雙ARM的車門多參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

涂曉立，繆小冬

(1.南京康尼機(jī)電股份有限公司，南京 210009；2.南京工業(yè)大學(xué))

雙ARM的車門多參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

涂曉立1，繆小冬2

(1.南京康尼機(jī)電股份有限公司，南京 210009；2.南京工業(yè)大學(xué))

設(shè)計了一種智能檢測軌道車門參數(shù)的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ARM8和STM32雙ARM構(gòu)架，STM32系統(tǒng)主要是采集各個車門的電機(jī)數(shù)據(jù)，封裝后通過短距離無線通信模塊傳輸給ARM8系統(tǒng)。ARM8系統(tǒng)有兩個作用，一方面是接收來自各個STM32系統(tǒng)采集到的電機(jī)數(shù)據(jù)，另一方面是監(jiān)測車門絲桿轉(zhuǎn)塊的位置信息。當(dāng)收到開關(guān)門觸發(fā)信號時就驅(qū)動視覺傳感器拍照，把圖片信息和STM32系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送到服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)，然后在PC端訪問服務(wù)器，可以隨時隨地查看車門電機(jī)的各項參數(shù)。實際使用表明，該系統(tǒng)可以適用于車門系統(tǒng)多參數(shù)監(jiān)測，給后期檢測維修提供了參考依據(jù)，減少了維修工作。

雙ARM；多參數(shù)；無線傳輸；電機(jī)數(shù)據(jù)；門系統(tǒng)

引 言

在地鐵運營過程中，車門系統(tǒng)需要經(jīng)常開啟和關(guān)閉，加上其他因素的影響，導(dǎo)致客室車門故障頻發(fā)。車門電機(jī)作為非常重要的部件，其性能的好壞直接影響到車門的正常工作。而車門傳動系統(tǒng)中絲桿上轉(zhuǎn)塊的位置則反映車門的移動信息，轉(zhuǎn)塊的松動、誤觸發(fā)也是導(dǎo)致車門故障的一個因素，因此對車門電機(jī)參數(shù)和轉(zhuǎn)塊位置的實時監(jiān)測至關(guān)重要。針對這一需求，設(shè)計了基于雙ARM嵌入式平臺的監(jiān)測系統(tǒng)來對車門電機(jī)參數(shù)和絲桿上轉(zhuǎn)塊位置進(jìn)行實時監(jiān)測。經(jīng)過測試，通過對電機(jī)數(shù)據(jù)和絲桿上轉(zhuǎn)塊位置信息的采集就可以根據(jù)對應(yīng)關(guān)系計算得到電機(jī)的特性參數(shù)(電流、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速)和車門的工作狀態(tài)，然后把這些數(shù)據(jù)匯總，最后通過3G通信的形式發(fā)送到服務(wù)器，這樣在PC端根據(jù)上傳到服務(wù)器上的數(shù)據(jù)就可以判斷電機(jī)或車門是否處于故障或者亞健康狀態(tài)。通過這個遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)就不需要經(jīng)常對車門狀態(tài)進(jìn)行檢修，而是根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)對處于亞健康狀態(tài)的車門進(jìn)行專門檢修，這樣大大減少了檢修的工作量以及成本，提高了檢修的工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

車門多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)是由兩部分組成的。一部分為采集裝置，如圖1所示，主要是由無線傳輸電路、電流采樣電路、STM32及其外圍電路組成[1]，每一個車門都需要安裝一個采集裝置，主要功能是采集門系統(tǒng)中電機(jī)的數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角、電流)。另一部分是網(wǎng)關(guān)裝置，如圖2所示，其是由視覺傳感器、3G傳輸模塊以及ARM8及其外圍電路組成。網(wǎng)關(guān)裝置中包含嵌入式視覺傳感器，其主要功能是通過自身搭載的攝像頭模塊收集絲桿上轉(zhuǎn)塊位置的圖像信息，最后連同采集裝置收集的電機(jī)數(shù)據(jù)一起發(fā)送到服務(wù)器，這樣在PC端訪問服務(wù)器就可以實時監(jiān)測電機(jī)各項數(shù)據(jù)以及車門運動信息。

圖1 采集裝置示意圖

圖2 網(wǎng)關(guān)裝置示意圖

2 車門安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 采集裝置的硬件設(shè)計

傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動電路是門控器直接驅(qū)動電機(jī)，這個系統(tǒng)中采用采集裝置作為中間媒介，如圖1所示，這樣既保持原有的驅(qū)動方式不變，也方便進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集裝置選用STM32F407作為主控制器，其主要作用是采集電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速等信息，然后通過短距離無線模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)裝置。采集裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 采集裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 采集裝置電流采樣電路設(shè)計

圖4 電流采樣電路

采集板的功能就是采集車門電機(jī)的電流、速度等數(shù)據(jù)。其中電機(jī)速度是通過直接采集霍爾信號，根據(jù)霍爾信號高低電平變化的頻率計算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。而電流采樣需要做一些處理，圖4為電流采樣電路。

