陳繼文 ，李 鑫 ，李 麗 ，張樹昌 ，王曉偉

（1.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，濟南 250101；2.山東建筑大學(xué) 機電工程學(xué)院，濟南 250101；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

電梯是建筑設(shè)備中的“耗能大戶”，它所消耗的能量一般占整個建筑總能耗的5%～15%，我國電梯保有量已超過490萬臺，以每臺電梯每天用電40度計算，每年電梯用電量超過715億度[1-3]。目前電梯能耗的相關(guān)研究主要在于電梯能耗測試方法和電梯能效等級的劃分[4-5]，對于電梯能耗的遠程監(jiān)測手段研究還需加強。國內(nèi)外現(xiàn)有的電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)，側(cè)重于電梯安全故障的監(jiān)控，對于電梯能耗的監(jiān)測還有待進一步完善[6-7]。因此，本文進行基于ARM的電梯能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究，為評估電梯能耗狀況提供依據(jù)，具有重要的理論研究意義和實用價值。

1 總體設(shè)計方案

搭建一臺基于ARM控制的四層站電梯模型，作為能耗監(jiān)測的對象，根據(jù)此模型開發(fā)電梯能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測電梯模型的能耗數(shù)據(jù)及運行參數(shù)，電梯能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。STM32控制卡為核心控制部件，主要功能為控制電梯運行，處理及傳輸電梯相關(guān)數(shù)據(jù)。STM32控制卡通過控制變頻器和門系統(tǒng)，實現(xiàn)對電梯模型的控制；通過收集曳引機編碼器數(shù)據(jù)、平層傳感器狀態(tài)、轎內(nèi)指令和層站召喚指令，獲取電梯位置和運行狀態(tài)；通過能耗采集模塊，獲取電梯能耗數(shù)據(jù)；通過與遠程上位機進行通信，實時傳輸收集到的數(shù)據(jù)。遠程上位機對數(shù)據(jù)進行存儲、分析等處理后，顯示到上位機監(jiān)測界面。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案Fig.1 Overall design of the system

2 能耗監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 STM32控制卡

本文采用了STM32F103ZET6芯片作為控制核心，該芯片是ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核開發(fā)的32位微處理器，最高工作頻率為72 MHz，擁有64 KB SRAM、512 KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、5個串口，1個CAN接口，1個FSMC接口以及112個通用I/O口等，豐富的片上資源簡化了硬件系統(tǒng)，同時降低了系統(tǒng)功耗，大大增強了能耗監(jiān)測系統(tǒng)的實時性和可靠性[8]?？刂瓶ㄟx用2.8寸TFTLCD電阻觸摸屏顯示作為顯示部分，實時顯示電梯能耗數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時鐘。觸摸屏與STM32處理器的FSMC接口相連，減輕了處理器負擔，提高了系統(tǒng)運行速度。

2.2 無線通信模塊

STM32控制卡通過無線通訊模塊連接能耗采集模塊與遠程上位機，無線通信的傳輸速度和質(zhì)量影響著數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性。本文采用AS13B-TTL無線通信模塊，該模塊具有尺寸較小、傳輸距離較遠、能耗低、數(shù)據(jù)自動糾錯等功能，該模塊采用TTL電平輸出，兼容5 V和3.3 V，方便與STM32控制卡和能耗采集模塊相連。

2.3 能耗采集模塊

本文選用PZEM-004能耗采集模塊對電梯模型的能耗進行采集，能耗采集模塊工作流程如圖2所示。模塊工作時，互感器采集被測電路的電壓和電流信號，信號經(jīng)濾波和放大電路處理后送入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機中進行計算[9]，得出電梯的功率和能耗數(shù)據(jù)，并通過無線通信模塊將電梯的電壓、電流、功率和能耗數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32控制卡。能耗采集模塊的測量精度為小數(shù)點后兩位，電壓的測量量程為AC80-260 V，電流的測量量程為0～100 A。

