基于STM32f103的電梯狀態(tài)采集終端設(shè)計(jì)

李 文，李 炎

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002;2.蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 蕪湖 241004)

基于STM32f103的電梯狀態(tài)采集終端設(shè)計(jì)

李 文1，李 炎2

(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241002;2.蕪湖市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)中心，安徽 蕪湖 241004)

隨著高層建筑的不斷增加，電梯數(shù)量也在與日俱增，但在電梯數(shù)量增加的同時(shí)，電梯本身的制造質(zhì)量以及維修保養(yǎng)的質(zhì)量都在逐漸下滑.為了解決這個(gè)問(wèn)題，利用在電梯轎廂和機(jī)房安裝傳感器的方式采集電梯的狀態(tài)信號(hào)，將其進(jìn)行預(yù)處理之后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行監(jiān)控.

電梯;STM32f103;采集終端

0 引言

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，高層建筑逐漸增多，作為客貨運(yùn)輸載體的電梯的需求也在逐年增加.目前，伴隨著電梯數(shù)量的爆發(fā)性增長(zhǎng)，電梯制造企業(yè)的數(shù)量不斷增加，從而使得電梯制造企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)變得更加激烈，這在帶來(lái)低廉價(jià)格的同時(shí)卻使得電梯的制造質(zhì)量有所下降.另外，電梯數(shù)量的激增也使得成熟的電梯維修保養(yǎng)人員日漸匱乏.在以上2個(gè)因素的共同作用下，實(shí)際使用中的電梯的故障率始終居高不下.針對(duì)此狀況，本研究設(shè)計(jì)出了一種電梯的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)電梯的故障進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)這個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中的電梯狀態(tài)采集終端進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì).

1 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

本電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在每臺(tái)電梯上安裝一個(gè)狀態(tài)采集終端，將采集到的信號(hào)做出預(yù)處理后傳輸給基于Zigbee的CC2530芯片，然后通過(guò)CC2530的射頻模塊將多個(gè)狀態(tài)采集終端的數(shù)據(jù)集中到一起，再通過(guò)GPRS DTU模塊發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái)加以監(jiān)控.監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是，先通過(guò)在電梯轎廂和機(jī)房等地安裝相關(guān)傳感器采集電梯的狀態(tài)數(shù)據(jù)，再經(jīng)單片機(jī)對(duì)傳回的數(shù)據(jù)做出處理，最后通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控.

系統(tǒng)終端采集的電梯狀態(tài)信號(hào)包括:轎廂內(nèi)是否發(fā)生困人事件;電梯運(yùn)行速度;機(jī)房溫度;曳引機(jī)的溫升和噪聲;轎廂是否超載.以上5個(gè)電梯的故障狀態(tài)分別使用HC-SR501人體感應(yīng)模塊、數(shù)字式加速度傳感器 ADXL345、數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11、噪聲傳感器(龍戈電子的一款物聯(lián)網(wǎng)噪聲傳感器模塊)及數(shù)字壓力傳感器FST800－801等傳感模塊對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)加以采集.

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心MCU采用STM32f103，其是一種基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM處理器.該系列芯片有小容量(16K和32K)、中容量(64K和128K)、大容量(256K、384K和512K)等3種 Flash容量的產(chǎn)品可供選擇，其最高工作頻率72 MHz，在存儲(chǔ)器的0等待周期訪問(wèn)時(shí)可達(dá)1.25 DMIPS/MHz，可以進(jìn)行單周期乘法和硬件除法的運(yùn)算.

如圖2所示，人體感應(yīng)模塊和噪聲傳感器通過(guò)光電隔離與STM32f103單片機(jī)相連.這樣可以大大提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力，同時(shí)也可以對(duì)STM32f103單片機(jī)形成一個(gè)很好的保護(hù).而對(duì)于加速度傳感器、溫濕度傳感器和壓力傳感器這3個(gè)模塊，由于選用的是可以直接輸出數(shù)字信號(hào)的傳感器，故可以直接和STM32f103單片機(jī)相連.

