摘要：随着城市化进程的加速，电梯已成为现代建筑中的重要交通工具，其安全性日益受到关注。针对电梯困人救援信息依赖公共网络传输应急数据的问题，提出了一种基于北斗短报文的电梯困人应急监测数据上云方法。该方法不依赖现有公共网络，直接利用北斗卫星导航系统的短报文通信功能，将电梯困人的应急监测数据通过北斗短报文通信实时传输到云端服务器。首先介绍了电梯应急监测的背景和意义，然后阐述了基于北斗短报文的电梯困人应急监测数据上云方法的原理和实现过程，并对其实时性、可靠性等方面进行了测试和验证。实验结果表明，该方法能够有效地将电梯困人应急监测数据传输到云端服务器。最后，对研究成果进行了总结，并展望了未来的研究方向和应用前景。

　　关键词：电梯困人；北斗；短报文；数据上云

　　０引言

　　电梯是运送人员及货物的一种机电设备，是一种以垂直运输为主的公共交通工具。电梯极大地方便了人类在高层建筑中生活和工作，拓展了人类活动的空间，从而使现代化的高楼大厦不断涌现，让城市生活变得更加美好。截至２０１４年，美国的电梯保有量约１００万台，日本约８２万台，欧洲约５７５万台。近年来，我国电梯数量以平均每年２０％的速度高速增长，２０１６年保有量达到４９４万台，２０２２年保有量达到９６４．４６万台，每天乘坐电梯出行的人数超过１５亿人次，电梯已经成为人民群众必不可少的交通工具［１］。

　　目前，我国每年有大批电梯使用超过１５年，进入老化期。２０１６年我国正式出台了《电梯主要部件报废技术条件》，明确了电梯主要部件的报废标准。我国现有老旧电梯数量约占电梯总数的２０％，到２０２１年这一比例升至３０％［２］。受电梯的“老龄化”、部分零部件的质量缺陷以及保养维护不足等多种因素的影响，电梯会经常出现各种故障甚至事故。由此而引发的一个关键问题是，电梯故障率随着年限增长而迅速增大。特别是随着新材料、新工艺、新技术在电梯上的不断应用，电梯正朝着高参数、复杂化、超高速等方向发展，电梯安全保障的要求越来越高［３］。据统计，电梯每运行８．３亿次，就会发生１次如失控冲顶或超速坠落等重大事故［４］。为此，电梯故障监测工作的开展将是长期、动态的过程。对电梯实施故障的监管，采取有效措施降低故障率，是非常必要的［５－６］。

　　本文结合实际需要，利用北斗卫星通信系统的短报文功能，开发了一个种基于北斗短报文的电梯远程在线应急监测系统，在电梯发生困人等安全事件时，在电梯与短报文云平台之间建立远程数据传输通道，实现基于北斗的应急通信救援报警，提高救援的及时性和可靠性，以减少电梯伤亡事件。

　　１系统设计

　　北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是我国自主建设运行的全球卫星导航系统，可面向全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。北斗系统目前在交通运输、通信授时、救灾减灾、公共安全等领域得到广泛应用。北斗系统与其他卫星导航系统相比显著的特点有：（１）高轨卫星更多，抗遮挡能力强；（２）多频信号组合使用，提供更高精度服务；（３）创新融合导航与通信能力，具备定位导航、短报文通信、搜救等多种服务能力［７］。北斗短报文系统终端，也被称为北斗短报文通信终端，是一种基于北斗卫星导航系统实现短报文通信的设备。它能够利用北斗卫星信号进行双向的信息传递，在公共移动通信基础设施因地震、停电等外在因素遭遇破坏的地区提供天地通信服务能力。
　　基于北斗的电梯远程在线应急监测系统能实现电梯运行故障信息数据采集、分析、存储、短报文传输、困人报警等功能。系统主要由现场采集短报文推送部分和后端短报文云平台两个部分组成，系统结构如图１所示。

　　现场采集短报文推送部分主要采用电梯内的到位开关和人体传感器、ＰＬＣ控制器、ＲＴＵ、北斗短报文终端构成，ＰＬＣ控制器实时监测电梯关门情况和轿厢内人体信号持续时长，若轿厢门关闭且轿厢内人体信号持续超过４５ｓ，外加开关门保护时间１０ｓ及５ｓ安全时间，合计超过６０ｓ后，ＰＬＣ控制器随即产生电梯困人事件信号［８］。ＲＴＵ实时收集电梯位置和故障事件数据，将定位数据和故障数据进行整合、打包，驱动北斗终端Ａ将数据发送给北斗系统［９－１０］。

