原始噪声频谱图。

图6为220V电源滤波后的噪声频谱图。

图7为电力线载波通信设备状态参数图。

图8为子载波在频域及时域衰减特性三维图谱。

图9为台前端设备管理列表。

图10为设备的信噪比三维图。

图11为设备的信噪比。

图12所示为设备状态列表。

图13为

值变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

参见图1本发明 实施例示出的系统结构图。

一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字通信系统，系统包括云平台、智能管理器以及电力线载波通信设备；电力线载波通信设备成对使用，分别安装在机房和电梯轿顶，通过220V电力线通信实现宽带数字IP业务的传输；智能管理器实现电力线载波通信设备现场运行参数的采集、本地化存储及分析，与平台进行数据交互；云平台实现智能管理器及电力线载波通信设备的集中化管理，通过大数据处理，对采集到的设备状态信息进行分析建模，预测现场环境噪声及电力线通信信道模型，选择最优的工作参数配置，如工作频段设置、功率谱密度设置等。云平台与智能管理器通过MQTT协议构建一个稳定安全的连接通道，可以实现设备远程安全访问及数据交互。

如图2所示为智能管理器软件架构图，智能管理器是一款软硬件都采用模块化设计的高性能物联网网关，软件模块和硬件模块(如4G模块)都能根据用户需求进行灵活配置，能够提供较强的边缘计算能力，支持集中式远程管理。通过智能管理器可实现电力线载波通信设备(以下简称PLC设备)的智能化管理，其中包括获取PLC设备的在线离线状态、物理层速率、平均信噪比(SNR)、各子载波携带的比特数(BPC)等，支持设置PLC设备的网络分组、PLC设备的故障告警等，同时实现与云平台的数据交互。

智能管理器软件模块包括应用功能模块与中间件模块。

应用功能模块主要实现PLC设备信息的采集、分析处理及简单的决策反馈，以及与云平台的数据交互。应用功能模块与云平台通过MQTT协议进行通信，少数非业务消息通过HTTP通信。

中间件模块主要实现PLC专用协议的解析与处理，不同标准的协议处理程序以统一接口的动态库形式供应用功能模块调用。目前已支持HomePlug AV、 HomePlug GreenPHY、HD-PLC Complete、HD-PLC Inside/Inside+、HD-PLC MultiHop等标准。中间件模块与应用功能模块通过TCP进行通信。

MQTT(Message Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输)是IBM 开发的一个即时通讯协议，采用客户端服务端架构的发布/订阅模式，现已成为物联网技术的重要组成部分。MQTT协议是为大量计算能力有限，且工作在低带宽、不可靠的网络的远程传感器和控制设备通讯而设计的协议，支持TLS传输层加密及3级消息发布QoS。

如图3所示为云平台软件架构图，云平台为用户提供智能管理器及PLC设备的集中化管理功能，是整个系统的数据存储和处理中心。云平台实现了设备在线状态、通信性能等的实时监测功能，能远程进行设备参数配置、重启、固件升级等操作，支持设备异常或故障告警。此外，通过对设备历史数据的积累学习和分析建模，系统具备了一定的智能决策能力，能够根据各个应用场景的差异为设备下发最佳的配置参数，优化设备性能。

云平台分为前端和后台两部分，前端部分作为人机交互的主体，旨在以更直观、更简洁的方式向用户呈现各个系统及设备的运行情况。结合Web Socket及前端数据可视化技术，能够以二维和三维图谱的形式呈现设备的状态信息。

后台部分由多个软件模块构成，各个模块的主要功能介绍如下：

MQTT服务器：实现智能管理器的接入管理、消息的订阅和发布；

API：MQTT服务器信息获取(IP或域名、端口号)及其他信息获取；

核心业务处理：实现系统的核心业务逻辑；

机器学习框架：集成常用的机器学习算法库、数据流处理及数据查询功能；

智能决策：根据机器学习框架的计算结果得出优化决策并反馈给设备。

如图4所示为设备状态信息的分析与建模流程图，智能管理通过采集电力线设备的运行参数，通过本地存储计算，将关键指标及数据上传到云平台，云平台建立数量处理模型、通信质量评估模型、故障诊断及预测模型，通过特征值评估设备通信质量、进行故障诊断及告警、故障预测等，另外，云平台根据故障类型，可以进行远程实时设备参数优化配置，实现智能化设备管理。

关键指标及数据

1)设备间通信时延

时延是数据包一个网络的一端传到另一端所经历的时间，智能管理器通过发送特定指令获取两台电力线载波通信设备之间的通信时延。

2)物理层收发速率：

宽带电力线载波一般基于OFDM物理层帧结构、前向纠错编码、高阶调制、零相关区码前导、时频二维动态子载波分配，该算法能有效对抗时变信道中的多径衰落和各种复杂的噪声干扰、确保在一定误码条件下数据可靠传输。电力线载波物理层的调制方式支持BPSK、QPSK、16QAM、64QAM、256QAM、4096QAM，以适应电力线信道中的不同链路、不同子载波之间的信道比差异、充分利用信道资源。通过指令可以获取物理层收发速率，通过物理层收发速率评估通信质量。

