基于藍牙的電梯無線調試系統研究

胡 軍 ，趙國軍 ，景 程 ，王一蒙

(1．浙江長征職業技術學院實訓中心，浙江杭州310023;2．浙江工業大學機械工程學院，浙江杭州310023;3．哈爾濱師范大學物理與電子工程學院，黑龍江哈爾濱150025)

0 引 言

傳統電梯調試著重于機房，在電梯平層和運行曲線等調試過程中，需要較長的調試周期，且通常需要兩個調試人員之間的密切配合，一個在轎廂里判斷電梯平層和運行是否正常，另一個在機房修改電梯參數［1］。本研究設計的電梯無線調試系統應用了藍牙通訊技術，Android 手機技術和微處理器技術。與傳統的電梯調試方法相比，該系統使用Android 手機遠程調試電梯，使得調試過程直觀，降低了調試人員的工作量，并縮短了電梯調試周期。本研究所述藍牙無線模塊是嵌入在電梯轎廂控制器上的，調試人員在電梯轎廂內就可以調整電梯轎廂參數，實時調試的結果在Android 手機就能夠觀察到。

該系統選用奔克公司(B?HNKE +PARTNER)生產的BP304 電梯主控制器作為實驗平臺。BP304 控制系統能夠支持最多64 層，8 臺電梯群控并支持調試。

1 系統結構

電梯無線調試系統結構如圖1 所示。

圖1 電梯無線調試系統結構示意圖

電梯無線調試系統包括兩個控制器:電梯主控制器和電梯轎廂控制器。電梯主控制器位于電梯控制機房的控制柜中，能夠與藍牙連接的電梯轎廂控制器位于電梯轎廂的頂部。電梯轎廂控制器通過SP2(RS485模塊)向電梯主控制器傳送電梯轎廂數據，通過SP1(RS422 模塊)向電梯主控制器傳送無線調試數據［2］。在Android 手機與電梯轎廂控制器完成無線調試連接后，電梯轎廂控制器將電梯主控制器發來的數據發送給Android 手機。如果沒有操作命令，電梯主控制器就向Android 手機定期傳送電梯運行狀態信息，該信息以可視化動態手機界面顯示。當調試人員運行Android 手機上的調試應用程序時，調試信息實時發送到電梯主控制器。電梯無線調試系統由兩部分組成:電梯轎廂控制器和Android 手機中的調試應用軟件。

2 轎廂控制器設計

該設計對僅具有基本的I/O 操作的功能的原始電梯轎廂控制器硬件進行重新設計，并增加無線調試功能。電梯轎廂控制器的硬件結構如圖2 所示。

圖2 電梯轎廂控制器的硬件結構示意圖

電梯轎廂控制器的主芯片是STMicroelectronics(ST)［3］公司設計的32 位處理器STM32F107，芯片引腳LQFP64 封裝，采用ARM Cortex-M3 內核，提供5 個UART、3 個SPI 接口、USB(OTG)接口和256 K ROM，內部還集成有以太網10/100 MAC 模塊［4］。

電梯轎廂控制器由SP2 接口將電梯轎廂和安全回路電路等數據發送給電梯主控制器，并通過SP1 接口將無線調試數據發送給電梯主控制器。安裝電梯轎廂控制器之前，先將藍牙無線模塊嵌入在電梯轎廂控制器上，實物如圖3 所示，然后進行安裝。如果沒有操作，根據電梯主控制器通過SP1 和SP2 傳來的數據，電梯轎廂控制器驅動繼電器輸出或通過藍牙定期發送電梯的運行信息到Android 手機上。當調試人員運行Android 手機上的調試應用程序時，調試信息通過藍牙實時發送到電梯轎廂控制器，再由電梯轎廂控制器通過SP1 接口發送給電梯主控制器。

