基于LM3S6432的電梯故障采集器設(shè)計(jì)

李小康　范延濱

摘 要： 針對(duì)電梯老齡化導(dǎo)致的電梯安全隱患問題，設(shè)計(jì)了一款電梯故障信息采集器。采集器基于LM3S6432處理器和RT?Thread操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)包括傳感器信號(hào)采集、電梯主狀態(tài)生成、電梯故障判別和信息傳輸幾個(gè)模塊。經(jīng)過現(xiàn)場測試，該設(shè)備運(yùn)行良好。

關(guān)鍵詞： 電梯故障； 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控； lwIP； LM3S6432； RT?Thread

中圖分類號(hào)： TN710?34； TP274+.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）05?0110?04

0 引 言

電梯是高層建筑必不可少的組成部分，是與人們生活密切相關(guān)的垂直交通工具，然而，電梯老化的數(shù)量在逐年增加。大量缺乏安全保養(yǎng)的電梯每天不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，存在極大的安全隱患，電梯故障造成的事故呈高發(fā)態(tài)勢[1]。在這種背景下，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)總局與2009年發(fā)布了兩個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)《電梯遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)》[2]及《電梯、自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道數(shù)據(jù)監(jiān)視和記錄規(guī)范》[3]，全國各地利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建設(shè)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[4]，通過為電梯安裝多種傳感器和數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)分析。

電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中都有一個(gè)專門用來采集電梯信息的電梯故障采集器。本文基于TI公司的LM3S6432處理器和RT?Thread[5]實(shí)時(shí)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一個(gè)電梯故障信息采集器。

1 電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

圖1給出了一個(gè)電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器安裝數(shù)據(jù)庫管理軟件，用來存儲(chǔ)、處理電梯故障信息。每個(gè)轎廂安裝一臺(tái)主機(jī)，故障采集器、信息發(fā)布面板、攝像頭、麥克風(fēng)、揚(yáng)聲器都連接到主機(jī)上。主機(jī)實(shí)現(xiàn)信息發(fā)布、視頻監(jiān)控、語音通信、本地存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)信息，并負(fù)責(zé)將故障采集器采集到的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。管理終端可以通過私有網(wǎng)絡(luò)連接到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控和管理。

2 功能分析

電梯故障信息采集器通過各種傳感器記錄電梯發(fā)生故障時(shí)轎廂和控制系統(tǒng)的各種運(yùn)行和故障狀態(tài)，并通過以太網(wǎng)口發(fā)送到轎廂主機(jī)。上下平層傳感器可以用來判斷電梯的上行、下行和停止?fàn)顟B(tài)，結(jié)合基站信號(hào)計(jì)算電梯所在樓層。門開關(guān)傳感器可以檢測門的開關(guān)狀態(tài)。紅外人體傳感器可以檢測轎廂內(nèi)是否有人。上極限和下極限傳感器用來判別沖頂和蹲底故障。加速度傳感器可以采集電梯的加速度值，并根據(jù)加速度計(jì)算出速度值，在電梯加速度或者速度超常時(shí)給出報(bào)警。面板上的LED指示燈指示當(dāng)前電梯運(yùn)行狀態(tài)。提供RS 485通信功能以連接電梯維保設(shè)備，使用以太網(wǎng)接口與轎廂主機(jī)進(jìn)行通信。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖2所示。核心MCU使用的是集成ARM Cortex?M3內(nèi)核的LM3S6432，它具有50 MHz性能和96K快速單周期片上閃存及32K SRAM內(nèi)存，并集成了片上10/100 MB以太網(wǎng)MAC和PHY。

檢測的信號(hào)都是開關(guān)量信號(hào)，通過光耦隔離可以保護(hù)核心MCU電路和提高電路抗干擾能力。因?yàn)轵?qū)動(dòng)LED需要較大電流，LED不是直接連接到MCU的GPIO引腳，而是在中間添加了LED驅(qū)動(dòng)電路。LM3S6432的IO口有限，LED驅(qū)動(dòng)電路采用兩片74HCT245級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)，并鏈接到LM3S6432的SSI接口。分別采用MAX3232和MAX3485芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平和RS 232C、 RS 485電平的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用12 V開關(guān)穩(wěn)壓電源供電，在板內(nèi)使用開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片LM2596S?5.0將12 V電源轉(zhuǎn)換成5.0 V，再使用低壓差線性穩(wěn)壓器LM1117將5.0 V轉(zhuǎn)換成3.3 V。

4 軟件設(shè)計(jì)

RT?Thread實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是一款由國內(nèi)RT?Thread工作室開發(fā)的免費(fèi)、開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它實(shí)現(xiàn)了在LM3S8962上的lwIP[6]的移植實(shí)現(xiàn)，可以很容易的移植到LM3S6432處理器。

