基于空間占用率判定的智能電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張安莉，謝 檬，石卓勇

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院，陜西 西安 710018）

0 引言

電梯在當(dāng)代家居生活中承擔(dān)著人流和物流運(yùn)送的任務(wù)。自20 世紀(jì)80 年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，中國對電梯的需求量呈快速上升趨勢，目前，中國已成為世界上最大的電梯市場，電梯運(yùn)行能效指標(biāo)變得及其重要[1-6]。

在實(shí)際的電梯系統(tǒng)運(yùn)行中，經(jīng)常遇到電梯內(nèi)部裝有的貨物已經(jīng)占滿電梯空間，但在外部請求控制下，若質(zhì)量未達(dá)到閾值，電梯還會開門的情況。該現(xiàn)象使電梯的能效指標(biāo)下降，不利于節(jié)能[7]。本文針對這一問題，對電梯控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)下位機(jī)利用光敏傳感器模塊對電梯內(nèi)部占用空間進(jìn)行測量。通過單片機(jī)采集光傳感器模塊光線被遮擋后輸出的低電平個(gè)數(shù)，計(jì)算空間占有率，當(dāng)達(dá)到電梯飽和的體積占有率閾值時(shí)，電梯控制系統(tǒng)不再受到外界請求信號進(jìn)行開門控制，解決了傳統(tǒng)電梯控制系統(tǒng)因無法判定電梯內(nèi)部空間被占滿而產(chǎn)生的門控?zé)o效打開問題。

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測智能電梯的運(yùn)行情況，系統(tǒng)采用Lab-VIEW 搭建上位機(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電梯運(yùn)行。上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示空間占用率、當(dāng)前電梯所在樓層以及占用率波形圖；同時(shí)，對故障報(bào)警進(jìn)行記錄，具有歷史數(shù)據(jù)查詢功能[8-9]。

相較于傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)而言，本系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保，更加便于集中化管理，穩(wěn)定性和便捷性更高。

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

電梯控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。系統(tǒng)由6 個(gè)功能單元組成，分別為STM32f103 CPU 單元、電梯內(nèi)部狀態(tài)顯示單元、電梯內(nèi)部鍵盤操作單元、電梯外部按鍵操作單元、體積占用率檢測單元、步進(jìn)電機(jī)和LabVIEW 上位機(jī)[9]。

圖1 系統(tǒng)功能框圖

1.1 STM32F103 CPU 單元

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括STM32F103 主控芯片、晶振時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源電路。

STM32f103 CPU 單元進(jìn)行信息的處理和獲取，根據(jù)電梯調(diào)度算法，控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電梯的升降和呼叫樓層的停泊。用戶按下上行呼叫按鍵或下行呼叫按鍵呼叫電梯，CPU 通過對電梯內(nèi)部體積檢測單元檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行體積占用率計(jì)算，控制電梯是否在呼叫層停泊。

1.2 電梯內(nèi)部體積檢測單元電路

電梯內(nèi)部空間占有率檢測單元由光敏傳感器模塊電路和體積占有率測量電路組成。光敏傳感器模塊電路如圖2 所示。若干此光敏傳感器，通過CPU 對低電平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若計(jì)數(shù)達(dá)到閾值時(shí)，單片機(jī)輸出高電平，判定電梯體積占用達(dá)到飽和；否則，輸出低電平，判定電梯體積未達(dá)飽和。

圖2 光敏傳感器電路原理圖

1.3 電梯內(nèi)、外部按鍵操作單元電路

電梯內(nèi)部按鍵操作單元用于給處于電梯內(nèi)部的用戶提供一個(gè)可操作的界面。該單元主要由按鈕開關(guān)組成，用于捕獲用戶的操作。用戶通過按鍵選擇目的樓層，并控制電梯的啟動(dòng)、停止和報(bào)警。

電梯外部按鍵操作單元用于給電梯外的用戶提供操作接口，等待乘坐電梯的乘客通過按下呼叫按鍵（分為上行和下行兩種）對電梯進(jìn)行呼叫，電梯通過電梯調(diào)度算法響應(yīng)用戶的呼叫。電梯外部按鍵操作單元與電梯內(nèi)部顯示單元并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部顯示與外部按鍵操作的實(shí)時(shí)同步[10]。

