基于STM32的電梯實時監(jiān)測系統(tǒng)*

李中興 林創(chuàng)魯 邱東勇 周松斌 黃可嘉 黃代明

（1.廣州市特種機電設(shè)備檢測研究院 2.廣東省科學(xué)院自動化工程研制中心）

1 引言

電梯的安全運行事關(guān)公共安全，一直是電梯行業(yè)關(guān)注的重點。近年來，我國電梯保有量迅猛增加，目前已達到160萬臺，預(yù)計在未來10年保持每年20%的增速。目前，電梯的安全保障主要靠質(zhì)監(jiān)部門的定期檢驗和維保單位的定期維修保養(yǎng)。在電梯數(shù)量龐大、維護管理人手緊缺的狀態(tài)下，如何及時發(fā)現(xiàn)電梯故障并采取有效的措施加以處理，成為電梯監(jiān)管部門和維護保養(yǎng)單位關(guān)注的課題。因此開展電梯的實時監(jiān)測研究，探索新的監(jiān)測方法或手段，既可緩解目前檢驗和維保力量滯后的突出矛盾，又有利于彌補現(xiàn)有定期安全檢驗存在的實時性差的不足[1]。本文利用嵌入式處理技術(shù)、智能傳感技術(shù)、物聯(lián)技術(shù)等對電梯關(guān)鍵信號進行采集、處理和監(jiān)測，為開展電梯狀態(tài)監(jiān)測提供客觀依據(jù)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)運用非接觸式傳感技術(shù)進行信號采集，避免了對原系統(tǒng)的干擾。圖1為電梯實時監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要包括傳感單元、處理單元和通信單元三部分。傳感單元采用電流互感器和電壓互感器，傳感信號經(jīng)計量芯片采集后送至ARM處理器，ARM處理器對傳感數(shù)據(jù)進行計算、特征識別、智能決策判斷、數(shù)據(jù)存儲和監(jiān)測，并通過無線傳輸單元（Data Transfer Unit，DTU）將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心；也可將預(yù)警信息以語音的方式呼叫指定的人員以便迅速做出反應(yīng)。本文設(shè)計的電梯實時監(jiān)測系統(tǒng)，旨在實時監(jiān)測電梯各種狀態(tài)，為電梯的保養(yǎng)、檢驗和監(jiān)管提供數(shù)據(jù)支撐，同時為迅速可靠地實施救援提供保障[2]。

3 硬件設(shè)計

3.1 ARM處理器

ARM處理器采用意法半導(dǎo)體公司(ST)的STM32系列STM32103RC，它基于Cortex-M3內(nèi)核，結(jié)合了執(zhí)行Thumb-2指令的32位哈佛微體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)外設(shè)，主頻可達72MHz，并可達到1.2DMIPS/MHz的處理速度，內(nèi)置高速存儲器（高達128k字節(jié)的Flash和20k字節(jié)的SRAM）。它包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器、1個PWM定時器、2個I2C、2個SPI、3個USART、1個USB和1個CAN等[5]。此處理器的高集成度大大簡化了外圍電路，從而增強了系統(tǒng)的可靠性和擴展性，降低了監(jiān)測系統(tǒng)的成本。

3.2 傳感信號采集電路

傳感信號經(jīng)過調(diào)理后，輸入采集電路。傳感信號采集電路選用Analog公司的ADE7878計量芯片，它是一款高精度的三相電能計量集成芯片，串行接口包括IIC、SPI、HSDC；它集成了二階Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字積分、ADC基準源電路，采用專用設(shè)計的數(shù)字信號處理器進行（基本和諧波）有功、無功和視在電能計量、基波有功和無功電能計量和RMS計算；同時，提供系統(tǒng)校準功能，包括有效值偏移校正、相位校準和增益校準等。ADE7878外圍電路圖如圖2 所示?；鶞孰妷翰捎肁DR280ARTZ型基準電壓器，用于向ADE7878提供1.20V電壓基準。

