基于STM32和安卓的電梯狀態檢測裝置設計

陳崢，儲穎君（東南大學 自動化學院，江蘇 南京211189）

基于STM32和安卓的電梯狀態檢測裝置設計

陳崢，儲穎君
（東南大學 自動化學院，江蘇 南京211189）

文中針對目前大部分電梯檢測方案存在的不易操作的問題，提出了一種便捷的基于STM32和安卓的電梯狀態檢測裝置設計方案，并完成系統的軟硬件設計。系統主要由速度、加速度、溫濕度、光強檢測模塊及智能手機組成。各采集模塊完成數據采集與基本處理后，將數據通過藍牙傳給手機軟件。手機軟件分析處理測量數據，按照國標閾值對測量值進行初步分析，再使用層次分析法得到對電梯的總體評分。使用該系統對學校電梯了進行檢測，評分結果與各電梯實際情況相符合，實驗結果表明該系統可以較為準確地評估電梯狀態。

電梯狀態檢測；STM32；安卓；藍牙

隨著電梯制造企業的蓬勃發展及高層建筑的涌現，電梯走進了千家萬戶。近兩年電梯事故有上升趨勢，其安全事故很容易給人們造成恐慌，加強電梯的安全性管理勢在必行。考慮到現在電梯安全的檢測以專業人士定期檢查為主，在檢查期以外意外損壞的電梯很容易引發事故，所以設計一個便攜式的電梯狀態檢測裝置具有重要意義［1］。本文將介紹基于STM32和安卓的電梯狀態檢測裝置。

此系統主要由電梯轎廂速度、加速度檢測模塊、溫濕度檢測模塊、光強檢測模塊以及用于數據存儲、數據處理、數據分析的智能手機組成。它們之間通過藍牙通訊，各參數采集模塊完成基本的數據采集與處理，并將結果通過藍牙傳輸給手機上的應用程序。

1　總體設計

該系統整體框圖如圖1所示。首先選取適當的傳感器以實現對加速度、溫濕度、光強的數據采集，然后完成整體電路的設計和制作，并進行電路調理和測試。完成之后在STM32上編寫MCU軟件完成各傳感器的數據采集功能以及藍牙模塊的通信功能。單片機與手機軟件通過藍牙進行數據傳輸。手機應用程序包括數據存儲、數據處理、數據顯示等功能，能通過分析得到電梯的加速度、速度、水平度、振動［2］等數據，從而可以比較準確地判斷電梯的狀態是否良好。

圖1　系統總體結構圖

2　系統硬件設計

2.1加速度傳感器

除了直接獲取的電梯轎廂加速度，還可以通過加速度傳感器獲取速度、振動等與電梯狀態密切相關的信息。國標GB/ T10058-2009《電梯技術條件》規定電梯起制動加、減速度最大值應不大于1.5 m/s^2；乘客電梯的轎廂運行時，振動的最大峰峰值不應大于 0.30 m/s^2，A95峰峰值不應大于0.20 m/s^2［3］。其中，A95值的定義是在所定義界限內95％的峰值小于等于的數值［4］。MMA8451Q是原飛思卡爾半導體生產的14位精度智能低功耗三軸加速度計，通過設置可達到800 Hz的測量頻率，它可被選擇工作在±2 g/±4 g/±8 g量程下，具有99 μg/Hz的較高的抗噪性能，在本系統測量中有著足夠的量程，采樣頻率也足以分析通常情況下固有頻率為幾十赫茲［5］的乘客電梯，可作為本系統的加速度傳感器使用。

圖2　加速度傳感器電路

MMA8451Q采用I2C總線方式進行通信，還帶有數據采集中斷，使用時十分方便。

2.2光強傳感器

TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程配置的光強傳感器芯片，該芯片使用I2C協議進行通信，由于是數字芯片，只需將數據通信引腳上拉即可與單片機直接連接，該傳感器可以勝任電梯狀態檢測中的光強測量。

