電梯無線群控通訊技術(shù)研究

徐美齡，趙國軍

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室，浙江杭州310014)

0 引 言

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，生活水平不斷提高，電梯作為一種主要的垂直交通工具，得到了廣泛的應(yīng)用，同時人們對電梯服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)效率的要求也變得越來越高。為了提高服務(wù)質(zhì)量及效率，建筑物往往需要安裝多臺電梯來進行群控調(diào)度。群控電梯的調(diào)度需通過分析各臺電梯的運行方向、轎廂當(dāng)前位置、外召信號、內(nèi)召信號等因素來實現(xiàn)的，傳統(tǒng)電梯獲取其余電梯群控信息的通訊方式往往采用CAN 總線、232 總線或者485 總線進行有線通訊［1］，然而對于高層樓，電纜線重量高達100 kg，對電纜的安裝、固定及維修都加大了難度。該通訊方式線路多，抗干擾能力較差，控制復(fù)雜，影響了電梯群控通訊的可靠性。

針對上述問題，本研究基于STM32 W108 控制器為核心的ZigBee 無線群控模塊［2］，設(shè)計一種電梯無線群控通訊系統(tǒng)。

1 電梯群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

目前，電梯群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有兩種:星型群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、環(huán)形群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［3］。

星型電梯群控系統(tǒng)如圖1 所示，即集中式控制，典型的有日本三菱和日立［4］的群控系統(tǒng)。星形群控系統(tǒng)通過一個群控模塊集中式控制，群控器不需要區(qū)分外召信號的所屬電梯，而只需知道外召所在樓層，但是系統(tǒng)存在一個致命缺點:當(dāng)群控器發(fā)生故障時，整個群控系統(tǒng)將會癱瘓。由此看出，群控系統(tǒng)的可靠性較低。

圖1 星型群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

環(huán)形群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示，典型的有奧的斯群控系統(tǒng)和德國奔克群控系統(tǒng)［5］。環(huán)型群控系統(tǒng)改變了集中控制模式，每臺電梯可以獨立運行，大大地減小了群控系統(tǒng)整體癱瘓的概率。但是傳輸數(shù)據(jù)量大，通訊易堵塞，信息傳遞實時性差，數(shù)據(jù)易丟失。

圖2 環(huán)形群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本研究設(shè)計了一種電梯無線群控通訊系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 無線群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖3 可知，每臺電梯配有一個主控板，每個主控板配有一個群控模塊，群控模塊不僅是所有功能模塊的連接中心，而且是所有功能模塊的控制核心。

該無線群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用多個群控模塊，使群控系統(tǒng)不會因為某一個群控器的破壞而造成整體癱瘓，而且群控模塊與主板分離，自成一個功能模塊。本研究采用以STM32 W108 芯片為核心的ZigBee 作為群控模塊進行無線群控通訊，利用電梯無線群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，克服了星形和環(huán)形系統(tǒng)所存在的缺點，保證了群控系統(tǒng)的高效穩(wěn)定性，提高了電梯群控系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

2 電梯無線群控通訊系統(tǒng)的設(shè)計

本研究的群控模塊采用REX3SP 型ZigBee 無線模塊，主控核心為ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32W108芯片，該模塊的功能是負責(zé)把主控板的串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成無線信號發(fā)送出去或者接收無線信號并轉(zhuǎn)發(fā)給主控板。群控模塊接收靈敏度為－104 dBm，天線增益為2 dBi，發(fā)射的最大功率為+23 dBm，最大通信速率可達為250 kps［6］。本研究采用8 臺電梯作為群控群，電梯的編號從左到右分別為0x01，0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，0x07，0x08。

2．1 主控板間的串口配置

在主控板間通訊中，通訊模式采用異步、半雙工串口模式。串口數(shù)據(jù)發(fā)送時，每個數(shù)據(jù)由10 個位組成，即1 個起始位，8 個數(shù)據(jù)位，1 個停止位。在數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸?shù)幕A(chǔ)上，主控板的串口波特率采用115 200 bps。

接收或發(fā)送一個字節(jié)所需時間［7］如下式:

主控板發(fā)送一個數(shù)據(jù)字節(jié)的時間為T，將其代入式(1)中可知T=86 μs。

2．2 群控模塊間通訊的具體實現(xiàn)