圖2 能耗采集模塊工作流程Fig.2 Working flow chart of energy acquisition module

能耗采集模塊采集的功率為總有功功率，總有功功率等于一個周期內(nèi)瞬時功率的積分平均值，瞬時功率等于瞬時電壓與瞬時電流的乘積。瞬時電壓v（t）和瞬時電流 i（t）的計算公式如式（1）和式（2）所示：

式中：Vk為各次諧波的電壓有效值值；Ik為各次諧波的電流有效值；φk和γk分別為各次諧波相移[10]。

瞬時功率 p（t）的計算公式如式（3）所示：

總有功功率等于平均有功功率P，計算方法為瞬時有功功率p（t）經(jīng)過n個電網(wǎng)周期T的積分后取平均值，如式（4）所示：

3 能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機界面設(shè)計

上位機采用VB6.0中的MSComm通信控件，實現(xiàn)上位機與STM32控制卡的通信。使用MSComm通信控件無需使用復(fù)雜的API函數(shù)，通過簡單設(shè)置幾個參數(shù)即可實現(xiàn)串行通信，在開發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)中具有其獨特的優(yōu)勢[11]。

上位機功能如圖3所示，主要包括初始界面、參數(shù)設(shè)置界面、主界面和數(shù)據(jù)顯示界面。用戶在初始界面進行登錄和用戶管理，通過參數(shù)設(shè)置界面對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置。主界面中顯示電梯運行狀態(tài)，電流、電壓和功率數(shù)據(jù)的折線圖。數(shù)據(jù)顯示界面詳細顯示電梯的電壓值、電流值、功率值和能耗值。

圖3 上位機功能圖Fig.3 Upper computer function diagram

3.2 觸摸屏界面設(shè)計

STM32控制卡的觸摸屏分為主界面、能耗界面、電梯狀態(tài)界面和通信界面。主界面中可進行界面選擇和參數(shù)設(shè)置；電梯狀態(tài)界面用于顯示電梯運行狀態(tài)和所在樓層，STM32控制卡通過485通信接收電梯狀態(tài)信號以及通過編碼器檢測到的曳引電機轉(zhuǎn)動圈數(shù)，分析電梯處于的樓層和運行狀態(tài)；能耗界面用于顯示電梯能耗的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括電壓值、電流值和電功率值等，STM32控制卡根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的刷新頻率通過無線通信模塊向能耗采集模塊發(fā)送查詢請求，并將接收到的數(shù)據(jù)分析、整理后顯示到觸摸屏的能耗界面；上位機通信界面用于顯示STM32控制卡通過無線通信模塊與遠程上位機通訊的所有數(shù)據(jù)。

為避免各個功能之間相互沖突，本文將STM32控制卡的中斷優(yōu)先級做如下設(shè)置，RS485通信中斷優(yōu)先級最高，能耗檢測中斷優(yōu)先級次之，與上位機通信優(yōu)先級最低，圖4所示為STM32控制卡工作流程。

圖4 STM32控制卡工作流程Fig.4 Working flow chart of STM32 control card

3.3 能耗數(shù)據(jù)采集

圖5 能耗數(shù)據(jù)讀取Fig.5 Energy consumption data reading

STM32控制卡讀取能耗數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。STM32控制卡通過無線通信模塊向能耗采集模塊發(fā)送查詢請求，對返回的數(shù)據(jù)進行校驗碼核對，校驗碼通過后，識別數(shù)據(jù)包中的標識符，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行存儲。能耗數(shù)據(jù)包格式如表1所示，標識符和校驗碼各占1 B，能耗數(shù)據(jù)為5 B，能耗數(shù)據(jù)標識符如表2所示。能耗數(shù)據(jù)包的校驗碼計算方法為將標識符數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)求后取后兩位作為校驗碼。

表1 能耗數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Data format for energy consumption

