安陽工學(xué)院計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院 常國權(quán) 張捐凈

電力載波技術(shù)在電梯監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用與實現(xiàn)

安陽工學(xué)院計算機科學(xué)與信息工程學(xué)院 常國權(quán) 張捐凈

為了能夠及時發(fā)現(xiàn)電梯在運行過程中的異常情況，及時預(yù)防事故的發(fā)生，采用STM32對安裝在電梯上的各類傳感器進行參數(shù)采集，并通過電力載波通訊把電梯參數(shù)實時地傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控系統(tǒng)，上位機將電梯運行參數(shù)進行實時顯示并與正常數(shù)據(jù)進行比對、分析，預(yù)測將要出現(xiàn)事故的時間和概率，從而提前采取必要的措施，預(yù)防電梯事故的發(fā)生。經(jīng)過實驗，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的監(jiān)測效果。

電力載波；電梯監(jiān)測；STM32F103；MPU6050；DHT22

1 引言

近年來，隨著樓層的建設(shè)越來越高，電梯的使用愈加廣泛[1]。電梯的廣泛使用也帶來了新的問題，其中最突出的是電梯設(shè)備的安全監(jiān)測不到位，為了保證電梯的運行安全，預(yù)防事故的發(fā)生，本文采用STM32F103C8T6微控制器對安裝在電梯上的門開關(guān)傳感器、紅外人體傳感器、加速度傳感器、水平傳感器、超重傳感器等各類傳感器進行參數(shù)實時采集，并通過電力載波模塊傳輸?shù)诫娏€上，把電梯各個傳感器參數(shù)實時地傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機監(jiān)控系統(tǒng)把電梯運行參數(shù)進行實時顯示并與正常數(shù)據(jù)進行比對、分析，以預(yù)測電梯故障發(fā)生的概率、電梯不穩(wěn)定因素以及將要出現(xiàn)故障的時間等，從而提醒管理部門提前采取必要的措施。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

該電梯監(jiān)測系統(tǒng)主要由參數(shù)采集部分、電力載波通訊部分、上位機監(jiān)控系統(tǒng)三部分組成。參數(shù)采集部分主控制器采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6，主控制器通過采集門開關(guān)傳感器、加速度傳感器、溫濕度傳感器、紅外人體傳感器等各路傳感器的數(shù)據(jù)，并將采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)通過電力載波通訊發(fā)送至上位機監(jiān)測系統(tǒng)。上位機監(jiān)測系統(tǒng)分解出各個參數(shù)并進行顯示，同時把參數(shù)寫入SQL Server數(shù)據(jù)庫進行存儲。電力載波通訊部分主要由多個電力載波模塊組成通訊網(wǎng)絡(luò)，電力載波模塊負(fù)責(zé)對STM32微控制器傳送過來的數(shù)據(jù)進行調(diào)制或解調(diào)，并通過電力線把各個電梯節(jié)點的參數(shù)傳送給上位機監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 STM32和電力載波模塊接口設(shè)計

從成本和性能綜合考慮，系統(tǒng)的主控芯片采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6，它是基于的ARM 32位的Cortex?-M3內(nèi)核架構(gòu)，穩(wěn)定工作頻率可達(dá)72MHz。STM32F103C8T6擁有64K程序存儲器、20K字節(jié)SRAM、2個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、3個USART模塊、2個I2C模塊等豐富的資源模塊，并支持串行單線調(diào)試（SWD）和JTAG接口調(diào)試模式[2]。電力載波模塊選用的是KQ-130F，KQ-130F具有體積小、抗干擾能力強、傳輸距離遠(yuǎn)等特點[3]。KQ-130F通過串口與STM32F103C8T6進行數(shù)據(jù)通信，該模塊直接與STM32的串口端交叉相連，即電力載波模塊的TX端與STM32的RX端相連，RX端與STM32的TX端相連。KQ-130F的電源由LM2596電源模塊提供，兩個AC端口與220V電源相連接，利用220V電力線進行數(shù)據(jù)傳輸。STM32和電力載波模塊的接口設(shè)計如圖2所示。

