基于GPRS電梯限速器校驗關(guān)鍵數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)研究*

周葉平，蘭清生，汪有韜，胡 誠，毛錦榮

（江西省檢驗檢測認證總院特種設(shè)備檢驗檢測研究院，南昌 330052）

0 引言

電梯限速器是電梯一個非常重要安全部件，是避免電梯轎廂（或者對重）超速運行的重要安全保障裝置，也稱之為斷繩保護和超速保護[1]。2017 年10 月1 日已實施的TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗和定期檢驗規(guī)則——曳引與強制驅(qū)動電梯》第2 號修改單附件A 的2.9（4）中對限速器作出了明確規(guī)定：“對于額定速度小于3 m/s 的電梯，檢驗人員還需每2 年對維護保養(yǎng)單位的校驗過程進行一次現(xiàn)場觀察、確認”[2]。從電梯檢驗規(guī)則的修改上可見國家相關(guān)職能部門對電梯限速器校驗工作的重視程度[3]。然而基于現(xiàn)實嚴峻的檢驗人機比矛盾、每臺限速器校驗時間基本與整臺電梯其他檢驗項目耗時差不多的情況，實現(xiàn)逐臺校驗并現(xiàn)場觀察，進一步加劇了這一矛盾[4]，如果能夠?qū)崿F(xiàn)將限速器現(xiàn)場校驗數(shù)據(jù)遠程傳輸至服務(wù)器，能夠有效減少現(xiàn)場檢驗時間，同時能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)永久保存、實現(xiàn)測試數(shù)值可追溯，能夠有效提高檢驗人員工作效率，降低檢驗檢測機構(gòu)人力成本[5-7]。

本文在4G技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套基于STM32F103和EC20 的4G 通信系統(tǒng)，該通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)移動互聯(lián)網(wǎng)與限速器校驗系統(tǒng)的無線連接，能夠遠程獲取電梯檢驗過程限速器的校驗數(shù)據(jù)并上傳至ONENET 平臺。本系統(tǒng)所用的主芯片STM32F103RBT6 是ST 公司基于ARM 最新Cortex-M3 架構(gòu)內(nèi)核的32 位處理器，其芯片內(nèi)置128KB的Flash、20KRAM、12位AD、4個16位定時器和3 路USART 串口通信等資源。4G 通信模組采用移遠EC20 模組，采用MQTT 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與ONENET 云平臺進行通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有限速器編號、限速器電氣速度、限速器機械速度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)設(shè)計使用的主控芯片是STM32F103RBT6芯片和EC20控制器，將STM32F103RBT6通用定時器TIM2設(shè)置為輸入捕獲模式，通過設(shè)定上升沿捕獲限速器校驗儀中霍爾接近開關(guān)產(chǎn)生脈沖時刻計數(shù)器計數(shù)值的鎖存實現(xiàn)被測信號的周期計算，通過采集限速器電氣開關(guān)的動作作為最高級中斷，在中斷中計算發(fā)生中斷時被測信號的周期，通過換算即可得到當(dāng)前限速器的轉(zhuǎn)速及線速度；將計算得到最大速度值作為機械速度。將計算得到的線速度通過串口傳輸給EC20 通信模塊，EC20 通信模塊再將數(shù)據(jù)上傳至ONENET 云平臺[8-9]，通過PC 端或者移動客戶端均能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢測，系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2 硬件設(shè)計

本監(jiān)測系統(tǒng)硬件包括速度采集電路（霍爾接近開關(guān)）、STM32 控制芯片最小系統(tǒng)、GPRS DTU 通信模塊、供電模塊、串口電平轉(zhuǎn)換模塊等。

2.1 速度采集電路

速度采集采用霍爾接近開關(guān)（型號：HG-HL12），輸入電壓為10～30 V，輸出級為一個集電極開路NPN 管。采用12 V 電壓給傳感器供電，在沒有磁鋼靠近時，傳感器輸出+12 V，有磁鋼靠近時，傳感器輸出0 V，為匹配單片機STM32TTL 電平及定時器上升沿捕獲的設(shè)計，設(shè)計2 個電阻及非門實現(xiàn)信號的分壓與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)信號電平的匹配[10]的電路如圖2所示。