4.1 軟件總體框架

電梯故障采集器的軟件總體框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。傳感器信號(hào)處理模塊和電梯主狀態(tài)生成模塊主要是通過中斷處理程序獲取各個(gè)傳感器信號(hào)的狀態(tài)，并生成電梯主狀態(tài)。電梯故障判別模塊根據(jù)電梯的主狀態(tài)，根據(jù)一定的判別方法，對(duì)電梯發(fā)生的故障進(jìn)行判別。信息傳輸模塊的功能包括信息發(fā)送和信息接收兩個(gè)方面。

4.2 傳感器信號(hào)檢測

電梯故障采集器的傳感器信號(hào)根據(jù)信號(hào)特點(diǎn)和處理方式的不同可以按照表1進(jìn)行分類。

對(duì)[Sk]累計(jì)求和即可以得到即時(shí)的速度值。因?yàn)榧铀俣葌鞲衅髟诔跏蓟瘯r(shí)存在一定的誤差，在計(jì)算積分時(shí)，會(huì)使得這個(gè)誤差累積，導(dǎo)致計(jì)算的速度值不準(zhǔn)確。為減小累積誤差對(duì)速度計(jì)算帶來的影響，在平層判斷出電梯停止后，將計(jì)算的速度歸零。

4.3 電梯主狀態(tài)生成

所有的電梯狀態(tài)變化都會(huì)通過事件通知主線程。主線程完成的任務(wù)是修改電梯當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)和根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)判斷故障類型，并將故障信息和電梯運(yùn)行狀態(tài)信息封裝成信息包，傳遞給通信線程。

主線程定義了一個(gè)事件main_event，在沒有信號(hào)需要處理時(shí)，主線程阻塞在事件main_event上。當(dāng)任意一個(gè)事件發(fā)生，主線程被喚醒，對(duì)相應(yīng)的事件進(jìn)行處理。

為實(shí)現(xiàn)程序的模塊化，每個(gè)事件對(duì)應(yīng)一個(gè)相應(yīng)的事件處理程序。在程序中定義了一個(gè)函數(shù)指針數(shù)組void （*event_handler[31]）（void）以實(shí)現(xiàn)事件到相應(yīng)的事件處理程序的映射。每個(gè)事件處理函數(shù)的原型聲明為void xxx_handler（void）。數(shù)組中的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)了一個(gè)事件如event_handler[0]對(duì)應(yīng)上極限有效事件，event_handler[1]對(duì)應(yīng)上極限無效事件。當(dāng)任意一個(gè)事件發(fā)生時(shí)，主線程掃描main_event中的各個(gè)位，只要相應(yīng)的位變?yōu)?，就調(diào)用相應(yīng)的事件處理函數(shù)。

在程序中定義一個(gè)32位的變量main_stat用來存儲(chǔ)電梯主狀態(tài)。各個(gè)事件的處理函數(shù)的主要功能是更改LED狀態(tài)和main_stat變量的值。

4.4 故障判別

電梯主狀態(tài)只要發(fā)生變化，就調(diào)用故障判別模塊根據(jù)主狀態(tài)生成故障信息。故障采集器支持以下故障類型：沖頂：上極限傳感器信號(hào)有效；蹲底：下極限傳感器信號(hào)有效；非門區(qū)開門：轎廂在非門區(qū)開門；非門區(qū)停止：轎廂在非門區(qū)停止；運(yùn)行時(shí)間超長：轎廂從離開一個(gè)平層到到達(dá)另一個(gè)平層的時(shí)間過長；困人：轎廂里面有人，但是經(jīng)過一段較長的時(shí)間沒有開門；加速度異常：加速度值過大；速度異常：速度值過大。

為了識(shí)別電梯發(fā)生的故障，在主程序中定義一個(gè)16位的current_errs變量，標(biāo)志當(dāng)前發(fā)生的故障，電梯故障判別就是根據(jù)main_stat變量對(duì)current_errs變量進(jìn)行修改。current_errs中的每一位表示一個(gè)故障。

通信管理線程負(fù)責(zé)連接的建立，連接建立后，則啟動(dòng)發(fā)送線程和接收線程。通信管理線程檢測到連接斷開，則停止發(fā)送線程和接收線程。

主線程在封裝好消息包后，通過消息隊(duì)列發(fā)送給發(fā)送線程。發(fā)送線程不斷等待消息隊(duì)列有新的數(shù)據(jù)，如果消息隊(duì)列中有消息，則調(diào)用lwIP中的發(fā)送函數(shù)，將消息發(fā)送出去。

接收線程則不斷等待網(wǎng)絡(luò)上有新的數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是命令包，如設(shè)置加速度閾值、設(shè)置速度閾值等，則對(duì)相應(yīng)的變量進(jìn)行修改。