無線群控通訊系統(tǒng)采用透明傳輸?shù)姆绞剑?］進行通訊，即電梯主控板n 端的無線模塊n 將串口處接收到的數(shù)據(jù)打包，并啟動無線發(fā)送功能。其他無線模塊把來自無線模塊n 的無線數(shù)據(jù)包進行解包得到電梯n的群控數(shù)據(jù)幀，并將其通過串口發(fā)送至各自連接的電梯主控板。無線群控通訊的具體實現(xiàn)如圖4 所示。

圖4 無線群控通訊的具體實現(xiàn)

2．3 群控模塊間通訊時序同步技術(shù)的介紹

群控通訊時，各個群控模塊的通訊時序如圖5所示。

圖5 群控模塊間的通訊時序

如圖5 所示，橫坐標為時間計數(shù)軸，因此:

式(2，3)中:n≥1 時間段tf是為了保證:每個群控模塊發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)束后，其余群控模塊都能在tf時間內(nèi)完成接收。

每個群控模塊控制芯片的時鐘存在一定的差別，群控通訊階段的通訊時序同步原理如圖6 所示，由于1 號群控模塊發(fā)送完3 個字節(jié)數(shù)據(jù)時，計數(shù)器計數(shù)值為t1，2 號群控模塊卻只計數(shù)到t'1，與1 號群控模塊計數(shù)值相差為t1－t'1，因此需要在時間上進行同步。根據(jù)發(fā)送或接收一個字節(jié)的時間是固定的，即群控模塊發(fā)送或者接收相同字節(jié)數(shù)據(jù)幀所花時間相同，本研究在此設(shè)定n 號群控模塊發(fā)送完3 個字節(jié)數(shù)據(jù)的時間點t1+(ts+tf)·(n－1)為所有群控模塊的同步值，即其他群控模塊在接收到第3 個字節(jié)時在軟件上重新校正計數(shù)值為t1+(ts+tf)·(n－1)。這樣不僅能夠防止總線信息的堵塞，還能保證群控信息的高效傳輸。

圖6 群控通訊階段的通訊時序同步原理

2．4 群控模塊間通訊過程的分析

電梯無線模塊是按照1、2、3…8 的固定順序依次輪流發(fā)送數(shù)據(jù)幀，這樣才能有序地獲得每臺主板的群控信息。本研究在群控模塊上電開始通訊前的時間上設(shè)定了同步規(guī)則:啟動時同步、正常工作時同步。

啟動時同步:電梯啟動時的同步過程如圖7 所示。由圖7 可知，當(dāng)1 號電梯上電時，在0．5 s 內(nèi)查詢是否接收到其他群控模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，如果有收到，則說明電梯處于群控狀態(tài)中，因此當(dāng)群控模塊接收完成數(shù)據(jù)后需跟其它群控模塊進行通訊時序的同步;如果沒有，則說明電梯處于非群控狀態(tài)中，屬單梯控制。其余電梯與1 號梯的啟動同步原理相同。此處的時間設(shè)定可以根據(jù)編寫的調(diào)度程序的特點來選擇，一般的原則為:從0x010x08 號電梯，等待時間依次增加。

圖7 啟動時同步過程

正常工作時同步:為了保證無線通訊的暢通，需對群控模塊進行通訊時序上的同步，同步次數(shù)取決于處于群控狀態(tài)中的電梯臺數(shù)，有幾臺就進行幾次同步。在本研究中，設(shè)定一群控數(shù)據(jù)幀字節(jié)長度為74 個，其中包括64 層的呼梯信息、開關(guān)門信息、故障信息、滿載信息、電梯運行狀態(tài)信息［9］等，數(shù)據(jù)幀首字節(jié)為0x7E，第3 個字節(jié)表示電梯編號識別碼。群控通訊主程序流程圖如圖8 所示。

圖8 無線群控通訊主程序

由圖8 可知，系統(tǒng)先判斷是不是本梯的群控模塊發(fā)送時間點，若是，首先準備好即將發(fā)送的本梯信息數(shù)據(jù)幀并把數(shù)據(jù)存儲至群控數(shù)組內(nèi)，其次在定時器中斷內(nèi)通過串口發(fā)送首字節(jié)，其他字節(jié)數(shù)據(jù)會存放在串口發(fā)送緩沖器內(nèi)，然后其余字節(jié)數(shù)據(jù)會依次發(fā)送，直到串口發(fā)送緩沖器為空時才停止發(fā)送，即發(fā)送完畢;若不是，則使能串口接收中斷，準備接收其他群控模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，具體過程如圖9 所示。