　　短报文云平台端主要由北斗接受终端、北斗数据云平台、应急系统服务器及实时数据库构成，其中北斗接受终端收到北斗系统推送下来的数据后负责将数据暂存在北斗数据云平台，该云平台可面向多个上层应用提供差异化服务，可提供消息队列、ＭＱＴＴ订阅、ＨＴＴＰ推送、ＴＣＰ推送４种数据接入方式。在应急系统服务器中部署有北斗数据云平台，负责接收和解析北斗云平台推送下来的短报文原始数据，将数据进行解析提取，并将其存入实时数据库［１１－１３］。

　　２现场数据采集端硬件设计

　　现场数据采集端以ＲＴＵ（ＲｅｍｏｔｅＴｅｒｍｉｎａｌＵｎｉｔ）为远程测控单元，外加ＰＬＣ控制器、轿厢传感器、４８５和２３２串口总线和北斗通信模块（ＲＤＳＳ／ＧＰＳ）等组成。ＲＴＵ核心控制器采用的是由ＣｏｒｔｅｘＭ３构成的芯片，提供多种高性能的工业级通信接口，其系统硬件结构如图２所示。硬件的主要技术要求如下：（１）含有３个串口，分别为ＴＴＬ－ｕａｒｔ１、ＲＳ２３２－ｕａｒｔ０、ＲＳ４８５－ｕａｒｔ２，底层与ＰＬＣ控制器通过ＲＳ４８５进行连接，上层与北斗通信模块通过ＲＳ２３２进行连接；（２）支持Ｍｏｄｂｕｓ标准协议；（３）提供２路ＤＩ、２路ＡＩ、２路继电器；（４）支持ＤＣ９～３６Ｖ宽电压供电；（５）支持ＴＣＰ、ＨＴＴＰ、ＭＱＴＴ等多种网络协议；（６）支持Ｐｙｔｈｏｎ编程及常见的Ｐｙｔｈｏｎ软件库。

　　３北斗短报文通信方式

　　北斗短报文终端主要分为单向通信和双向通信两种，表现在成本方面，支持单向通信的北斗终端成本一般是支持双向通信终端成本的一半左右，用户可以根据使用场景和需求配置不同通信方式的北斗短报文终端［１４－１６］。北斗短报文的通信方式主要包括以下几种。

　　（１）点对点通信：这是北斗短报文最基本的通信方式，用户可以通过北斗终端设备发送和接收短报文，实现快速、方便的通信。通常包括发送方的北斗终端ＩＤ、接收方的北斗终端ＩＤ、消息内容等信息。

　　（２）广播通信：北斗系统也支持广播通信方式，可以将短报文广播给所有用户，或者根据用户设置的条件将短报文广播给特定用户群体。

　　（３）区域通信：在特定区域内，用户可以通过北斗短报文进行通信，这种方式适用于一些特定场景，如灾区通信恢复等。

　　此外，北斗短报文通信还可以与移动通信、互联网等其他通信方式进行融合，在没有４Ｇ传输信号的地方，北斗短报文服务可以通过卫星通信传输预警信息给用户，实现更广泛的通信覆盖和应用。

　　４北斗短报文通信协议

　　北斗ＲＤＳＳ（ＲａｄｉｏＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎＳａｔｅｌｌｉｔｅＳｅｒｖｉｃｅ）协议是指卫星无线电测定业务协议，用户至卫星的距离测量和位置计算无法由用户自身独立完成，必须由外部系统通过用户的应答来完成。ＲＤＳＳ是有源定位和通信协议，其特点是通过用户应答，在完成定位的同时，完成了向外部系统的用户位置报告，还可实现定位与通信的集成［１７－１９］，其中，北斗短报文定位和通信就是ＲＤＳＳ协议的典型应用。

　　ＲＤＳＳ协议是北斗总站下发的标准协议，有４．０协议和２．１协议两个主要的版本，其中４．０版本于２００６年１１月发布，该协议为二进制格式，目前民用北斗卡中，用户可输入的信息最长为７８个字节。４．０协议和２．１协议差异不大，目前较为通用的版本是２．１协议，北斗终端模块或者北斗芯片都要支持该协议。２．１协议用１０个波速表示信号强度，而早期的４．０协议则用６个波速表示信号强度［２０－２１］。