表2 能耗數(shù)據(jù)標識符Tab.2 Identifier for energy consumption data

3.4 上位機通訊

上位機通過無線通信模塊與STM32控制卡實時通信，獲取電梯相關(guān)參數(shù)，上位機使用的通信參數(shù)為9600 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，1位開始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無奇偶校驗位。上位機通信數(shù)據(jù)格式如表3所示。數(shù)據(jù)包由標識符、電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、電梯狀態(tài)信息組成。標識符由模塊地址和指令碼組成，標識符大小為2 B，電壓、電流、功率和能耗數(shù)據(jù)分別由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，大小為2 B，狀態(tài)數(shù)據(jù)由轎廂所在樓層、運動狀態(tài)和運動方向組成，大小為3 B。

表3 上位機通訊數(shù)據(jù)格式Tab.3 Data format of upper computer communication

上位機與STM32控制卡的通信過程如圖6所示，上位機工作時，首先進行初始化，讀取系統(tǒng)參數(shù)，檢測無線通信是否正常，與STM32控制卡建立通信后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的刷新頻率向STM32卡發(fā)送查詢請求，并將返回的數(shù)據(jù)處理后在上位機界面進行顯示。

4 試驗結(jié)果及分析

圖7所示為四層電梯模型實物圖，以此模型作為監(jiān)測對象，將能耗測試點設(shè)置為電梯模型總電源的輸入端，通過監(jiān)測電梯模型工作時的能耗數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行驗證。

圖6 上位機通信流程Fig.6 Upper computer communication flow chart

圖7 四層站電梯模型Fig.7 Elevator model of four storey station

基于ARM的電梯能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了上位機與STM32控制卡的實時通信，上位機將接收到的數(shù)據(jù)處理成折線圖，圖8所示為電梯靜止時功率數(shù)據(jù)的折線圖，電梯靜止時的總功率為15 W左右，圖9為電梯上升時功率數(shù)據(jù)的折線圖，電梯運動時的總功率為68 W左右。

圖8 靜止時功率折線圖Fig.8 Power of elevator static

圖9 上升時功率折線圖Fig.9 Power of elevator rising

本次試驗成功采集了電梯模型的能耗數(shù)據(jù)，上位機界面顯示的折線圖清晰地展現(xiàn)了數(shù)據(jù)的變化趨勢，實現(xiàn)了對電梯能耗的遠程監(jiān)測，通過對采集到的能耗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)電梯轎廂的運動對電梯的能耗影響非常大，可通過優(yōu)化電梯的調(diào)度算法，減少電梯的空行程，縮短電梯運行時間，從而降低電梯的總能耗。

5 結(jié)語

為了遠程監(jiān)測電梯的能耗數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了一種基于ARM的電梯能耗遠程監(jiān)測系統(tǒng)。首先設(shè)計搭建了四層電梯模型作為能耗監(jiān)測對象，進而設(shè)計了能耗數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸及上位機監(jiān)控系統(tǒng)?；贏RM的控制電梯模型可以實現(xiàn)電梯的基本功能，包括電梯的上下運行控制，各個樓層的數(shù)據(jù)顯示，各個樓層的電梯召喚，轎廂門的開關(guān)，轎廂內(nèi)的選層等。STM32控制卡實時地采集電梯運行的能耗數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)，并通過無線通信向上位機遠程傳輸電梯能耗數(shù)據(jù)。上位機顯示界面實時顯示電梯的電壓，電流，電功率及電梯的運行狀態(tài)，上位機將數(shù)據(jù)存儲并做成折線圖展示電梯能耗的變化。試驗表明，該控制系統(tǒng)能夠完成電梯模型能耗數(shù)據(jù)的實時遠程監(jiān)測，該系統(tǒng)可以為評估電梯能耗狀況及改善高耗能電梯的運營狀況提供依據(jù)，具有重要的理論研究意義和實用意義。

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