電源模塊采用LM2576HV降壓模塊，其輸入電壓范圍為5～60 V，輸出電壓范圍為1.25～26 V.選用此模塊的原因是采用降壓模塊的電源一般能夠輸出數(shù)值較為穩(wěn)定的電壓值，有利于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行.

圖2 硬件結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于數(shù)據(jù)的發(fā)送，選擇CC2530模塊，將其與STM32f103單片機(jī)的SPI接口相連，這樣就可以將MCU中的信息傳輸給CC2530.CC2530本身有80C51單片機(jī)作為內(nèi)核，另外還集成了Zigbee的射頻模塊，這就相當(dāng)于是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路由器，通過(guò)這個(gè)路由器可以將這臺(tái)電梯的信息進(jìn)行匯總，然后通過(guò)GPRS DTU進(jìn)行發(fā)送，完成整個(gè)電梯狀態(tài)的采集操作.

2.2 傳感器信號(hào)檢測(cè)與處理

系統(tǒng)終端各傳感器信號(hào)的處理方式如下:

1)轎廂內(nèi)是否發(fā)生困人事件.檢測(cè)人體感應(yīng)器HC-SR501，定義紅外模塊輸入I/O口為PA0口，用一個(gè)檢測(cè)口PA3.如果發(fā)生困人故障，人體感應(yīng)模塊會(huì)輸出一個(gè)高電平.當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到高電平脈沖信號(hào)時(shí)即可以判斷電梯內(nèi)有乘客.

2)電梯運(yùn)行速度.采用數(shù)字式加速度傳感器ADXL345.在實(shí)際應(yīng)用中僅需要讀取其Y軸的數(shù)據(jù)即可，讀取Y軸的數(shù)據(jù)之后，將其進(jìn)行積分運(yùn)算得出電梯實(shí)際運(yùn)行的速度值，具體做法為，將ADXL345的CS引腳連接到板上的VS引腳，這樣SDA就被設(shè)置為I2C總線的數(shù)據(jù)引腳，SCL就被設(shè)置為I2C總線時(shí)鐘引腳.最后將VDD連接到3 V電壓，將3個(gè)GND引腳接地，把ADXL345的SDO連接到 ARM處理器 STM32f103的 PB0引腳.將ADXL345的 INT1和 INT2連接到 ARM處理器STM32f103的PC1和PC2，以產(chǎn)生中斷信號(hào).

3)機(jī)房溫度.采用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11，在一定的時(shí)間內(nèi)對(duì)機(jī)房溫濕度進(jìn)行采集，再取平均值.監(jiān)控節(jié)點(diǎn)中采用DHT11采集溫度，其與MCU采用串口連接，使用單總線數(shù)據(jù)格式.完整的數(shù)據(jù)傳輸是40位，前16位是濕度部分，中間16位為溫度部分，后8位為校驗(yàn)位.只需要讀取中間16位表征溫度的部分即可.這16位中的前8位為溫度的整數(shù)部分，后8位為小數(shù)部分.本設(shè)計(jì)將DHT11的1pin接3.3 V電源，4pin接地，2pin接STM32f103的PA0.

4)曳引機(jī)的溫升和噪聲.采用DHT11來(lái)對(duì)曳引機(jī)的溫升進(jìn)行采集，也是采用取平均值的方法，對(duì)于噪聲采用物聯(lián)網(wǎng)噪聲傳感器模塊進(jìn)行采集，DHT11連接方式同上.

5)轎廂是否超載.采用數(shù)字式壓力傳感器FST800-801來(lái)進(jìn)行采集.選用 RS485六芯線的FST800-801傳感器，將 RS485接口直接和STM32f103相連，直接讀取傳感器采集的數(shù)值.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體框架

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的思路是，將傳感器傳輸回來(lái)的信號(hào)和預(yù)設(shè)的電梯正常信號(hào)進(jìn)行比較，如果不同，則判定為電梯出現(xiàn)故障，并將這個(gè)判定的結(jié)果送入通信模塊發(fā)送出去，從而完成對(duì)電梯故障狀態(tài)的采集和預(yù)處理.軟件設(shè)計(jì)的總體構(gòu)架如圖3所示.