　　尽管ＲＤＳＳ协议指令较为复杂，但作为应用端，其主要的应用指令包括：读取卡号，读取信号状态，申请定位，获取当前时间，收发消息。其中，收发信息的短报文指令的数据以串行异步方式传送，所有语句以起始符“$”开始，以语句终止符＜ＣＲ＞＜ＬＦ＞结束，只有符合北斗标准通信格式要求的报文北斗系统才会接受并进行传输。标准语句定义接口语句的一般形式包含以下要素［９］：

　　５测试验证与效果分析

　　５．１标准化报文处理

　　在发送短报文之前，根据北斗短报文通信协议要求，首先需要对语句中“$”和“*”之间（不含符号“$”和“*”）全部字符按字节进行异或运算，前４比特和后４比特１６进制数分别以ＡＳＣＩＩ码表示，高位在前，低位在后，生成校验和的２位１６进制数，按式（１）组合成标准化的短报文语句，最终通过北斗模块推送到北斗系统实现短报文的发送。

　　由于现场数据采集端ＲＴＵ设备提供Ｐｙｔｈｏｎ编程语言及常见的Ｐｙｔｈｏｎ软件库，可利用以下Ｐｙｔｈｏｎ中内置函数完成短报文校验和处理及报文格式的处理：

　　ｂｉｎ（ｏｒｄ（ｃｈａｒ））［２：］＃返回字符的ＡＳＣＩＩ码值，去掉前两个字符（′０ｂ′），只留下纯二进制数字；

　　ｉｎｔ（ｂｉｎａｒｙ＿ａｓｃｉｉ，２）＃将一个ｂｉｎａｒｙ＿ａｓｃｉｉ表示的二进制字符串转换为一个十进制整数；

　　ｆｏｒｍａｔ（ｉｎｔ（ｂｉｎａｒｙ，２），′Ｘ′）＃将整数转换为大写的十六进制形式，“Ｘ”表示将整数转换为大写十六进制格式。

　　ｐｒｉｎｔ（＂合成的北斗语法字符串：＂，′$′＋ｉｎｐｕｔ＿ｓｔｒｉｎｇ＋′*′＋ＡＡ）＃合并、输出标准化报文。

　　详细的标准化报文处理流程如图３所示。

　　以发送报文“１２３４５６７８９”为例，通过Ｐｙｔｈｏｎ代码处理后，输出标准化的报文为：“$ＣＣＴＣＱ，１５９５００４１，２，１，２，１２３４５６７８９，０*７Ｂ”，其中“７Ｂ”为字符串“ＣＣＴＣＱ，１５９５００４１，２，１，２，１２３４５６７８９，０”的校验和，合成后的标准化报文发送字符串如图４所示。

　　５．２短短报文推送

　　现场数据采集端ＲＴＵ设备与北斗发送模块之间以串口ＲＳ２３２进行连接，波特率为１１５２００ｂｉｔ／ｓ，数据位８ｂｉｔ，停止位１ｂｉｔ，校验位为“Ｎｏｎｅ”，控制位为“Ｎｏｎｅ”，打开串口后，即可将“$ＣＣＴＣＱ，１５９５００４１，２，１，２，１２３４５６７８９，０*７Ｂ”推送给北斗发送模块，由北斗发送模块发送到北斗系统，正确的报文将被北斗系统接收，并返回接收后的确认结果，用串口调试工具进行短报文发送测试的运行结果如图５所示。

　　５．３短报文信息接收

　　北斗接收模块与短报文云平台服务器进行实时连接，当服务器通过北斗接受模块收到北斗系统推送的串行报文数据后，将以“$”开始，＜ＣＲ＞＜ＬＦ＞以语句终止符对报文进行解析，即从“$ＣＣＴＣＱ，１５９５００４１，２，１，２，１２３４５６７８９，０*７Ｂ”报文字符串中截取“１２３４５６７８９”，最终将其存入服务器数据库。通过连续发送短报文后在短报文服务器云平台展示的结果如图６所示。

　　６结束语

　　本文阐述了电梯困人应急救援的现实性和必要性，在研究北斗短报文通信方式和通信协议的基础上，将电梯困人应急数据融入北斗短报文通信，探索了一种基于北斗短报文的电梯困人应急监测数据上云方法，旨在提高电梯困人应急的响应速度。通过实验验证，该方法能够有效地将电梯困人应急监测数据传输到云端服务器，具有良好的实时性、可靠性和安全性。在公共移动通信基础设施因外在因素遭遇破坏的情况下，这种方法能够提供全天候天地通信能力，研究成果对于提高电梯困人应急救援的安全性和可靠性具有重要的实际意义，同时也为未来的研究方向和应用前景提供了新的思路和方向。

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