2.3溫濕度傳感器

溫濕度不僅影響乘客乘坐電梯的舒適度，電梯故障率、壽命長短同樣與它們有關。據不完全統計，溫度過高或過低可導致電梯故障率增加36％，壽命縮短33％；濕度過高或過低可導致電梯故障率增加41％，壽命縮短52％［6］。本系統采用SENSIRION公司生產的SHT10數字溫濕度傳感器進行溫濕度測量。該傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，內部的14位A/D轉換器采集敏感元件信息后通過類似I2C的兩線制串行通信電路傳輸數據，該芯片引腳只需上拉即可與單片機連接。

2.4微控制器

本系統采用的STM32F103ZET6是意法半導體的一款基于Cortex-M3內核的高性能、低成本、低功耗的32位微控制器。它的內核時鐘頻率可達72 MHz，具有一定的運算能力，內嵌512 kB程序存儲器以及64 kB的RAM，使得系統的開發與后續可能的功能擴展變得容易。同時，STM32F103ZET6內部帶有I2C通信接口，這讓微控制器與系統中使用I2C通信的加速度傳感器、光強傳感器等交換數據時十分方便。

圖3　系統中STM32F103ZET6的引腳分配

如圖3所示，STM32F103ZET6的PB6、PB7作為I2C總線，掛載加速度傳感器MMA8451Q、光強傳感器TSL2561等I2C設備，PB14與PB15用于與溫濕度傳感器SHT10之間的通信，PA9、PA10接至藍牙串口模塊FBT-06上。

2.5藍牙通信模塊

SPP（Serial Port Profile）是藍牙協議的一個重要組成部分，它定義了在兩個藍牙設備間建立虛擬串行連接的方法，在此基礎上，通信雙方可以通過虛擬的串口進行藍牙通信。FBT-06是上海魔科通信技術有限公司生產的一款主從一體的嵌入式近距離藍牙串口通訊模塊，適用于串口近距離透明傳輸無線替代方案，在本系統中被用于數據采集硬件與帶藍牙功能的安卓系統間的無線通信。

3　微控制器系統軟件設計

MCU的軟件流程圖如圖4所示。首先，MCU進行初始化，這包括了它所用IO引腳、I2C模塊、UART模塊與定時器的初始化，以及各傳感器寄存器的配置。然后進入死循環中等待串口中斷的發生，若收到數據校準包請求，則從相關傳感器獲取信息后發送數據校準包，若收到數據測量請求，則開啟定時中斷，定時采集信息并發送。在數據測量的過程中，若收到測量停止請求，則關閉定時中斷，重新等待串口中斷的發生。

圖4　MCU軟件流程圖

由于振動分析需要固定時間間隔采集到的加速度信息，同時還要知道采樣頻率，本系統在傳輸傳感器數據時使用了10 ms的定時中斷，定時中斷中分時間片安排了加速度、光強、溫濕度的采集，最高采樣頻率達到100 Hz，時間片的分配如表1所示。考慮到藍牙串口模塊的性能限制，配置串口為波特率為115 200，在忽略獲取傳感器數據所需時間的前提下，一次定時中斷中最多可發送144字節的數據。為了使MCU與安卓系統間的數據交換有序可靠，本系統定義了固定長度為12字節的數據校準包與34字節數據測量包兩種數據傳輸格式，其中包括了數據包序號、出錯類型、數據類型、數據內容等信息。

表1　定時中斷時間片分配

4　安卓系統軟件設計

安卓軟件的流程圖如圖5所示。

圖5　軟件設計的流程圖

打開藍牙，和電路板的藍牙連接成功后，按下校準按鈕（向單片機發送字符‘c’）開始校準：接收12字節的校準數據包，經過簡單的轉換計算可以得到X，Y，Z 3個方向的靜止加速度值。

校準完成后，按下測量按鈕（向單片機發送字符‘m’），開始測量：接收單片機發送的實時測量數據包，并存入文本文件中。

電梯停下時按停止按鈕（向單片機發送字符‘t’）：停止測量，并處理測量數據包。用梯形法［7］對加速度積分得到速度［8］；用快速傅里葉變換［9］對加速度進行頻譜分析［10］，獲得電梯運行一段時間內的頻譜，便得到以頻譜形式表示的振動信息［11］；用三軸加速度還可以算出傾斜角［12］，它的公式為：

