利用無線通信實(shí)現(xiàn)兩種電梯速度信號(hào)采集的研究

陳成華 林曉明

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種不同類型電梯的速度信號(hào)進(jìn)行采集，本文對(duì)加速度計(jì)和脈沖速度編碼器分別進(jìn)行了研究，并提出了一種利用WIFI無線通信形式來完成兩種速度采集的方法。通過下位機(jī)及上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了儀器的信號(hào)采集功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器能夠很好地完成電梯速度信號(hào)的采集及傳輸，兩種方式均得到了相似的試驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電梯；速度；無線通信

中圖分類號(hào)：TN948.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）02-0067-04

Research on Two Kinds of Elevator Speed Signal Acquisition by

Wireless Communication

CHEN Chenghua，LIN Xiaoming

（Zhuhai Testing Institute of Guangdong Special Equipment Testing Institute，Zhuhai 519002，China）

Abstract：In order to achieve the speed signal of two different types of elevator acquisition，accelerometer and pulse speed encoder are studied，put forward two methods of speed acquisition using a WIFI wireless communication form，through the program design of lower computer and PC，complete the function of signal acquisition instrument. The experimental results show that the instrument can complete the acquisition and transmission of the elevator speed signal well，and the two methods have obtained similar experimental results.

Keywords：elevator；speed；wireless communication

0 引 言

隨著電梯在高層建筑的普及應(yīng)用和居民生活水平的不斷提高，人們在乘坐電梯時(shí)對(duì)電梯的穩(wěn)定性、舒適性要求也越來越高。我國評(píng)價(jià)電梯乘運(yùn)質(zhì)量的主要依據(jù)是GB/T10058-2009《電梯技術(shù)條件》，對(duì)相關(guān)參數(shù)的采集及數(shù)據(jù)處理要求依據(jù)GB/T24474-2009《電梯乘運(yùn)質(zhì)量測量》。在電梯的檢驗(yàn)規(guī)則中，多個(gè)重要項(xiàng)目涉及到電梯速度的測量，因此，業(yè)內(nèi)對(duì)如何準(zhǔn)確地測量電梯速度給予了廣泛關(guān)注，其準(zhǔn)確度和操作便捷性也隨之得到不斷地改良。

目前通用的電梯速度測量工具是轉(zhuǎn)速表。通過將其滾輪貼近電梯轉(zhuǎn)動(dòng)部件（如曳引輪或者限速器輪）或運(yùn)動(dòng)部件（如鋼絲繩）等方式來獲知電梯速度，該方法的不足之處在于準(zhǔn)確度與操作人員的熟練程度有關(guān)。對(duì)于保有量越來越大的無機(jī)房電梯，該方法更是存在著難以進(jìn)行測量的缺點(diǎn)。另一個(gè)常用于檢測電梯運(yùn)行狀況的重要儀器是EVA-625系統(tǒng)和EVA振動(dòng)分析工具軟件，專門用于電梯乘運(yùn)質(zhì)量的檢測，它由美國PMT公司根據(jù)電梯工業(yè)要求特別設(shè)計(jì)制造[1]。EVA-625系統(tǒng)雖能同時(shí)對(duì)電梯的三維振動(dòng)加速度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，但后續(xù)的數(shù)據(jù)分析需要依賴于電腦及專用的EVA振動(dòng)分析工具軟件，不能在檢測時(shí)直接觀察檢測結(jié)果，從而影響了檢測效率，而且它價(jià)格昂貴，目前還不能大面積普及使用。

我國電梯保有量大，檢驗(yàn)任務(wù)繁重。因此研究一種高效率、低成本的電梯速度檢測裝置對(duì)于提高檢測效率、改善電梯運(yùn)行品質(zhì)具有重要意義。

1 儀器原理及部件

研發(fā)一種無線通信的電梯速度測量儀器，可從系統(tǒng)層面劃分為三個(gè)模塊，即一個(gè)智能平板電腦或手機(jī)作為顯示終端，兩個(gè)數(shù)據(jù)終端模塊作為測速裝置，分別為加速度測速模塊、脈沖測速模塊，如圖1所示。

平板電腦作為顯示和處理終端，通過WIFI無線通信與兩個(gè)數(shù)據(jù)終端進(jìn)行通訊，用于接收模塊發(fā)送過來的加速度測速、脈沖測速等數(shù)據(jù)，然后處理并在界面顯示相關(guān)的處理結(jié)果。