3)信噪比：

OFDM的一个很好的特性是可以根据不同频率上的SNR选择传送不同的比特数，SNR值越大，该频率子载波所在的信道传输质量越好，可以传送的比特数越多。

通信质量评估：

分为几个等级，根据信噪比及物理层速率来判断。定时采集平均信噪比

值，物理层发送速率TX，接收速率RX，计算数学期望方差、协方差。通过二维方差：

及三维协方差、

分析

值、发送速率TX和接收速率RX三者之间相互依赖关系：

a)

通信质量较差，发送速率TX和接收速率RX较低

b)

通信质量较好，发送速率TX和接收速率RX一般

c)

通信质量非常好，发送速率TX和接收速率RX较高

电力线信道质量存在较强的时变特性，通信质量会随着现场环境的噪声及阻抗变化，图8是在现场环境采集的OFDM调制每个子载波携带符合数随着现场环境变化的时频特性，因此，需要间隔一定周期，采集多次

值，计算平均值及标准差，平均值越大，标准差越小，说明信道质量越好。

网络故障、设备本身故障、或者线路等现场环境引起的设备无法正常通信，云平台可以实时发现、诊断离线原因并告警(首先判断网络连接是否正常，如果网络连接正常，根据信噪比及物理层速率判断是否是现场环境引起的)。

电力线载波通信设备出现异常，云平台将从三个方面进行检测异常原因：

A.电力线载波通信设备连接上云平台后每隔30s会发送一个心跳包到云平台，如果设备超过75s没有收到云平台返回的心跳包，则自动尝试重新建立连接；

B.若云平台接收不到电力线载波通信设备的MQTT心跳包，则开启定时器，判断定时器是否超时，若定时器超时则判定设备掉线；

C.电力线载波通信设备连上云平台后，会定时获取自身的及所在电力线载波通信设备链路的状态信息，当检测到设备状态信息变化幅度超过预设值时会立即上报电力线载波通信设备状态数据到云平台。如果检测到设备状态信息指标低于门限值，还会上报一条报警信息到云平台。如果设备状态稳定，则设备会隔相对长的一个周期才会上报状态数据；

云平台收到设备上报的状态信息或报警信息，会将数据保存到数据库中并更新相应的设备状态。

故障预测：

故障预测通过采集设备运行参数及历史故障数据来预测，采集值和标准值比对，统计方差，确定阈值范围，超出范围提示异常。标准值由设备第一次上电，开始连续多次采集设备参数(在固定的时间内连续采集，根据现场的运行环境设置时间的长短)，采集平均信噪比

值，物理层发送速率TX，接收速率RX，计算参数平均值作为标准值。后面会定期会采集设备参数值，和标准值进行比对，计算偏差，预测故障。

(1)参数值和标准值相差超出阈值

(σ值取10)

(2)月平均掉线频率比以往历史平均掉线频率高

(3)设备重连时间比正常时间长t-E[t]>θ

其中，σ值取为10、

和θ的取值由用户设备的历史统计数据决定，当情况( 1)、(2)、(3)同时满足两项时，则设备存在异常的概率大，其中，

表示标准值，E[f]表示以往历史平均掉线频率，E[t]表示设备重连正常时间，f表示月平均掉线频率，t表示设备重连时间。

系统测试

测试环境选择选择某市小区30部电梯进行本发明系统的测试，采用上述宽带电力线载波电梯数字传输系统进行数字摄像头信号传输，通信介质选择220V 照明随行线缆。

实施例测试系统如1图所示，通过本地工具及云平台实时监测设备运行状态，评估设备运行性能指标，实时诊断故障类型、预测故障发生。

测试结果分析

(1)现场环境噪声测试

如图5所示，220V AC照明线缆原始噪声随着电梯启动、运行，噪声波动范围大，但是经过隔离滤波器后，如图6所示，噪声的幅度有明显下降并且保持稳定，隔离滤波器起到了很好的噪声隔离效果。

(2)本地监测

通过自主研发的PLC Monitor性能监测工具，该工具可以实时监测电力线载波通信设备运行状态，运行在本地端，与智能管理器进行通信，显示呈现智能管理器的运算结果，图7显示每个子载波携带的比特数，平均信噪比

物理层速率，应用层TCP、UDP速率等，可以通过图8三维图谱显示子载波在频域及时域衰减特性。

(3)远程监测

通过自主研发的云管理平台实现设备远程管理，云平台部署在阿里云上，可以远程实时监测设备状态、实时报警推送、远程参数配置，数据统计分析等如图 9所示为云平台前端设备管理信息图，图10为设备的信噪比图，图11为设备的信噪比三维图，图12为设备状态列图。