圖2 ADE7878外圍電路圖

傳感信號采集后以數(shù)字信號的形式輸出，如直接接到ARM處理器，可能會帶來共模干擾；另外，考慮到ADE7878的串行總線速度較快，本系統(tǒng)采用了磁耦隔離型數(shù)字信號隔離器 ADuM1402。它是 ADI公司推出的一款iCoupler磁耦隔離技術(shù)的通用型數(shù)字隔離器，采用了高速 CMOS工藝和芯片級的變壓器技術(shù)，在一個器件中提供四個獨立的隔離通道，支持低電壓工作并能實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。它在性能、功耗、體積等方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)光電隔離器，具有比光電耦合器更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、時序精度和瞬態(tài)共模抑制能力；同時也消除了光電耦合中不穩(wěn)定的電流傳輸率、非線性傳輸、溫度和使用壽命等方面的問題。數(shù)字隔離器接口電路圖如圖3 所示。

圖3 數(shù)字隔離器接口電路圖

ADE7878串行接口、校準信號及中斷信號等經(jīng)過ADuM1402隔離后，分別接入STM32F103的串行口、普通 I/O口和外部中斷等。STM32F103的AD_RST_ISO經(jīng)過數(shù)字隔離后接到 ADE7878的AD_RST引腳，用于復(fù)位控制和選擇串行通信口的類型。ADE7878數(shù)字信號與STM32F103的連接電路圖如圖4所示。

圖4 ADE7878數(shù)字信號與STM32F103的連接電路圖

3.3 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)信號經(jīng)過隔離器隔離后接入 STM32處理器，由處理器進行傳感數(shù)據(jù)采集、處理、存儲和決策判斷后，將監(jiān)測結(jié)果通過 RS232總線實時發(fā)送給DTU，DTU再通過無線網(wǎng)絡(luò)將電梯實時狀態(tài)信號發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，以便相關(guān)人員能夠?qū)崟r掌握電梯的動態(tài)，保障電梯安全運行。也可根據(jù)要求將故障信息及時以語音或短信方式呼叫或發(fā)送至相關(guān)保養(yǎng)和管理人員的手機終端，保證維護人員能夠及時、準確到達現(xiàn)場排除故障，實施救援。DTU通信RS232串行接口電路圖如圖5所示。

圖5 DTU通信RS232串行接口電路圖

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計在Keil公司的uVison4軟件平臺下進行，采用C語言開發(fā)。軟件主要完成的任務(wù)包括：系統(tǒng)初始化、傳感采集、數(shù)據(jù)處理和存儲、決策判斷、監(jiān)測預(yù)警、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測遠程控制等。軟件流程圖如圖6所示。

5 實驗結(jié)果

實驗電梯梯型：GreenMax系列，品牌：廣州廣日電梯；額定載荷：1000kg；實驗載荷：空載。選取電梯正常上下行過程和電梯上下行過程中強制急停兩個過程進行實驗，采集數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。圖8中可以看出上行過程中3s處強制急停瞬間，曳引機電流峰值由0.2A變?yōu)槠骄?.05A；下行過程中28s處強制急停瞬間，曳引機電流峰值由10.8A變?yōu)槠骄?.2A。通過對前端傳感器采集的信號分析、判斷，發(fā)現(xiàn)電梯在不同的階段下具有明顯的信號特征，能夠反映電梯的實時信息。

圖7 電梯空載上下行波形圖

圖8 電梯上下行過程中強制急停波形圖

6 結(jié)語

本文采用高速的STM32系列芯片作為控制器的核心，通過非接觸式傳感技術(shù)實時采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)其特征信號判斷電梯的實時信息，并實時將故障信號通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給數(shù)據(jù)中心或相關(guān)人員，以便及時做出反應(yīng)。通過新型傳感檢測手段獲取電梯實時信息，有利于提升和突破電梯的保養(yǎng)、檢驗和安全監(jiān)察技術(shù)水平。

[1]劉慧.樓宇智能電梯監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].電氣應(yīng)用,2006,25(09):143-146.

[2]張國楨.淺談電梯檢測與檢測技術(shù)[J].中國電梯,2000(1):13-16.

[3]李屹,張慧慧,鄭剛.電梯智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2009,31(08):55-56,97.

[4]張旭,亓學(xué)廣,李世光,等.基于 STM32電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2010,33(11):90-93.

[5]STM32F10xxx_Reference_Manual.pdf[Z].http://www.st.com.