電流采樣電路選用的是ACS712芯片，它是Allegro公司推出的一種線性電流傳感器，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，可以輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓，然后根據(jù)對應(yīng)的關(guān)系便可計算出電機(jī)的電流。最后把電機(jī)的速度、電流數(shù)據(jù)封裝起來通過短距離無線通信[3]的方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)裝置。

2.3 網(wǎng)關(guān)裝置的硬件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)裝置有兩個作用：一是通過本身的無線接收模塊接收采集裝置發(fā)送來的數(shù)據(jù)；二是驅(qū)動視覺傳感器采集圖像信息，并且把所有的信息一起打包通過3G通信的形式發(fā)送給服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)關(guān)裝置嵌入式硬件平臺選用的是AM335X[4]處理器，主頻高達(dá)800 MHz，具有豐富的硬件外設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)接口，還可以流暢地運行Linux操作系統(tǒng)以方便構(gòu)建人機(jī)界面。如圖5所示,其中無線接收模塊，主要用來接收從采集裝置發(fā)來的電機(jī)數(shù)據(jù),視覺傳感器模塊是用來對絲桿上轉(zhuǎn)塊位置進(jìn)行拍照，最后把圖片信息以及電機(jī)數(shù)據(jù)一起打包通過3G形式發(fā)送給服務(wù)器。

圖5 網(wǎng)關(guān)裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

2.4 網(wǎng)關(guān)裝置中的視覺傳感器模塊

在車門系統(tǒng)開關(guān)門的時候,視覺傳感器模塊[5-7]對絲桿上轉(zhuǎn)塊進(jìn)行拍照，如圖6所示。首先把視覺傳感器模塊安裝在車門的絲桿位置處，確?？梢郧逦嘏臄z到轉(zhuǎn)塊的位置，然后在轉(zhuǎn)塊上作圖6中的紅色標(biāo)記。通過對標(biāo)記點位置偏移的分析，便能得出車門是否開到位或關(guān)到位。攝像頭選用的是SM3732+OV9712集成模塊，其連接方式為USB接口，支持Linux系統(tǒng)。控制器對采集到的圖像進(jìn)行處理，把偏離閾值的圖像信息通過3G傳輸?shù)男问桨l(fā)到服務(wù)器上，然后在PC端就可以顯示出圖像信息。

圖6 視覺傳感器安裝示意圖及拍攝的圖片

3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計分為采集裝置和網(wǎng)關(guān)裝置的軟件設(shè)計兩部分；采集板裝置首先完成對STM32F407系統(tǒng)初始化設(shè)計。STM32F407系統(tǒng)軟件包括無線通信程序初始化、電流采集程序初始化、轉(zhuǎn)速程序初始化。采集板上電之后首先執(zhí)行復(fù)位操作，然后收到開關(guān)門觸發(fā)信號的時候開始采集電機(jī)的電流、轉(zhuǎn)速等信息，最后通過短距離無線通信發(fā)送給網(wǎng)關(guān)板。網(wǎng)關(guān)板程序設(shè)計首先完成對AM335X的各項初始化，包括3G模塊、無線接收模塊、DDR3、EMMC等程序。 一方面，利用無線接收模塊接收來自采集裝置中電機(jī)的各項數(shù)據(jù)；另一方面，完成對視覺傳感器的驅(qū)動，當(dāng)收到車門關(guān)到位或者開到位信號的時候，視覺傳感器開始工作，此時拍的就是絲桿上轉(zhuǎn)塊轉(zhuǎn)動的信息，再把拍攝到的圖片信息跟前面收到的數(shù)據(jù)一起打包，通過3G傳輸?shù)男问桨l(fā)送到服務(wù)器。此時在PC端就可以通過服務(wù)器隨時隨地了解車門的各項數(shù)據(jù)信息。

4 試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 對采集板電機(jī)數(shù)據(jù)分析

圖7 關(guān)門時刻電機(jī)數(shù)據(jù)

圖7為關(guān)門時刻電機(jī)數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，電機(jī)的速度從零開始增加，維持一段時間后降低到零，整個過程持續(xù)大約3.2 s，也就是關(guān)門的時間總長為3.2 s，電機(jī)的轉(zhuǎn)速最大為1800 rpm；轉(zhuǎn)角代表門的位移，轉(zhuǎn)角逐漸降低到零，代表門由開到關(guān)這個過程；相應(yīng)的電流數(shù)據(jù)反映的是電機(jī)運行過程中電流的大小，假如規(guī)定關(guān)門時刻電流為正，那么開門時刻電流就為負(fù)。圖8為開門時電機(jī)的數(shù)據(jù)，分析情況跟關(guān)門時刻一致。通過對這些數(shù)據(jù)的觀察與對比，如果電機(jī)處于亞健康或故障時，其運行曲線必然發(fā)生變化，根據(jù)這些變化就可以判斷處于亞健康或者故障的電機(jī)。

圖8 開門時刻電機(jī)數(shù)據(jù)