圖2 霍爾接近開關(guān)速度采集電路

2.2 STM32控制芯片最小系統(tǒng)

主控芯片采用ST 意法半導(dǎo)體生產(chǎn)的STM32F103RBT 6，STM32F103RBT6 是ST 公司基于ARM Cortex-M3 架構(gòu)內(nèi)核的32位處理器，內(nèi)置128KB 的Flash、20 K 的RAM、4 個16 位定時器和3 路USART 通信口、時鐘頻率最高可達72 MHz，采用LQFP64 封裝形式，其最小系統(tǒng)包括單片機、電源、晶振電路、復(fù)位電路以及其他電路等幾個部分，采用輸出直流12 V 的電源適配器給系統(tǒng)供電，能夠直接提供霍爾接近開關(guān)所需+12 V 電源，通過LM2596 及AMS1117 穩(wěn)壓芯片可以分別為控制系統(tǒng)提供+5 V、+3.3 V、+3.8 V供電。其最小系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 STM32控制芯片最小系統(tǒng)

2.3 EC20通信模塊

根據(jù)移遠公司EC20 硬件設(shè)計手冊設(shè)計了EC20 通信模塊的電源電路、SIM 接口電路、USB 電路，EC20 通信模塊電路如圖4所示。

圖4 EC20通信模塊電路

2.4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

系統(tǒng)中設(shè)計使用了2路串口，USART1用于連接電腦調(diào)試，USART2 用于與EC20 通信，電平轉(zhuǎn)換硬件電路設(shè)計如圖5所示。

圖5 串口電平轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計

為縮短項目開發(fā)周期，本系統(tǒng)軟件采用Keil5開發(fā)環(huán)境，充分利用ST公司推出的官方固件庫函數(shù)提高系統(tǒng)軟件開發(fā)效率。設(shè)計的系統(tǒng)軟件包括I/O 口初始化函數(shù)，系統(tǒng)時鐘初始化函數(shù)，串口初始化函數(shù)、4G 模塊EC20的IO 層初始化函數(shù)、創(chuàng)建Onenet 平臺連接函數(shù)、斷開Onenet 平臺連接函數(shù)、數(shù)據(jù)上傳Onenet 平臺函數(shù)、心跳檢測函數(shù)等模塊。

由于系統(tǒng)只負責(zé)限速器編號、限速器速度（電氣和機械）數(shù)據(jù)的傳輸，不存在復(fù)雜的任務(wù)調(diào)度，采用裸機環(huán)境。系統(tǒng)在硬件初始化（I/O 口初始化函數(shù)，系統(tǒng)時鐘初始化函數(shù)，串口初始化函數(shù)、4G 模塊IO層初始化函數(shù)）后等待限速器電氣開關(guān)中斷響應(yīng)，如果沒有中斷發(fā)生，ATM32 通過定時器3 每25 s 發(fā)送一次心跳包給4G 通信模塊EC20，避免通信系統(tǒng)的中斷[11]，如果有限速器電氣開關(guān)中斷響應(yīng)的發(fā)生，則響應(yīng)中斷函數(shù)，將中斷函數(shù)中計算得到的速度值向OneNET 平臺發(fā)送。其系統(tǒng)總程序如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總程序

3.1 限速器速度采集軟件

以三菱電梯限速器為例，ZDGZ-200 或者DG-640 兩種型號限速器能夠覆蓋匹配額定速度0.5～4.0 m/s的電梯，節(jié)圓直徑D為240 mm 或者320 mm，通過式（1）計算可得頻率為0.66～3.99 Hz。

由于被測信號頻率低，為提高脈沖周期計算的精度，宜采用計時法測量信號脈沖周期，通過計算可得線速度值，計時法誤差分析與方案如下。

圖7 計時法測量原理

計時法誤差分析：造成測量誤差原因是計數(shù)器只能進行整數(shù)計數(shù)，而在Tx1時間窗口內(nèi)，卻不一定剛好有整數(shù)個標準信號周期。因此計時法造成的最大測量誤差為±1 個標準信號周期，參考公式TX1=N1×TC1，若計數(shù)結(jié)果為N1，則測量周期的最大可能值為TX1=（N1+1）TC1；最小可能值為TX1=（N1-1）TC1。則相對周期誤差為：ΔT=±1/N1×100%，可知，N1越大，相對周期誤差越小。即標準信號頻率遠高于被測信號頻率時，TX1被測信號周期內(nèi)的被測信號脈沖越多（N1很大），計時法得到的結(jié)果就越準確；為提高結(jié)果的準確度，將STM32 內(nèi)部時鐘設(shè)置為最高頻率（72 MHz）進行計數(shù)。使用STM32通用定時器的捕獲功能將上升沿時刻的計數(shù)器計數(shù)值鎖存在“捕獲/比較寄存器”，每次捕獲都觸發(fā)中斷，并在中斷服務(wù)程序中逐一讀取“捕獲/比較寄存器”中鎖存的時刻。