圖2 STM32和電力載波模塊的接口設(shè)計圖

3.2 STM32和傳感器接口設(shè)計

系統(tǒng)的姿態(tài)采集傳感器采用MPU6050慣性傳感器來獲取電梯運行時的加速度和其振動的情況。MPU6050是I2C接口，因此可以把該芯片直接接到STM32微控制器I2C1接口，即MPU6050的時鐘引腳SCL連接到STM32的PB6，數(shù)據(jù)引腳SDA連接到STM32的PB7引腳，數(shù)據(jù)中斷引腳連接到PB5，為了增強驅(qū)動能力在每個引腳上都加入了10K的上拉電阻，因為使用的是硬件I2C接口，STM32和MPU6050數(shù)據(jù)、時鐘接口必須一致[4]。系統(tǒng)選取了DHT22作為系統(tǒng)的溫濕度采集模塊，DHT22溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它采用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保其具有極高的可靠性與長期的穩(wěn)定性。DHT22采用特殊的單總線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸端口DO與STM32的PA0引腳相連。DHT22的數(shù)據(jù)端口接一個4.7K的上拉電阻以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。系統(tǒng)采用HC-SR501人體紅外熱釋電探測模塊用來感應(yīng)是否有人存在。此模塊的輸出端OUT與IAP15單片機的PA2引腳相連。MQ-2作為氣敏傳感器主要用來檢測電梯內(nèi)部的易燃易爆氣體。MQ-2具有DO開關(guān)信號（TTL）輸出和AO模擬信號輸出，MQ_IN模擬端與STM32的PA1引腳相連以實現(xiàn)MQ-2與單片機的通訊。STM32和傳感器接口設(shè)計原理圖如圖3所示。

圖3 STM32和傳感器接口設(shè)計原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括電梯主控采集系統(tǒng)下位機底層驅(qū)動軟件的設(shè)計和上位機電梯監(jiān)測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫設(shè)計，電梯下位機軟件在ARM Keil開發(fā)環(huán)境中用C語言編寫，上位機電梯監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要使用VC++6.0和SQL Server 2005進行開發(fā)。

圖4 主控采集系統(tǒng)軟件流程圖

4.1 電梯監(jiān)測系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計

主控采集系統(tǒng)的作用就是把各路傳感器采集到的信息收集起來，經(jīng)過一定的計算和轉(zhuǎn)化，然后添加地址、校驗和等信息后打包發(fā)送至電力載波模塊進而發(fā)送至上位機上進行顯示和存儲。主控采集系統(tǒng)接收姿態(tài)采集傳感器MPU6050的數(shù)據(jù)時用到了STM32的I2C數(shù)據(jù)傳輸功能，STM32微控制器內(nèi)部有2個硬件I2C通訊模塊，程序設(shè)計直接編程驅(qū)動硬件I2C模塊工作，無需模擬I2C通訊，進一步簡化了驅(qū)動程序的編寫。溫濕度傳感器DHT22則采用了特殊的單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，即一個數(shù)據(jù)線即可完成數(shù)據(jù)的發(fā)送，節(jié)省了單片機的IO資源。采用電力載波通訊技術(shù)完成下位機到上位機的數(shù)據(jù)傳輸功能，進行下位機與上位機之間的通訊，省去了單獨布線的繁瑣。主控采集系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

4.2 上位機監(jiān)測軟件設(shè)計

上位機監(jiān)測軟件在VC++6.0開發(fā)環(huán)境下使用MFC框架類，基于對話框模式開發(fā)，其中使用到了串口通訊類以及API調(diào)用的方法和ADO數(shù)據(jù)庫技術(shù)。MFC上位機軟件的設(shè)計主要是用來顯示下位機發(fā)來的電梯監(jiān)測傳感器采集的數(shù)據(jù)。上位機采用串口模塊與電力載波接收模塊進行數(shù)據(jù)的通訊。本系統(tǒng)的監(jiān)測界面采用分片式設(shè)計的方法設(shè)計。整個界面左半部分用來顯示各路傳感器采集到的轎廂的各個環(huán)境參數(shù)以及電梯運行的狀態(tài)參數(shù)，左下角用來顯示當(dāng)前的系統(tǒng)時鐘，界面的右半部分來用顯示讀取到的數(shù)據(jù)庫信息。上位機接收到來自單片機的數(shù)據(jù)后，分解得到各個參數(shù)，然后分別顯示到不同的區(qū)域，并將各個參數(shù)存儲至SQL Server數(shù)據(jù)庫，然后讀取SQL Server數(shù)據(jù)庫的值后顯示在界面的右半部分區(qū)域內(nèi)。上位機監(jiān)測界面如圖5所示。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于電力載波通訊的電梯監(jiān)測系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計與實現(xiàn)，經(jīng)過實驗驗證了系統(tǒng)的有效性和實用性，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測電梯的運行環(huán)境，及時發(fā)現(xiàn)電梯在運行過程中的異常情況并報警，防止安全事故的發(fā)生，保證人身安全。

[1]張智,唐露新,陳思成．電梯故障記錄儀系統(tǒng)設(shè)計[J]．電子產(chǎn)品世界,2014,06．

[2]ST Microelectronics．STM32F103x8 Datasheet [DB/OL]．http：//www．st．com/．

[3]四川科強電子技術(shù)有限責(zé)任公司．KQ-130F電力載波模塊手冊[DB/OL]．http：//www．kq100．com/．

[4]TDK InvenSense．MPU-6050 Product Specification [DB/OL]．https：//www．invensense．com/．

2016河南省高等學(xué)校重點科研資助項目，項目編號：16A520034。