4.2 門系統(tǒng)中絲桿上轉(zhuǎn)塊位置的確定

圖9 轉(zhuǎn)塊位置信息

關(guān)門狀態(tài)下，在轉(zhuǎn)塊上標(biāo)記兩個紅點，如圖9所示，然后用視覺傳感器監(jiān)測兩個紅點的位置；再在開門狀態(tài)下記錄兩個標(biāo)記點的偏移位置；那么等待下次關(guān)門或者開門的時候，可以通過視覺傳感器拍攝的圖片信息進(jìn)行自動比對，看標(biāo)記紅點的位置就可以判斷出車門是否關(guān)到位或者開到位。首先設(shè)置了一定閾值，確定在規(guī)定的閾值內(nèi)車門是處于關(guān)閉還是打開狀態(tài)的，超過這個閾值就會觸發(fā)報警，提示車門沒有關(guān)到位或者開到位。

結(jié) 語

[1] 劉軍.例說STM32[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

[2] 許戴銘.基于單片機(jī)與霍爾傳感器的轉(zhuǎn)速測量設(shè)計[J].價值工程,2012,31(8):133-134.

[3] 沈保鎖,候春萍.現(xiàn)代通信原理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006:33-51.

[4] 王晨輝,郭英軍,仝浩,等.基于ARM和Linux的嵌入式異步電機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)[J].儀器儀表與傳感器,2011(11):68-70,73.

[5] 馬頌德,張正友.計算機(jī)視覺:計算理論與算法基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,1998:52-59.

[6] 孫作雷,童可浚,曾連蓀.基于視覺傳感模塊OV7670的顏色導(dǎo)航智能車設(shè)計[J].電子測試,2013(5):102-104.

[7] 繆強(qiáng),周憶,米林,等.機(jī)器視覺在精密測量中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報,2002,25(6):1-4.

涂曉立(碩士)，主要研究領(lǐng)域為軌道車門安全狀態(tài)監(jiān)測；繆小冬(博士)，主要研究領(lǐng)域為車輛工程。

優(yōu)化的Micrium OS和新Platform Builder加速嵌入式設(shè)計

Micrium OS是最新發(fā)展的、通過驗證的嵌入式μC/OS實時操作系統(tǒng)(RTOS)，目前已經(jīng)上市。Micrium OS擁有優(yōu)化的RTOS內(nèi)核，通信協(xié)議棧，文件系統(tǒng)和圖形用戶界面。新的Platform Builder工具可以簡化開發(fā)，一旦開發(fā)者確定所需要的組件，該工具可自動解析組件之間的依賴性問題，以及配置啟動順序。使用Micrium OS 和Platform Builder可為開發(fā)人員提供強(qiáng)大的嵌入式設(shè)計方法，顯著地降低初始設(shè)計的復(fù)雜性，以及加快產(chǎn)品上市時間。該操作系統(tǒng)可支持所有主要的半導(dǎo)體供應(yīng)商，包括恩智浦、瑞薩、Silicon Labs和意法半導(dǎo)體。

著名的RTOS專家和Micrium軟件公司創(chuàng)始人Jean Labrosse表示：“無線連接、32位MCU和SoC以及多接口的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使得系統(tǒng)比以往任何時候都更難以配置、運行以及正常作業(yè)。不久的未來，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都將運行操作系統(tǒng)。Micrium OS和Platform Builder代表了未來基于解決方案的嵌入式設(shè)計，它們允許新進(jìn)和現(xiàn)有客戶利用我們可靠、易于使用和通過驗證的軟件。”

根據(jù)IDC表示，全球物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)支出將在2020年達(dá)到1.29萬億美元。此一龐大市場正吸引許多制造商和嵌入式專業(yè)人士，Micrium OS的優(yōu)越性能、可靠性和易用性將使他們從中獲益。Micrium OS擁有在嵌入式開發(fā)方面20年實力強(qiáng)大的軟件經(jīng)驗。憑借直觀的界面、改進(jìn)的調(diào)試功能，以及先進(jìn)的且能更快查明漏洞的錯誤處理功能，更新的操作系統(tǒng)可簡化開發(fā)。

Multi-parameter Monitoring System for Vehicle Door Based on Dual ARM

Tu Xiaoli1,Miao Xiaodong2

(1.Kangni Company,Nanjing 210009,China;2.Nanjing University of Technology)

In the paper,a monitoring system is designed to detect the security state of the rail car door.The system is based on dual ARM framework:ARM8 and STM32.STM32 is used to gather motor data from all the door mainly,the data will be packed and delivered to ARM8 system by the short-range wireless communication module.The ARM8 has two functions:one part is to receive the motor data collected by STM32 system,the other part is to monitor the door screw block position.The COM will be drived to take photos when receives the switch gate trigger signal.The image information and the data sent by the STM32 are sent to the server network.Then we can check the door motor status in any time when we access the serve on PC.The system is suitable for the multi-parameter detection,which provides the reference frame for the later period maintenance,and reduces the maintenance work.

dual ARM;multi-parameter;wireless communication;motor data;door system

TP934

A

士然

2017-02-09)