這樣便得到了電梯的加速度，速度，振動，水平度，溫濕度，光強這些直接或間接測量量。畫出加速度，速度，振動信息的曲線圖。

電梯國家標準中有對速度，加速度，振動，水平度的規定［15］：

1）加速度數據：載客電梯起動加速度以及制動加速度最大值均不大于1.5 m/s2。

2）振動：《GB10058-200945電梯技術條件》中規定：“乘客電梯轎廂運行在恒加速度區域內的垂直（Z軸）振動的最大峰峰值不應大于 0.30 m/s2，A95峰峰值不應大于0.20 m/s2。乘客電梯轎廂運行期間水平（X軸和Y軸）振動的最大峰峰值不應大于 0.20 m/s2，A95峰峰值不應大于0.15 m/s2。”其中，A95的含義為在定義的界限范圍內，95％采樣數據的加速度或振動值小于或等于的值。如果只是判斷轎廂振動是否在規定的范圍之內，對振動曲線進行時域分析就夠了。

3）速度：普通電梯主要運行速度低于2.5 m/s，屬于中低速電梯，當前運行的民用電梯大部分速度低于2.5 m/s。

4）水平度：轎廂盤水平度≤2‰，（算出電梯傾斜角度小于0.11度）。

根據國標中的規定對測量值評估：當測量值在閾值范圍內，用電梯檢測人員的經驗以及實驗結論來評分；當測量值超過閾值，電梯有很大的可能出現故障，因此電梯的狀態直接為不合格。

接著使用層次分析法［13-14］評估，方法步驟如下：

1）建立層次結構模型；

2）構造兩兩比較判斷矩陣：對各指標之間進行兩兩對比之后，然后按9分位比率排定各評價指標的相對優劣順序，依次構造出評價指標的判斷矩陣A。

3）使用規范列平均法求各指標的權重：將判斷矩陣A每一列歸一化得到矩陣B；將矩陣B每一行元素的平均值得到一個一列n行的矩陣C；矩陣C即為所求權重向量。

4）用所得的權重乘各自測量值的評分相加得到總評分，將電梯狀態綜合評價的結果轉化為評價等級，得到對電梯狀態的大概評估。

5　實驗應用

將該裝置放在電梯中測量。首先將電路板平放在電梯轎廂中，打開電源，連接好藍牙。在電梯靜止時，按下校準按鈕，等待幾秒之后，在電梯開始上升或下降時按下測量按鈕，電梯運行結束后按下停止按鈕。可以在軟件的“數據顯示”部分查看電梯靜止時的三軸加速度值，電梯溫濕度，光強，在“波形圖顯示”部分可以看到電梯運行時的三軸加速度值以及振動曲線，如圖6所示。從“數據分析”頁面可以看到此次測量的分析結果：各測量值是否超過閾值，電梯是否合格或良好。實驗中將此裝置放在教學樓的一個電梯中測試，評估結果為良好。

圖6　加速度波形圖

6　結　論

該電梯狀態檢測裝置系統，硬件基于STM32，軟件為手機安卓app，兩者通過藍牙通訊，它將便攜式設備和手機結合起來，很方便測量。并且通過實驗測試，此裝置能比較準確地判斷電梯的狀態是否良好，具有實用價值。

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Design of elevator condition evaluating device based on STM32 and Android

CHEN Zheng，CHU Ying-jun
（College of Automation，Southeast University，Nanjing 211189，China）

In this paper，we design an elevator condition evaluating device based on STM32 and Android in order to make elevator condition evaluation more convenient.We complete the design of hardware and software in this system，which consist of speed，acceleration，temperature，humidity and light intensity detection module as well as a smartphone.Sensors collect the corresponding data，and then it was transmitted to a smartphone using Bluetooth.After that，the application in smartphone analyses those measured data according to the national standard of China.And the score of the elevator condition was calculated using Analytic Hierarchy Process.During the experiment，we tested elevators in our school.The results were in accordance with the ground truth，which shows that this system can assess the condition of the elevator accurately.

elevator condition evaluation；STM32；Android；bluetooth

TN98

A

1674－6236（2016）11-0130-04

2016-02-16稿件編號：201602043

國家級實踐創新項目（1510286048）；東南大學創新創業訓練計劃項目（15082014）

陳 崢（1995—），男，浙江溫州人。研究方向：嵌入式系統開發與應用。