周葉平，蘭清生，汪有韜，胡 誠，毛錦榮

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

0 引言

電梯限速器是電梯一個(gè)非常重要安全部件，是避免電梯轎廂（或者對(duì)重）超速運(yùn)行的重要安全保障裝置，也稱之為斷繩保護(hù)和超速保護(hù)[1]。2017 年10 月1 日已實(shí)施的TSG T7001-2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》第2 號(hào)修改單附件A 的2.9（4）中對(duì)限速器作出了明確規(guī)定：“對(duì)于額定速度小于3 m/s 的電梯，檢驗(yàn)人員還需每2 年對(duì)維護(hù)保養(yǎng)單位的校驗(yàn)過程進(jìn)行一次現(xiàn)場觀察、確認(rèn)”[2]。從電梯檢驗(yàn)規(guī)則的修改上可見國家相關(guān)職能部門對(duì)電梯限速器校驗(yàn)工作的重視程度[3]。然而基于現(xiàn)實(shí)嚴(yán)峻的檢驗(yàn)人機(jī)比矛盾、每臺(tái)限速器校驗(yàn)時(shí)間基本與整臺(tái)電梯其他檢驗(yàn)項(xiàng)目耗時(shí)差不多的情況，實(shí)現(xiàn)逐臺(tái)校驗(yàn)并現(xiàn)場觀察，進(jìn)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(yàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸至服務(wù)器，能夠有效減少現(xiàn)場檢驗(yàn)時(shí)間，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)永久保存、實(shí)現(xiàn)測試數(shù)值可追溯，能夠有效提高檢驗(yàn)人員工作效率，降低檢驗(yàn)檢測機(jī)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與限速器校驗(yàn)系統(tǒng)的無線連接，能夠遠(yuǎn)程獲取電梯檢驗(yàn)過程限速器的校驗(yàn)數(shù)據(jù)并上傳至ONENET 平臺(tái)。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(gè)16位定時(shí)器和3 路USART 串口通信等資源。4G 通信模組采用移遠(yuǎn)EC20 模組，采用MQTT 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與ONENET 云平臺(tái)進(jìn)行通信，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有限速器編號(hào)、限速器電氣速度、限速器機(jī)械速度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的主控芯片是STM32F103RBT6芯片和EC20控制器，將STM32F103RBT6通用定時(shí)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(yàn)儀中霍爾接近開關(guān)產(chǎn)生脈沖時(shí)刻計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值的鎖存實(shí)現(xiàn)被測信號(hào)的周期計(jì)算，通過采集限速器電氣開關(guān)的動(dòng)作作為最高級(jí)中斷，在中斷中計(jì)算發(fā)生中斷時(shí)被測信號(hào)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(jì)算得到最大速度值作為機(jī)械速度。將計(jì)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(tái)[8-9]，通過PC 端或者移動(dòng)客戶端均能實(shí)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(jì)

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(hào)：HG-HL12），輸入電壓為10～30 V，輸出級(jí)為一個(gè)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(shí)，傳感器輸出+12 V，有磁鋼靠近時(shí)，傳感器輸出0 V，為匹配單片機(jī)STM32TTL 電平及定時(shí)器上升沿捕獲的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)2 個(gè)電阻及非門實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分壓與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(gè)16 位定時(shí)器和3 路USART 通信口、時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，采用LQFP64 封裝形式，其最小系統(tǒng)包括單片機(jī)、電源、晶振電路、復(fù)位電路以及其他電路等幾個(gè)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(yuǎn)公司EC20 硬件設(shè)計(jì)手冊設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)如圖5所示。

圖5 串口電平轉(zhuǎn)換電路

3 軟件設(shè)計(jì)

為縮短項(xiàng)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(jì)的系統(tǒng)軟件包括I/O 口初始化函數(shù)，系統(tǒng)時(shí)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(tái)連接函數(shù)、斷開Onenet 平臺(tái)連接函數(shù)、數(shù)據(jù)上傳Onenet 平臺(tái)函數(shù)、心跳檢測函數(shù)等模塊。

由于系統(tǒng)只負(fù)責(zé)限速器編號(hào)、限速器速度（電氣和機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(jì)算得到的速度值向OneNET 平臺(tái)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(hào)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(jì)算可得頻率為0.66～3.99 Hz。

由于被測信號(hào)頻率低，為提高脈沖周期計(jì)算的精度，宜采用計(jì)時(shí)法測量信號(hào)脈沖周期，通過計(jì)算可得線速度值，計(jì)時(shí)法誤差分析與方案如下。