圖9 串口接收流程

由圖9 可知，在進入串口接收中斷時，系統(tǒng)存儲接收到的數(shù)據(jù)，再判斷首字節(jié)是否為0x7E?若是，則繼續(xù)判斷第3 個字節(jié)是否是電梯編號信息，若是，把接收到的數(shù)據(jù)存儲在群控數(shù)組內(nèi)并進行時序同步，等到接收完畢后判斷是否校驗成功，若是，退出接收中斷。

每塊群控模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀長度為74 個字節(jié)，發(fā)送一幀的時間為TG1=74T =6．4 ms。經(jīng)過多次測試，ZigBee 存在最大16 ms 的延時，為了保證通訊正常，因此本研究采用25 ms 同步一次。群控模塊間的通訊時序如圖10 所示，TG=200 ms。

圖10 群控模塊間的通訊時序

3 實驗測試

本研究中的主控板采用Cortex-M3 內(nèi)核處理器LPC1766，該處理器是NXP 的32 位嵌入式處理器。

觸摸屏外招板采用型號為DMT80480T070_18 WT的DWIN 公司生產(chǎn)的DGUS 屏［10］。為了驗證群控通訊的合理性，本研究搭建了實驗平臺，兩臺電梯主控板連接實物圖如圖11 所示。

圖11 兩臺電梯連接實物圖

在本研究中，由于設(shè)備的限制，筆者進行了1 號梯和8 號梯的群控通訊實驗。1 號群控模塊與8 號群控模塊之間的通信波形如圖12 所示。

由圖12 可知，群控模塊間的通訊周期為200 ms，無線群控通訊在時間上滿足電梯群控系統(tǒng)通訊的要求。

4 結(jié)束語

本研究闡述了以STM32W108 芯片為核心的Zig-Bee 無線模塊作為群控模塊，針對傳統(tǒng)電梯群控通訊存在通訊線路過多，穩(wěn)定性較差，電纜多引起的高成本、高故障率的問題，提出了一種新的群控技術(shù)，提高了電梯的運行性能和服務(wù)質(zhì)量。經(jīng)實驗表明，本群控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性;該系統(tǒng)采用無線群控通訊方式，打破傳統(tǒng)的有線群控通訊，降低了成本，提高電梯的使用壽命和可靠性。

圖12 1 號群控模塊與8 號群控模塊間的通信波形

［1］高如月，吳躍軍，李建勛．基于CAN 總線及高速RS232 總線的電梯群優(yōu)化控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］．電氣傳動自動化．2005，27(6):45-48．

［2］沈建華，赫立平．STM32W 無線射頻ZigBee 單片機原理與應(yīng)用［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010．

［3］上海永大電梯設(shè)備有限公司． 一種群控裝置:中國，ZL200720071806．5［P］．2008-04-30．

［4］俞 雯．基于多目標規(guī)劃算法的智能電梯群控系統(tǒng)的研究［D］．杭州:浙江工業(yè)大學(xué)機械學(xué)院，2008．

［5］魏君燕，趙國軍，曾信雁，等． 群控電梯目的地調(diào)度系統(tǒng)［J］．機電工程．2013，30(11):1383-1387．

［6］浙江瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司． REXBEE 模塊產(chǎn)品手冊［OL］．浙江遭瑞瀛網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，2013．

［7］田炳麗，丁風(fēng)雷，王冠琳，等．硬件擴展單片機多串口通訊方式的研究［J］．通信技術(shù)．2010，43(10):153-154．

［8］翟 雷，劉盛德，胡咸斌． ZigBee 技術(shù)及應(yīng)用［M］． 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2010．

［9］周海丹，趙國軍，徐 雷．基于模糊邏輯的預(yù)約電梯群控算法［J］．機電工程，2010，27(9):37-41．

［10］迪文科技有限公司迪文DGUS 屏使用指南［Z］．迪文科技有限公司，2012．