5 系統(tǒng)測試

使用Qt開發(fā)了一個(gè)簡單的測試程序，對(duì)該設(shè)備測試。在仿真教學(xué)電梯中安裝了故障采集器和各種傳感器，用來模擬真實(shí)的電梯運(yùn)行環(huán)境。圖6為測試程序界面。

進(jìn)行的測試包括如下幾個(gè)方面：

（1） 通信功能測試：保證通信正常，可以建立TCP連接，當(dāng)TCP連接掉線時(shí)，可以重新恢復(fù)連接。

（2） 故障識(shí)別功能測試：模擬各種電梯可能出現(xiàn)的運(yùn)行故障，保證能夠正常識(shí)別出故障，并且將故障信息發(fā)送到主機(jī)。

（3） 電梯傳感器信號(hào)采集功能測試：當(dāng)傳感器信號(hào)變化時(shí)，故障采集器將傳感器信號(hào)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)端可以實(shí)時(shí)顯示傳感器信號(hào)狀態(tài)。

（4） 參數(shù)設(shè)置功能測試：在主機(jī)端設(shè)置參數(shù)值，觀察故障采集器的參數(shù)是否改變。

6 結(jié) 語

本文使用LM3S6432處理器和RT?Thread實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款電梯故障信息采集器。按照硬件設(shè)計(jì)制板、調(diào)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件運(yùn)行良好。RT?Thread操作系統(tǒng)具有豐富的功能，并且接口簡單，針對(duì)lwIP也進(jìn)行了不少優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)性能較好。LM3S6432結(jié)合RT?Thread可以較好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

參考文獻(xiàn)

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[2] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 24475?2009電梯遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 24476?2009電梯、自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道數(shù)據(jù)監(jiān)視和記錄規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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在程序中定義一個(gè)32位的變量main_stat用來存儲(chǔ)電梯主狀態(tài)。各個(gè)事件的處理函數(shù)的主要功能是更改LED狀態(tài)和main_stat變量的值。

4.4 故障判別

電梯主狀態(tài)只要發(fā)生變化，就調(diào)用故障判別模塊根據(jù)主狀態(tài)生成故障信息。故障采集器支持以下故障類型：沖頂：上極限傳感器信號(hào)有效；蹲底：下極限傳感器信號(hào)有效；非門區(qū)開門：轎廂在非門區(qū)開門；非門區(qū)停止：轎廂在非門區(qū)停止；運(yùn)行時(shí)間超長：轎廂從離開一個(gè)平層到到達(dá)另一個(gè)平層的時(shí)間過長；困人：轎廂里面有人，但是經(jīng)過一段較長的時(shí)間沒有開門；加速度異常：加速度值過大；速度異常：速度值過大。

為了識(shí)別電梯發(fā)生的故障，在主程序中定義一個(gè)16位的current_errs變量，標(biāo)志當(dāng)前發(fā)生的故障，電梯故障判別就是根據(jù)main_stat變量對(duì)current_errs變量進(jìn)行修改。current_errs中的每一位表示一個(gè)故障。

通信管理線程負(fù)責(zé)連接的建立，連接建立后，則啟動(dòng)發(fā)送線程和接收線程。通信管理線程檢測到連接斷開，則停止發(fā)送線程和接收線程。

主線程在封裝好消息包后，通過消息隊(duì)列發(fā)送給發(fā)送線程。發(fā)送線程不斷等待消息隊(duì)列有新的數(shù)據(jù)，如果消息隊(duì)列中有消息，則調(diào)用lwIP中的發(fā)送函數(shù)，將消息發(fā)送出去。

接收線程則不斷等待網(wǎng)絡(luò)上有新的數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是命令包，如設(shè)置加速度閾值、設(shè)置速度閾值等，則對(duì)相應(yīng)的變量進(jìn)行修改。

5 系統(tǒng)測試

使用Qt開發(fā)了一個(gè)簡單的測試程序，對(duì)該設(shè)備測試。在仿真教學(xué)電梯中安裝了故障采集器和各種傳感器，用來模擬真實(shí)的電梯運(yùn)行環(huán)境。圖6為測試程序界面。

進(jìn)行的測試包括如下幾個(gè)方面：

（1） 通信功能測試：保證通信正常，可以建立TCP連接，當(dāng)TCP連接掉線時(shí)，可以重新恢復(fù)連接。

（2） 故障識(shí)別功能測試：模擬各種電梯可能出現(xiàn)的運(yùn)行故障，保證能夠正常識(shí)別出故障，并且將故障信息發(fā)送到主機(jī)。

（3） 電梯傳感器信號(hào)采集功能測試：當(dāng)傳感器信號(hào)變化時(shí)，故障采集器將傳感器信號(hào)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)端可以實(shí)時(shí)顯示傳感器信號(hào)狀態(tài)。