1.1 路由器及WIFI通信模塊

利用一個(gè)路由器作為局域網(wǎng)的必要部件，選用華為A1作為路由器模塊，它具備2.4G和5G雙頻WIFI功能，且分別配備了2個(gè)獨(dú)立信號(hào)放大器和接收器，優(yōu)點(diǎn)在于信號(hào)強(qiáng)、干擾少、時(shí)延低，接收器更容易接收遠(yuǎn)距離設(shè)備的弱信號(hào)。

兩個(gè)數(shù)據(jù)終端模塊上的無線WIFI采用了UART-WIFI模塊的ESP8266模組，如圖2所示。它擁有32位微型MCU，超低功耗。主頻支持80MHz和160MHz，支持標(biāo)準(zhǔn)的IEEE802.11b/g/n協(xié)議和完整的TCP/IP協(xié)議棧，既可以為現(xiàn)有的設(shè)備添加聯(lián)網(wǎng)功能，也可以構(gòu)建獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)控制器。

利用這些無線通信模塊，可以輕易地穿透鋼筋水泥筑成的井道墻壁，免去了工作人員必須在井道里面才能測量無機(jī)房電梯速度的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 加速度計(jì)

加速度測速模塊包括：微處理器、AKE390B電壓型加速度計(jì)，如圖3所示。微處理器采用STM32F10x芯片。AKE390B電壓型加速度計(jì)是RION公司的產(chǎn)品，可適用于振動(dòng)測試，撞擊測試等多個(gè)領(lǐng)域。具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、功耗低、偏差穩(wěn)定性優(yōu)異等特點(diǎn)，偏差小于0.1%，保證了輸出可靠性。

速度采集的方案為：將加速度計(jì)置于電梯轎廂的中部，在電梯運(yùn)行時(shí)，加速度主控板通過RS485總線來定時(shí)實(shí)時(shí)讀取當(dāng)前電梯運(yùn)行的加速度值，并通過無線WIFI模塊響應(yīng)終端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇K端上。終端將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理，計(jì)算出電梯上行和下行過程中的速度。

安裝加速度計(jì)時(shí)，應(yīng)注意其固定情況，盡量使其牢固地和儀器的外殼連接在一起。如果固定不牢，電梯運(yùn)行時(shí)的抖動(dòng)很容易就能影響到數(shù)據(jù)的采集，從而導(dǎo)致測量誤差。

1.3 脈沖速度編碼器

脈沖編碼器采用HONTKO公司的HTR-MWR-01編碼器，如圖4所示。在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生脈沖，主控板通過光耦隔離芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)外接傳感器脈沖的采集，通過主控板MCU定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集，并計(jì)算出相應(yīng)的速度值。再通過無線WIFI傳輸?shù)狡桨咫娔X，在軟件界面上進(jìn)行處理或顯示。

速度采集的方案為：將脈沖編碼器通過支架安裝于電梯曳引鋼絲繩或電梯限速器鋼絲繩旁，編碼器上的轉(zhuǎn)輪能夠隨電梯的運(yùn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輪通過聯(lián)軸器帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)，并將電梯的速度信息通過有線方式傳送到脈沖速度主控板。脈沖傳感器模塊由脈沖傳感器和主控板等組成，主要用于采集脈沖傳感器的測速數(shù)據(jù)，經(jīng)過下位機(jī)軟件處理，計(jì)算出電梯的運(yùn)行速度。

2 通信方式

2.1 IP分配

根據(jù)無線通信的模式，須給各個(gè)模塊分配好IP地址，如表1所示。

在無線通信的電梯速度測量儀器中，速度測量界面有兩種選擇：

（1）在電梯參數(shù)輸入界面中，選擇“在轎廂測量速度”（即加速度傳感器測量）時(shí)，平板和下位機(jī)同步，讀取下位機(jī)上傳的加速度值并通過算法求得下行速度、上行速度；或直接讀取下位機(jī)上傳的下行速度和上行速度；

（2）當(dāng)在電梯參數(shù)輸入界面中選擇“在機(jī)房測量速度”（即速度傳感器測量）時(shí)，直接可以得出電梯勻速運(yùn)行時(shí)的下行速度和上行速度。

2.2 上位機(jī)指令

上位機(jī)即作為顯示終端的平板電腦，它要與下位機(jī)進(jìn)行連接并讀取下位機(jī)所提供的信息。各模塊與顯示處理終端的通信協(xié)議進(jìn)行歸一處理，以實(shí)現(xiàn)條理清晰，方便工作人員進(jìn)行開發(fā)。下發(fā)指令如表2所示。