圖3 軟件設(shè)計(jì)示意圖

3.2 電梯故障狀態(tài)的判定

系統(tǒng)對(duì)電梯故障狀態(tài)先進(jìn)行采樣，將采樣值通過(guò)事件傳輸給主程序.主程序記錄故障狀態(tài)信息和正常電梯狀態(tài)信息，然后將這2個(gè)信息作為數(shù)據(jù)包發(fā)送出去.

主程序中，對(duì)是否困人故障定義為低電平有效;對(duì)電梯速度設(shè)定一個(gè)預(yù)設(shè)值，與其進(jìn)行比較;對(duì)溫度事件設(shè)定一個(gè)溫度區(qū)間，如果超過(guò)這個(gè)溫度區(qū)間即判定為故障;對(duì)噪聲值設(shè)定一個(gè)最大值，如超出最大值即判定為故障;對(duì)電梯超載事件，設(shè)定一個(gè)最大值，如果超過(guò)這個(gè)最大值則判定為故障.

4 通信模塊

當(dāng)基于STM32f103單片機(jī)的MCU對(duì)故障進(jìn)行判斷之后，將其與CC2530芯片連接，通過(guò)CC2530的射頻模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由器，再通過(guò)路由器將匯總而來(lái)的信號(hào)通過(guò)GPRS DTU發(fā)送至監(jiān)控平臺(tái).具體通信過(guò)程如圖4所示.

5 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)中，本研究選擇一個(gè)小區(qū)的某臺(tái)電梯進(jìn)行實(shí)際的故障采集測(cè)試.在這臺(tái)電梯上裝好故障采集終端，測(cè)量電梯是否有人、運(yùn)行速度、機(jī)房溫度、曳引機(jī)溫度和噪聲、電梯載重量等信號(hào).以上信號(hào)分別用經(jīng)過(guò)檢定的儀器測(cè)量出數(shù)值，再和采集到的實(shí)測(cè)信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證本系統(tǒng)故障采集終端的可靠性.同時(shí)，通過(guò)人為增加噪聲和載重砝碼超過(guò)規(guī)定的限值方法測(cè)試是否能夠判斷出故障.具體測(cè)試結(jié)果如表1和表2.

圖4 通信過(guò)程流程圖

表1 電梯測(cè)試結(jié)果1

表2 電梯測(cè)試結(jié)果2

6 結(jié)語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)了一種電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在電梯上安裝了一個(gè)基于STM32f103處理器的電梯狀態(tài)采集終端，該終端能夠有效檢測(cè)出電梯實(shí)際運(yùn)行中的幾種典型故障，是電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分.在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，本故障采集終端準(zhǔn)確性和可靠性都能夠滿足設(shè)計(jì)要求，取得了良好的監(jiān)控效果.

［1］李小康，范延濱.基于LM3S6432的電梯故障采集器設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，38(3):110 －113.

［2］閆學(xué)勤，陳志軍，謝麗蓉，等.基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)機(jī)房電梯安監(jiān)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2014，36(5):146－149.

［3］李敏，孟臣.數(shù)字式溫濕度傳感器SHT15及其應(yīng)用［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008，3(11):30－33.

［4］付麗君，周崇.電梯群控系統(tǒng)的上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011，29(12):154 －155.

［5］方卉.基于單片機(jī)的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)［J］.科技與企業(yè)，2012，21(9):96 －98.

Design of Acquisition Terminal of Elevator State Based on STM32f103

LI Wen1，LI Yan2
(1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhu 241002，China;2.Wuhu Special Equipment Supervision Inspection Center，Wuhu 241004，China)

With the increase of high-rise buildings，the number of elevators grows.But at the same time，the manufacturing quality and the maintenance quality of the elevators are gradually declining.To solve the problems，this paper uses the sensors installed in the elevator car and the machine room to collect the elevator status signals，which are sent to a monitoring platform for monitoring by wireless network after pretreatment.

elevator;STM32f103;acquisition terminal

TU857;TP274+.2

A

1004－5422(2015)01－0070－03

2015－02－16.

安徽省高校青年基金重點(diǎn)科研課題(2013SQRL109ZD)資助項(xiàng)目.

李 文(1982—)，女，碩士，講師，從事計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)研究.