1.4 電梯內(nèi)部顯示單元電路

電梯狀態(tài)顯示單元用于給乘客提供電梯的運(yùn)行狀態(tài)信息，以便用戶進(jìn)行狀態(tài)觀測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障信息。7段共陽數(shù)碼管用于接收單片機(jī)P0.0～P0.3 口的輸出信號，并根據(jù)信號來顯示相應(yīng)的數(shù)字。蜂鳴器用于發(fā)出報(bào)警聲音，3 個(gè)不同顏色的發(fā)光二極管分別被用于標(biāo)記電梯的上行或下行狀態(tài)，以及報(bào)警狀態(tài)。

1.5 電梯內(nèi)部顯示單元電路

步進(jìn)電機(jī)負(fù)責(zé)電梯的升降，是電梯的動(dòng)力部分。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的電動(dòng)機(jī)，由外部信號控制并驅(qū)動(dòng)功率脈沖信號輸出。每個(gè)脈沖信號使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定固定的角度，判定為旋轉(zhuǎn)的總角度時(shí)，脈沖頻率決定電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，改變電機(jī)繞組通電可以改變旋轉(zhuǎn)方向的順序。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

光敏傳感器根據(jù)光敏電阻不同光照呈現(xiàn)不同的阻值的變阻特性，當(dāng)電梯內(nèi)部空間被物體占滿時(shí)，其光照會被遮擋，從而使光敏電阻LDR 呈現(xiàn)高阻性，電路輸出低電平；反之，電路輸出高電平。將電梯橋箱的底部鋪設(shè)

2.1 系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)

基于空間占有率判定的智能電梯控制系統(tǒng)程序流程圖如圖3 所示。程序初始化后，當(dāng)外部按鍵被掃描到按下時(shí)，如果電梯不在當(dāng)前層，則馬上響應(yīng)并運(yùn)轉(zhuǎn)，否則仍然停在當(dāng)前層。當(dāng)內(nèi)部按鍵按下時(shí)，需再次按下啟動(dòng)鍵，相當(dāng)于實(shí)際中的“關(guān)門”，此時(shí)，電梯以內(nèi)部按鍵按下的樓層為目標(biāo)層運(yùn)行。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)循環(huán)中，也增加了內(nèi)外按鍵的掃描，以使電梯運(yùn)行時(shí)能接受請求。同時(shí)，在運(yùn)行過程中，對體積占有率進(jìn)行檢測，當(dāng)體積不滿足搭乘條件時(shí)，對外部請求不予響應(yīng)。

圖3 系統(tǒng)總程序流程圖

2.2 系統(tǒng)前面板設(shè)計(jì)

智能電梯控制及檢測系統(tǒng)上位機(jī)前面板采用儀表盤顯示空間占有率程度，數(shù)字顯示具體占有率數(shù)值。數(shù)據(jù)庫表格用于記錄歷史數(shù)據(jù)，并以波形圖的形式顯示電梯空間占有率。系統(tǒng)前面板程序流程圖如圖4 所示。

圖4 前面板程序流程圖

3 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析

完成仿真程序設(shè)計(jì)與無線連接后，將相對應(yīng)的端口接入上位機(jī)軟件面板，打開軟件界面，串口會顯示所連接端口，選擇創(chuàng)建的COM 端口即可完成無線連接[11]。接著完成參數(shù)設(shè)置，并進(jìn)行測試。

3.1 下位機(jī)測試

基于Protus 仿真平臺進(jìn)行下位機(jī)仿真測試[11]。由開關(guān)模擬光傳感器輸送給電梯系統(tǒng)的檢測信號，通過單片機(jī)處理后從P1.0 口輸送信號給PB7 口，控制電梯是否收到外部請求中斷信號。當(dāng)電梯內(nèi)部體積檢測超過12 個(gè)低電平時(shí)，P1.0 口向PB7 口持續(xù)輸送低電平，電梯不受外部中斷信號控制；反之，電梯受外部中斷信號控制，進(jìn)行正常運(yùn)行。假設(shè)初始行程1 的電梯起始樓層為1 層，目標(biāo)樓層為4F，電梯內(nèi)部容積未占滿，2F 有下行請求信號，對電梯進(jìn)行測試。電梯運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表如表1 所示。

表1 電梯運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)表

測試結(jié)果表明，當(dāng)電梯內(nèi)部體積占有率未達(dá)到閾值時(shí)，電梯對外部請求予以開門響應(yīng)；當(dāng)電梯內(nèi)部體積占有率超過閾值時(shí)，電梯對外部請求不予開門響應(yīng),功能滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 上位機(jī)功能測試