圖3 電梯轎廂控制器實物圖

藍牙芯片采用英國CSR 公司的BlueCore4-Ext 芯片，遵循V2． 1 + EDR 藍牙規范。CSR 公司Blue Core?系列是世界上最流行的消費電子設備解決方案，能夠實現最低的功耗。BlueCore4-Ext 芯片支持UART、USB、SPI 等接口，支持SPP 藍牙串口協議，具有成本低、體積小、功耗低、收發靈敏性高等優點，只需配備少量的外圍元件就能實現其強大功能。此外，它具有最理想的射頻性能，并且目前仍然是唯一的一個開放式DSP 內核。

藍牙技術要求每對藍牙通信設備必須有一個主設備和一個從設備，且由主端進行查找，發起配對［5］。建立通信鏈路之后，雙方都可以發送和接收數據。電梯轎廂端的藍牙設定為從設備并命名為ELEVATOR ONE，以便與其它藍牙設備區分開來。該芯片采用3．3 V電源供電，波特率設置為38 400，數據位8 位，無奇偶校驗，無停止位。藍牙無線調試通信的硬件結構框圖如圖4 所示。

圖4 藍牙無線調試通信的硬件結構框圖

3 調試應用程序設計

運行在Android 手機上的調試應用程序用例圖如圖5 所示。應用程序主要包括3 個組成部分:登錄模塊，藍牙連接模塊和調試模塊。登錄模塊用于注冊、登錄和密碼找回。用戶初次使用該系統時需要注冊個人賬戶。如果用戶忘記密碼，密碼找回功能能夠在用戶提供賬戶名和E-mail 地址后重置密碼。本研究重點介紹藍牙連接模塊和調試模塊。

圖5 調試應用程序的用例圖

3．1 藍牙連接模塊

藍牙連接模塊負責開啟、掃描藍牙設備以連接嵌入在轎廂控制器上的藍牙模塊，藍牙連接流程圖如圖6 所示。主要細節說明如下:

(1)界面左上角有一個“退出”按鈕，用來退出當前界面，返回登錄界面，需重新登錄才能再次進入藍牙連接界面;

圖6 藍牙連接模塊流程圖

(2)將搜索到的藍牙設備加入設備列表;

(3)當手機藍牙與智能轎廂控制器連接上后，采用進度條表示無線操作電梯軟件與智能轎廂控制器的建立連接過程。

本研究在設計中調用Android Bluetooth API。在藍牙連接模塊中，BluetoothAdapter 類的startDiscovery()方法可以執行一個異步方式查找發現周邊的藍牙設備，BluetoothDevice 類的getBondedDevices()方法用來獲取、綁定已經配對的設備，并添加到設備列表中。整個掃描過程最長可能達到12 s，包括搜索獲得新的掃描設備并綁定設備［6］。在BP304 的藍牙模塊連接之后，程序應該調用cancelDiscovery()方法來取消設備發現以減少資源的浪費。配對轎廂控制器的藍牙設備成功后，Android 手機與轎廂控制器的藍牙設備建立RFCOMM 連接，然后該程序由BluetoothDevice 類對象創建BluetoothSocket 并且初始化連接。如果成功建立連接，系統會顯示連接的所有詳細信息，否則系統會彈出一個AlertDialog 來提醒用戶存在什么問題。

藍牙連接界面如圖7、圖8 所示。

圖7 藍牙連接效果圖

圖8 藍牙連接效果圖

3．2 調試模塊

調試界面用例圖如圖9 所示。用戶在調試界面可選擇進入3 個子界面:一個是連接BP304 界面，可與電梯主控制器BP304 進行調試連接，一個是菜單界面，可通過操作菜單進行電梯調試，最后一個是電梯運行信息界面，可查看電梯運行狀態。

圖9 調試界面用例圖

調試連接是電梯無線調試模塊與電梯主控制器之間的連接，本研究采用停止等待協議［7］以保證通訊的穩定性，停止等待協議示意如圖10 所示。停止等待協議執行兩個基本機制:確認和超時。在通信期間，電梯主控制器作為服務器而Android 手機作為客戶端。發送數據后，發送者一直等待，直到接收到ACK 幀。一旦電梯主控制器和Android 手機的連接建立，數據通信就會進入更新階段。在這個階段，電梯參數(如電梯的運行、門開關)的任何改變將被發送到客戶端。