軟件設(shè)計步驟如下：（1）使能定時器和GPIO 時鐘；（2）將TIM2CH2 的輸入管腳PA1 配置成輸入模式且配置定時器時基單元，設(shè)定計數(shù)器溢出值為65535；（3）配置輸入捕獲器；（4）使能定時器中斷；（5）配置向量中斷控制器NVIC；（6）使能定時器；（7）編寫定時器中斷服務(wù)程序，在中斷服務(wù)程序中需要注意用于捕獲的TIM2有可能在臨近的兩個輸入脈沖的上升沿之間發(fā)生一次乃至多次溢出或者更新，從而造成時間間隔計算錯誤；需要設(shè)置為允許同時更新中斷和捕獲中斷；如果是溢出，則對溢出次數(shù)值加一，直至下一個輸入上升沿引發(fā)捕獲中斷，則可以通過溢出次數(shù)值、本次捕獲發(fā)生時的定時器數(shù)值、上一捕獲發(fā)生時的定時器數(shù)值來計算兩次捕獲發(fā)生之間的時間間隔。

3.2 OneNET云平臺接入

設(shè)備在接入OneNET 之前，首先要在平臺上注冊賬號、創(chuàng)建設(shè)備，然后通過網(wǎng)絡(luò)和OneNET服務(wù)器建立TCP連接，最后按照MQTT協(xié)議將數(shù)據(jù)打包上傳至OneNET平臺；登錄已有用戶賬號密碼,在控制臺設(shè)備列表中創(chuàng)建產(chǎn)品、添加設(shè)備，在設(shè)備接入?yún)f(xié)議一欄選擇MQTT、在網(wǎng)絡(luò)中選擇蜂窩網(wǎng)絡(luò)。產(chǎn)品創(chuàng)建完成后記錄下產(chǎn)品ID、APIKey，以便下次開機時能夠讀取產(chǎn)品ID和APIKey，用來登錄OneNET平臺。OneNET平臺接入過程如圖8所示。

圖8 OneNET平臺接入過程

在OneNET 平臺上能夠很輕松實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲，為更直觀地將數(shù)據(jù)展現(xiàn)，應(yīng)用Onenetview 設(shè)計了大屏展示界面，設(shè)計的界面如圖9所示。

圖9 Onenetview界面

4 測試驗證與結(jié)果分析

為驗證限速器校驗速度值的準確度，采用兩種不同的線速度測量方式測得的線速度值與限速器校驗OneNET 平臺測得的速度進行對比，接觸式線速度測試采用瑞典SKF 多功能測量轉(zhuǎn)速計（TKRT10）、非接觸式線速度測試安徽中科XC-3 限速器校驗儀現(xiàn)場測試限速器動作的速度值，由于瑞典SKF 多功能測量轉(zhuǎn)速計（TKRT10）只能測得線速度單位為m/min，需要進行單位換算統(tǒng)一單位為m/s，換算后保留小數(shù)點后2位有效數(shù)字，通過4 臺限速器校驗速度（電梯下行方向，每次測量3 次后記錄平均值）測得結(jié)果如表1 所示。由表可知，通過對4臺額定速度不同電梯限速器進行校驗測速結(jié)果，限速器校驗OneNET 平臺測得的速度與其他兩種測得的速度最大相對誤差為2%。

表1 3種不同速度測試方式對比表

5 結(jié)束語

經(jīng)過反復(fù)測試，本文研究的限速器校驗速度值遠程傳輸系統(tǒng)運行安全可靠，終端操作簡單，解決了目前限速器校驗過程數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)遠程傳輸?shù)膯栴}，對于其他同類設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)具有很好的參考性。研究的限速器校驗OneNET 平臺通過與瑞典SKF 多功能測量轉(zhuǎn)速計（TKRT10）及安徽中科XC-3限速器校驗儀對比，速度測試準確度及精度符合實際檢驗需要，能夠替代檢驗人員現(xiàn)場觀察確認限速器校驗的過程，提高了電梯檢驗工作效率。