(4)通信性能评估

根据

值及变化特性来评估设备性能如图13示。

测试电梯信号质量评估表如下所示。

Claims (7)

1.一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于，所述系统包括：云平台、智能管理器以及电力线载波通信设备；

所述电力线载波通信设备成对使用，分别安装在机房和电梯轿顶，两个电力线载波通信设备通过220V电力线通信连接实现宽带数字IP业务的传输，机房端的电力线载波通信设备通过网线连接有交换机；

所述智能管理器与交换机通信连接,用于电力线载波通信设备现场运行参数的采集、本地化存储及分析，与平台进行数据交互；

所述云平台与所述智能管理器通信连接，用于对所述智能管理器及电力线载波通信设备进行集中化管理，通过大数据处理，对采集到的设备状态信息进行分析建模，预测现场环境噪声及电力线通信信道模型，选择最优的工作参数配置，

设备状态信息进行分析建模过程包括：采集电力线载波通信设备的运行参数，本地存储计算，将关键指标及数据上传到云平台，云平台建立数学处理模型、通信质量评估模型、故障诊断及预测模型，通过特征值评估设备通信质量、进行故障诊断及告警、故障预测，所述云平台根据故障类型，可以进行远程实时设备参数优化配置，实现智能化设备管理；

通信质量评估是根据信噪比和物理层收发速率来判断：

定时采集平均信噪比

值，物理层发送速率TX，接收速率RX，计算数学期望方差、协方差；通过二维方差

三维协方差：

相关系数：

分析

值、发送速率TX和接收速率RX三者之间相互依赖关系：

通信质量较差，发送速率TX和接收速率RX较低；

通信质量较好，发送速率TX和接收速率RX一般；

通信质量非常好，发送速率TX和接收速率RX较高。

2.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于，所述智能管理器为物联网网关,所述物联网网关包括应用功能模块和中间件模块，应用功能模块实现电力线载波通信设备信息的采集、分析处理及简单的决策反馈，以及与云平台的数据交互,应用功能模块与云平台通过MQTT协议进行通信，非业务消息通过HTTP通信；

所述中间件模块主要实现电力线载波通信设备所用协议的解析与处理，不同标准的协议处理程序以统一接口的动态库形式供所述应用功能模块调用。

3.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于，所述云平台包括前端和后台；所述前端提供人机交互界面呈现各个系统及设备的运行情况；

所述后台包括：

MQTT服务器,用于实现智能管理器的接入管理、消息的订阅和发布；

API接口，用于MQTT服务器获取IP或域名、端口号、其他信息；

核心业务处理模块，用于实现系统的核心业务逻辑；

机器学习框架，用于数据处理及数据查询；

智能决策模块，用于根据机器学习框架的计算结果得出优化决策并反馈给电力线载波通信设备。

4.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于，所述的关键指标包括：设备间通信时延、物理层收发速率、信噪比。

5.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于，进行故障诊断方法为：

电力线载波通信设备出现异常，云平台将从三个方面进行检测异常原因：

A.电力线载波通信设备连接上云平台后每隔30s会发送一个心跳包到云平台，如果设备超过75s没有收到云平台返回的心跳包，则自动尝试重新建立连接；

B.若云平台接收不到电力线载波通信设备的MQTT心跳包，则开启定时器，判断定时器是否超时，若定时器超时则判定设备掉线；

C.电力线载波通信设备连上云平台后，会定时获取自身的及所在电力线载波通信设备链路的状态信息，当检测到电力线载波通信设备状态信息变化幅度超过预设值时会立即上报电力线载波通信设备状态数据到云平台；如果检测到电力线载波通信设备状态信息指标低于门限值，还会上报一条报警信息到云平台；如果电力线载波通信设备状态稳定，则电力线载波通信设备会根据用户设置的周期上报状态数据；

云平台收到电力线载波通信设备上报的状态信息或报警信息，会将数据保存到数据库中并更新电力线载波通信设备状态。

6.根据权利要求5所述的一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于，所述预设值和门限值由用户根据实际使用需求自行设置。

7.根据权利要求1所述的一种基于宽带电力线载波通信技术的电梯数字传输系统，其特征在于，故障的预测过程为：电力载波通信设备第一次上电，连续多次采集电力载波通信设备参数采集平均信噪比

值，物理层发送速率TX，接收速率RX，计算参数的平均值作为标准值，然后将采集值与所计算的标准值计算方差，确定阈值范围，

(1)参数值和标准值相差超出阈值

σ值取10；

(2)月平均掉线频率比以往历史平均掉线频率高

(3)设备重连时间比正常时间长t-E[t]>θ；

其中，σ值取为10、

和θ的取值由用户设备的历史统计数据决定，当情况(1)、(2)、(3)同时满足两项时，则设备存在异常的概率大，其中，

表示标准值，E[f]表示以往历史平均掉线频率，E[t]表示设备重连正常时间，f表示月平均掉线频率，t表示设备重连时间。

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