指令頭：0x55；模塊編號(hào)：0——廣播模式；1——智能終端平板電腦；2——加速度測速模塊；3——脈沖測速模塊（RX模塊編號(hào)：接收模塊的模塊編號(hào)；TX模塊編號(hào)：發(fā)送模塊的模塊編號(hào)）。

指令號(hào)：1——在線檢測；2——開始；3——結(jié)束；4——備用。

校驗(yàn)值：等于前面各項(xiàng)數(shù)據(jù)之和，指令頭除外，并取走低一個(gè)字節(jié)。

通過這些指令，上位機(jī)可以清楚地給下位機(jī)作出指示，要求下位機(jī)執(zhí)行某項(xiàng)任務(wù)，比如上傳速度數(shù)據(jù)等。

2.3 下位機(jī)程序

下位機(jī)包括加速度主控板、脈沖速度主控板等，需要完成采集數(shù)據(jù)及上傳功能。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備（平板電腦）的響應(yīng)，必須有通信協(xié)議，如表3所示。

指令頭：0xAA；模塊編號(hào)：0——廣播模式；1——功率模塊；2——加速度測速模塊；3——脈沖測速模塊；4——智能終端平板電腦。

指令號(hào)：1——在線檢測；2——開始； 3——結(jié)束；4——備用。

脈沖測速值：電梯運(yùn)動(dòng)速度值以脈沖編碼器方式采集，前兩個(gè)字節(jié)表示上行速度，如最大值為：256.255；后兩個(gè)字節(jié)表示下行速度，如最大值為：255.255。

加速度測速值：電梯運(yùn)動(dòng)速度值以加速度積分方式采集，前兩個(gè)字節(jié)表示上行速度，如最大值為：255.255；后兩個(gè)字節(jié)表示下行速度，如最大值為：255.255。

校驗(yàn)值：等于前面各項(xiàng)數(shù)據(jù)之和，指令頭除外，并取走低一個(gè)字節(jié)。

2.4 加速度的積分算法

電梯完成上下行之后，上位機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)組來進(jìn)行處理。由于理論上加速度計(jì)在放平完全靜止的情況下，Z軸會(huì)輸出±1g左右的加速度分量，因此，首先在得到的所有數(shù)據(jù)中提取一個(gè)極值，上行時(shí)提取最大值（初始值為-1左右，加速階段重力加速度增加）；下行時(shí)提取最小值（初始值為-1左右，加速階段重力加速度減少）。提取到了這個(gè)極值后，將所有數(shù)據(jù)都減去該極值以將重力的影響消除，以免干擾位移加速度分量數(shù)據(jù)。

然后再根據(jù)積分算法，算出電梯的上行和下行速度，即通過加速度跟時(shí)間的積分來得到速度，對(duì)于離散數(shù)據(jù)的積分，設(shè)a表示加速度矢量；v表示速度矢量，使用一階的龍格庫塔法來求得速度：

，，

，

根據(jù)以上三個(gè)公式來求得積分，通過求線段與坐標(biāo)軸所圍成的面積，將相鄰的兩個(gè)矩形與所求真實(shí)線段所圍成的圖像近似為三角形，只要加上（或減去）三角形的面積，誤差就能消除很大一部分。實(shí)際情況取決于模塊運(yùn)行的速度，速度越快誤差越小，三角形的面積由面積公式長乘高除以二得到面積，所得的數(shù)值即為速度。

3 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)，加速度測速模塊位于電梯轎廂內(nèi)部，脈沖測速模塊安裝于電梯機(jī)房內(nèi)，如圖5、圖6所示。

經(jīng)過測試可以發(fā)現(xiàn)，兩種速度信號(hào)采集之后，在平板電腦上顯示的最終數(shù)據(jù)相差較小。

如表4所示。

4 結(jié) 論

本文提出了一種利用WIFI無線通信形式來完成兩種速度采集的方法，并對(duì)加速度計(jì)和脈沖速度編碼器分別進(jìn)行了研究，分析了兩種不同類型電梯速度信號(hào)的處理，通過下位機(jī)及上位機(jī)的程序設(shè)計(jì)完成了儀器的信號(hào)采集功能。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該儀器能夠很好地完成電梯速度信號(hào)的采集及傳輸，兩種方式均得到了相似的試驗(yàn)結(jié)果。

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