圖10 停止等待協議示意圖

操作菜單的界面如圖11 所示。它包括兩部分:模擬LCD 和模擬菜單按鈕。模擬LCD 顯示當前電梯的調試狀態。在圖11 模擬LCD 中“No entry”即為不存在故障，電梯運行正常。

圖11 操作菜單界面

模擬菜單有4 個按鈕，分別命名為返回按鈕、后退按鈕、前進按鈕和CR 按鈕。返回按鈕的功能是返回到初始菜單，后退按鈕的功能是使光標后退，前進按鈕的功能是使光標前進，CR 按鈕的功能進入相應的菜單。如果用戶需要轎廂呼叫，只需要進入轎廂內呼界面通過操作4 個按鈕進行呼叫。轎廂呼叫操作的界面如圖12 所示。

圖12 轎廂呼叫操作界面

電梯運行信息界面包括運行狀態、動態數據和電梯狀態。運行狀態界面顯示電梯的實時運行狀態;動態數據界面顯示電梯的運行時間和當前時間等動態數據;電梯狀態界面顯示實時電梯數據，如安全回路和門的狀態。電梯運行狀態界面使用模擬電梯井如圖13所示。如果電梯的當前狀態是停在5 樓而且電梯門是打開的，用戶能夠在Android 手機上看到模擬轎廂相同的狀態。電梯運行狀態界面使得調試的結果可視化。

圖13 電梯運行狀態界面

4 實驗測試分析

藍牙的連接有效范圍通常在10 m 以內，通過延伸(提高發射功率等方法)連接距離能夠達到100 m。理論上，藍牙的單個信道可以支持的1 Mb/s 的傳輸速率，但實際上的最大傳輸速率為721 Kbits/s［8］。電梯轎廂控制器位于電梯轎廂的頂部，但在電梯轎廂并不是完全密封的。因此，根據藍牙的通信距離，在理論上調試人員在轎廂內使用Android 手機的藍牙程序調試電梯是可行的。因為在實際的井道中存在干擾，為了確保信號的強度，無線模塊需要使用高增益天線。在“GB/ T7588—2003 電梯制造與安裝安全規范”中規定:轎廂內部凈高不少于2 m［9］。筆者在BP304 電梯控制系統實驗平臺上對無線調試系統進行了測試，當該電梯無線調試系統在高度為2 m 的試驗塔中進行測試時，電梯無線調試系統工作良好，調試人員能夠在轎廂內通過手機調試電梯，電梯調試軟件的操作方便并且調試結果可視。當Android 手機發送調試信息時，電梯的反應時間為25 ms～50 ms，滿足電梯運行狀態要求［10-11］。

5 結束語

本研究提出的基于藍牙的電梯無線調試系統具有成本低、可靠性強、靈活性高等優點，其采用調試人員的隨身物品手機作為電梯調試工具，調試結果可以直觀地在手機上察看。這不僅為電梯調試人員提供了方便，而且降低了電梯調試工具的開發成本。將Android技術與藍牙技術引入到電梯調試領域，使得電梯調試系統朝著物聯網的方向又邁進了一步。

下一步研究工作是進一步提高系統的穩定性和抗干擾能力，即使電梯無線調試系統在試驗塔中經過多次測試是成功的，但要應用到實際中還需要考慮到各種復雜的環境因素和意想不到的狀況。另外將云計算技術應用到電梯調試系統中，實現基于云的電梯轎廂參數上傳下載功能，方便調試人員調用調試歷史記錄，進一步加快調試周期。

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［2］張 俊，趙國軍，魏君燕，等．ZigBee 無線通信在電梯轎廂控制系統中的應用［J］． 機電工程，2012，29(9):1065-1068，1079．

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