采用LabVIEW 搭建系統(tǒng)上位機(jī)，進(jìn)行智能電梯控制系統(tǒng)之無線傳輸智能電梯監(jiān)測系統(tǒng)的功能測試[12]。設(shè)定電梯空間占有率閾值為0.8，設(shè)置無線傳輸系統(tǒng)配置模塊，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試。

系統(tǒng)前面板如圖5 所示，設(shè)置了當(dāng)前所在樓層顯示、實(shí)時(shí)空間占用率數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、電梯占用率儀表盤、超閾值告警和歷史占用率波形圖等功能。圖5（a）為空間占用率低于閾值時(shí)的系統(tǒng)面板，當(dāng)前測試電梯處于2F，空間占用率為0.42，電梯正常運(yùn)行；圖5（b）為空間占用率高于閾值時(shí)的系統(tǒng)面板，當(dāng)前測試電梯處于4F，空間占用率為0.92，告警燈亮起。

圖5 系統(tǒng)前面板

測試數(shù)據(jù)及結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確傳輸無線傳輸下位機(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前樓層和空間占用率，并繪制空間占用率波形。

3.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)功能測試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)測試的準(zhǔn)確性，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)功能測試。將上位機(jī)與下位機(jī)進(jìn)行無線藍(lán)牙連接，無線藍(lán)牙選用H05芯片，通信協(xié)議為TCP/IP 協(xié)議，波特率為115 200 b/s[13]。通過讀取LabVIEW 歷史數(shù)據(jù)觀測下位機(jī)運(yùn)行狀況，進(jìn)行共計(jì)25 次的測試。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)可對超過空間占有率閾值的運(yùn)行予以顯示并報(bào)警，下位機(jī)此時(shí)對外部請求不予響應(yīng)。

調(diào)用LabVIEW 歷史數(shù)據(jù)，利用MATLAB 繪制空間占用率波形圖，如圖6 所示。可見，LabVIEW 前面板空間占用率波形圖與系統(tǒng)前面板空間占用率波形一致，表明系統(tǒng)功能正常，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無誤。

圖6 電梯空間占用率波形圖

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)際可行性與準(zhǔn)確度，在西安交大城市學(xué)院行政樓的一部電梯中進(jìn)行了電梯空間占用率的測試。傳感器采用自研光敏傳感器模塊，單片機(jī)采用STM32F103，無線傳輸采用H05 無線模塊，上位機(jī)采用LabVIEW 搭建。對底面積為2.15 m2的電梯每20 cm鋪設(shè)一個(gè)光敏傳感器，共均勻鋪設(shè)了9×6 個(gè)光敏傳感器，用面積分別為2 m2和0.6 m2的兩塊遮擋板采用隨機(jī)擺放遮擋光線的方法進(jìn)行測試，各采樣10 個(gè)采樣點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 空間占用率測試統(tǒng)計(jì)表

相對誤差的計(jì)算公式如下：

式中，Y為相對誤差值，Xa為標(biāo)準(zhǔn)值，Xb為測量值?？傻?，空間占用率相對誤差為0%～7.41%。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，繪制空間占有率曲線[14]。擬合方程分別為S1和S2，空間占有率曲線圖如圖7 所示。

圖7 空間占用率實(shí)測曲線圖

擬合方程S1和S2分別為：

擬合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行相對誤差計(jì)算，可得測量1 的平均相對誤差為0.03%，測量2 的平均相對誤差為0.05%。將檢測算法進(jìn)行優(yōu)化，代入擬合方程式后，其測量精度可得到明顯改善。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于空間占有率判定的智能電梯控制系統(tǒng)下位機(jī)采用STM32F103 單片機(jī)作為主控芯片，通過光敏傳感器測試空間占有率，根據(jù)占有率閾值判定外部請求開門操作，解決了電梯無效開門的問題；上位機(jī)通過無線傳輸與下位機(jī)進(jìn)行通信，上位機(jī)面板設(shè)計(jì)采用LabVIEW 圖形編程方式，用指針和曲線形象地表示了空間占有率數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)曲線[15]。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)值顯示、故障報(bào)警記錄等功能。經(jīng)測試，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對空間占有率的檢測、電梯運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集及顯示，并可依此進(jìn)行電梯智能控制。相較于傳統(tǒng)的電梯控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)更加節(jié)能環(huán)保，更加智能，更加便于系統(tǒng)化、集中化管理。