圖7 計(jì)時(shí)法測量原理

計(jì)時(shí)法誤差分析：造成測量誤差原因是計(jì)數(shù)器只能進(jìn)行整數(shù)計(jì)數(shù)，而在Tx1時(shí)間窗口內(nèi)，卻不一定剛好有整數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期。因此計(jì)時(shí)法造成的最大測量誤差為±1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)周期，參考公式TX1=N1×TC1，若計(jì)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(duì)周期誤差為：ΔT=±1/N1×100%，可知，N1越大，相對(duì)周期誤差越小。即標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率遠(yuǎn)高于被測信號(hào)頻率時(shí)，TX1被測信號(hào)周期內(nèi)的被測信號(hào)脈沖越多（N1很大），計(jì)時(shí)法得到的結(jié)果就越準(zhǔn)確；為提高結(jié)果的準(zhǔn)確度，將STM32 內(nèi)部時(shí)鐘設(shè)置為最高頻率（72 MHz）進(jìn)行計(jì)數(shù)。使用STM32通用定時(shí)器的捕獲功能將上升沿時(shí)刻的計(jì)數(shù)器計(jì)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(shí)刻。

軟件設(shè)計(jì)步驟如下：（1）使能定時(shí)器和GPIO 時(shí)鐘；（2）將TIM2CH2 的輸入管腳PA1 配置成輸入模式且配置定時(shí)器時(shí)基單元，設(shè)定計(jì)數(shù)器溢出值為65535；（3）配置輸入捕獲器；（4）使能定時(shí)器中斷；（5）配置向量中斷控制器NVIC；（6）使能定時(shí)器；（7）編寫定時(shí)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(gè)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(shí)間間隔計(jì)算錯(cuò)誤；需要設(shè)置為允許同時(shí)更新中斷和捕獲中斷；如果是溢出，則對(duì)溢出次數(shù)值加一，直至下一個(gè)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(shí)的定時(shí)器數(shù)值、上一捕獲發(fā)生時(shí)的定時(shí)器數(shù)值來計(jì)算兩次捕獲發(fā)生之間的時(shí)間間隔。

3.2 OneNET云平臺(tái)接入

設(shè)備在接入OneNET 之前，首先要在平臺(tái)上注冊賬號(hào)、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(tái)；登錄已有用戶賬號(hào)密碼,在控制臺(tái)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(jī)時(shí)能夠讀取產(chǎn)品ID和APIKey，用來登錄OneNET平臺(tái)。OneNET平臺(tái)接入過程如圖8所示。

圖8 OneNET平臺(tái)接入過程

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

圖9 Onenetview界面

4 測試驗(yàn)證與結(jié)果分析

為驗(yàn)證限速器校驗(yàn)速度值的準(zhǔn)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(yàn)OneNET 平臺(tái)測得的速度進(jìn)行對(duì)比，接觸式線速度測試采用瑞典SKF 多功能測量轉(zhuǎn)速計(jì)（TKRT10）、非接觸式線速度測試安徽中科XC-3 限速器校驗(yàn)儀現(xiàn)場測試限速器動(dòng)作的速度值，由于瑞典SKF 多功能測量轉(zhuǎn)速計(jì)（TKRT10）只能測得線速度單位為m/min，需要進(jìn)行單位換算統(tǒng)一單位為m/s，換算后保留小數(shù)點(diǎn)后2位有效數(shù)字，通過4 臺(tái)限速器校驗(yàn)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(duì)4臺(tái)額定速度不同電梯限速器進(jìn)行校驗(yàn)測速結(jié)果，限速器校驗(yàn)OneNET 平臺(tái)測得的速度與其他兩種測得的速度最大相對(duì)誤差為2%。

表1 3種不同速度測試方式對(duì)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(yàn)速度值遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠，終端操作簡單，解決了目前限速器校驗(yàn)過程數(shù)據(jù)無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膯栴}，對(duì)于其他同類設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)具有很好的參考性。研究的限速器校驗(yàn)OneNET 平臺(tái)通過與瑞典SKF 多功能測量轉(zhuǎn)速計(jì)（TKRT10）及安徽中科XC-3限速器校驗(yàn)儀對(duì)比，速度測試準(zhǔn)確度及精度符合實(shí)際檢驗(yàn)需要，能夠替代檢驗(yàn)人員現(xiàn)場觀察確認(rèn)限速器校驗(yàn)的過程，提高了電梯檢驗(yàn)工作效率。