（4） 參數(shù)設(shè)置功能測試：在主機(jī)端設(shè)置參數(shù)值，觀察故障采集器的參數(shù)是否改變。

6 結(jié) 語

本文使用LM3S6432處理器和RT?Thread實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款電梯故障信息采集器。按照硬件設(shè)計(jì)制板、調(diào)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件運(yùn)行良好。RT?Thread操作系統(tǒng)具有豐富的功能，并且接口簡單，針對(duì)lwIP也進(jìn)行了不少優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)性能較好。LM3S6432結(jié)合RT?Thread可以較好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

參考文獻(xiàn)

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[3] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 24476?2009電梯、自動(dòng)扶梯和自動(dòng)人行道數(shù)據(jù)監(jiān)視和記錄規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

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[8] 茅衛(wèi)娟.電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2004.

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[11] 萬健如，陳超，孫洋建.采用雙串口單片機(jī)的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2006，14（7）：900?901.

在程序中定義一個(gè)32位的變量main_stat用來存儲(chǔ)電梯主狀態(tài)。各個(gè)事件的處理函數(shù)的主要功能是更改LED狀態(tài)和main_stat變量的值。

4.4 故障判別

電梯主狀態(tài)只要發(fā)生變化，就調(diào)用故障判別模塊根據(jù)主狀態(tài)生成故障信息。故障采集器支持以下故障類型：沖頂：上極限傳感器信號(hào)有效；蹲底：下極限傳感器信號(hào)有效；非門區(qū)開門：轎廂在非門區(qū)開門；非門區(qū)停止：轎廂在非門區(qū)停止；運(yùn)行時(shí)間超長：轎廂從離開一個(gè)平層到到達(dá)另一個(gè)平層的時(shí)間過長；困人：轎廂里面有人，但是經(jīng)過一段較長的時(shí)間沒有開門；加速度異常：加速度值過大；速度異常：速度值過大。

為了識(shí)別電梯發(fā)生的故障，在主程序中定義一個(gè)16位的current_errs變量，標(biāo)志當(dāng)前發(fā)生的故障，電梯故障判別就是根據(jù)main_stat變量對(duì)current_errs變量進(jìn)行修改。current_errs中的每一位表示一個(gè)故障。

通信管理線程負(fù)責(zé)連接的建立，連接建立后，則啟動(dòng)發(fā)送線程和接收線程。通信管理線程檢測到連接斷開，則停止發(fā)送線程和接收線程。

主線程在封裝好消息包后，通過消息隊(duì)列發(fā)送給發(fā)送線程。發(fā)送線程不斷等待消息隊(duì)列有新的數(shù)據(jù)，如果消息隊(duì)列中有消息，則調(diào)用lwIP中的發(fā)送函數(shù)，將消息發(fā)送出去。

接收線程則不斷等待網(wǎng)絡(luò)上有新的數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)，就對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，如果是命令包，如設(shè)置加速度閾值、設(shè)置速度閾值等，則對(duì)相應(yīng)的變量進(jìn)行修改。

5 系統(tǒng)測試

使用Qt開發(fā)了一個(gè)簡單的測試程序，對(duì)該設(shè)備測試。在仿真教學(xué)電梯中安裝了故障采集器和各種傳感器，用來模擬真實(shí)的電梯運(yùn)行環(huán)境。圖6為測試程序界面。

進(jìn)行的測試包括如下幾個(gè)方面：

（1） 通信功能測試：保證通信正常，可以建立TCP連接，當(dāng)TCP連接掉線時(shí)，可以重新恢復(fù)連接。

（2） 故障識(shí)別功能測試：模擬各種電梯可能出現(xiàn)的運(yùn)行故障，保證能夠正常識(shí)別出故障，并且將故障信息發(fā)送到主機(jī)。

（3） 電梯傳感器信號(hào)采集功能測試：當(dāng)傳感器信號(hào)變化時(shí)，故障采集器將傳感器信號(hào)發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)端可以實(shí)時(shí)顯示傳感器信號(hào)狀態(tài)。

（4） 參數(shù)設(shè)置功能測試：在主機(jī)端設(shè)置參數(shù)值，觀察故障采集器的參數(shù)是否改變。

6 結(jié) 語

本文使用LM3S6432處理器和RT?Thread實(shí)時(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一款電梯故障信息采集器。按照硬件設(shè)計(jì)制板、調(diào)試發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)硬件運(yùn)行良好。RT?Thread操作系統(tǒng)具有豐富的功能，并且接口簡單，針對(duì)lwIP也進(jìn)行了不少優(yōu)化，網(wǎng)絡(luò)性能較好。LM3S6432結(jié)合RT?Thread可以較好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。

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