基于載波通信技術(shù)的曳引電梯無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

周茗皓

(安徽省特種設(shè)備檢測院電梯檢測二中心,安徽合肥 230051)

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System structure diagram

隨著城市化發(fā)展和社會的不斷進步,房地產(chǎn)行業(yè)得到快速發(fā)展,同時帶動電梯行業(yè)進入高速發(fā)展的時期。據(jù)市場監(jiān)管總局發(fā)布的《關(guān)于2019年全國特種設(shè)備安全狀況的通告》[1]表明,截止2019年底,電梯設(shè)備總量達到709.75萬臺。電梯行業(yè)的高速發(fā)展在給人們生活帶來便利的同時,不可避免的會導(dǎo)致因發(fā)展過快帶來的行業(yè)水平下降的現(xiàn)象出現(xiàn),而現(xiàn)有的運維人員數(shù)量無法滿足電梯的日常維護以及故障處理,近年來電梯事故的發(fā)生越來越引起社會的關(guān)注[2]。2018年發(fā)生電梯事故31起[3],2019年發(fā)生電梯事故33起。為有效解決電梯事故的發(fā)生[4],除了完善規(guī)章制度外,隨著嵌入式開發(fā)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及載波通信技術(shù)等的逐步成熟,本文利用載波通信技術(shù)對曳引電梯的無線監(jiān)測系統(tǒng)進行了設(shè)計與開發(fā)[5]。由于梯井深度的不同,直接無線傳輸信號衰減太大,可靠性較差,對講機等無線通信技術(shù)的局限性較大[6]。利用載波通信技術(shù),可以解決了傳統(tǒng)電梯運行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴},一方面可以在終端隨時了解電梯的詳盡身份信息,另一方面可以對電梯的實時運行狀態(tài)進行監(jiān)控,進行預(yù)警及報警工作,能夠輔助運維人員及時對故障信息做出相應(yīng),加快電梯的異常狀態(tài)修復(fù)工作。

1 電梯無線監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

曳引電梯無線監(jiān)測系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖如圖1所示。發(fā)送部分主要通過微處理器外圍搭建的傳感器檢測電路對電梯狀態(tài)信息進行采集,然后通過KQ-130載波通信模塊將數(shù)據(jù)傳送至接收部分微處理器,最后通過與觸摸屏的互聯(lián)實現(xiàn)人機交互功能。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)搭建完成后,運維人員可以通過觸摸屏了解電梯的實時狀態(tài)信息并進行決策工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于載波通信的曳引電梯無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計是以STM32F103為主芯片,輔以電源電路、傳感器檢測電路、載波通信模塊、顯示模塊等共同組成的[7]。

2.1 微處理器模塊

硬件以單片機STM32F103微處理器為核心進行設(shè)計[8]。STM32F103是基于ARM核心的32位精簡指令集微控制器,額定電壓3.3V,具有計算性能優(yōu)越、能耗低、中斷響應(yīng)快、價格適中等特點,最小電路圖如圖2所示。

2.2 電源模塊

由于STM32F103單片機的工作電壓為2～3.6V,因此需要電源模塊對電壓的輸出進行調(diào)整,本系統(tǒng)采用LN1134A2D芯片將5V電壓調(diào)整至3.3V,電壓調(diào)整電路如圖3所示。

2.3 傳感器模塊

傳感器部分主要負責(zé)檢測電梯在運行過程中轎廂的振動情況,本系統(tǒng)采用ADXL345三軸數(shù)字加速度傳感器來收集X,Y,Z三軸的加速度數(shù)值,應(yīng)用在電梯運動場景中具備分辨率高、靈敏度高、功耗低等優(yōu)勢,非常適合移動設(shè)備的加速度檢測,具體參數(shù)如表1。

表1 ADXL345性能參數(shù)Tab.1 ADXL345 performance parameters

2.4 通信模塊

載波通信技術(shù)被廣泛用于電力線載波,主要面向電力抄表,路燈控制等[9],本系統(tǒng)選擇容易開發(fā)的KQ-130電力載波模塊。KQ-130是采用FSK調(diào)制技術(shù)的單列9針小體積高性能過零載波數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,體積小,載波發(fā)射功率大,抗干擾能力強,支持透傳,傳輸性能穩(wěn)定可靠。載波模塊與單片機連接圖如圖4所示。

2.5 顯示模塊

顯示部分采用深圳優(yōu)信電子科技有限公司生產(chǎn)的7寸觸摸屏作為人機交互模塊,像素為800×480,供電電壓為5V,可通過串口與單片機進行交互。顯示模塊包含對電梯基本信息的顯示、電梯環(huán)境狀態(tài)信息顯示以及故障報警及響應(yīng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

曳引電梯無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計以STM32F103微處理器為控制芯片,外部擴展采集狀態(tài)所需傳感器以及人機交互觸摸屏。控制芯片上電后首先執(zhí)行初始化任務(wù),初始化完成后根據(jù)各傳感器以及I/O口反饋的信息對電梯狀態(tài)進行評估,然后由KQ-130載波通信模塊將電梯環(huán)境狀態(tài)信息發(fā)送至終端,利用人機交互觸摸屏對信息實時顯示,從而實現(xiàn)對曳引電梯狀態(tài)的實時無線監(jiān)測。主程序設(shè)計流程如圖5所示,主程序初始化之后進入循環(huán)。初始化中包括對定時器,外部中斷和串口的初始化,執(zhí)行循環(huán)AD轉(zhuǎn)換,掃描傳感器,發(fā)送數(shù)據(jù)等步驟。

圖2 STM32F103最小系統(tǒng)電路圖Fig.2 STM32F103 minimum system circuit diagram

圖3 電壓調(diào)整模塊電路圖Fig.3 Voltage adjustment module circuit diagram

圖4 載波模塊連接電路圖Fig.4 Carrier module connection circuit diagram

4 結(jié)論

本文設(shè)計的曳引電梯無線監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器、人機交互觸摸屏、KQ-130載波通信模塊以及微處理器實現(xiàn)對曳引電梯狀態(tài)信息的實時監(jiān)測,輔助運維人員決策。實現(xiàn)了以下功能:

(1) 身份信息。系統(tǒng)接收錄入的電梯身份信息,通過人機交互觸摸屏進行顯示。信息包括電梯的型號、生產(chǎn)單位、維修記錄和電梯編號等電梯身份信息。

(2)狀態(tài)信息。當(dāng)電梯出現(xiàn)故障時,故障信息通過KQ-130載波通信模塊發(fā)送到人機交互觸摸屏,輔助運維人員及時進行決策,通過對講機對梯內(nèi)人員進行安撫工作,提醒乘客注意事項。

圖5 主程序設(shè)計流程圖Fig.5 Main program design flow chart

(3)故障響應(yīng)。當(dāng)電梯發(fā)生故障時,運維人員可根據(jù)故障信息實施停車等應(yīng)急工作,對相應(yīng)故障進行實時檢修,有效防止電梯事故的發(fā)生。此階段一切操作結(jié)果將被記錄,做到操作可溯源跟蹤,為以后的電梯安全運行保駕護航。