基于空間占用率判定的智能電梯控制系統設計*

張安莉，謝 檬，石卓勇

（西安交通大學城市學院，陜西 西安 710018）

0 引言

電梯在當代家居生活中承擔著人流和物流運送的任務。自20 世紀80 年代以來，隨著經濟建設的快速發展，中國對電梯的需求量呈快速上升趨勢，目前，中國已成為世界上最大的電梯市場，電梯運行能效指標變得及其重要[1-6]。

在實際的電梯系統運行中，經常遇到電梯內部裝有的貨物已經占滿電梯空間，但在外部請求控制下，若質量未達到閾值，電梯還會開門的情況。該現象使電梯的能效指標下降，不利于節能[7]。本文針對這一問題，對電梯控制系統進行了優化設計。系統下位機利用光敏傳感器模塊對電梯內部占用空間進行測量。通過單片機采集光傳感器模塊光線被遮擋后輸出的低電平個數，計算空間占有率，當達到電梯飽和的體積占有率閾值時，電梯控制系統不再受到外界請求信號進行開門控制，解決了傳統電梯控制系統因無法判定電梯內部空間被占滿而產生的門控無效打開問題。

為了實時監測智能電梯的運行情況，系統采用Lab-VIEW 搭建上位機，實時監測電梯運行。上位機實時顯示空間占用率、當前電梯所在樓層以及占用率波形圖；同時，對故障報警進行記錄，具有歷史數據查詢功能[8-9]。

相較于傳統的電梯控制系統而言，本系統更加節能環保，更加便于集中化管理，穩定性和便捷性更高。

1 系統硬件電路設計

電梯控制系統結構框圖如圖1 所示。系統由6 個功能單元組成，分別為STM32f103 CPU 單元、電梯內部狀態顯示單元、電梯內部鍵盤操作單元、電梯外部按鍵操作單元、體積占用率檢測單元、步進電機和LabVIEW 上位機[9]。

圖1 系統功能框圖

1.1 STM32F103 CPU 單元

單片機最小系統包括STM32F103 主控芯片、晶振時鐘電路、復位電路和電源電路。

STM32f103 CPU 單元進行信息的處理和獲取，根據電梯調度算法，控制步進電機運行，實現電梯的升降和呼叫樓層的停泊。用戶按下上行呼叫按鍵或下行呼叫按鍵呼叫電梯，CPU 通過對電梯內部體積檢測單元檢測到的數據進行體積占用率計算，控制電梯是否在呼叫層停泊。

1.2 電梯內部體積檢測單元電路

電梯內部空間占有率檢測單元由光敏傳感器模塊電路和體積占有率測量電路組成。光敏傳感器模塊電路如圖2 所示。若干此光敏傳感器，通過CPU 對低電平進行統計，若計數達到閾值時，單片機輸出高電平，判定電梯體積占用達到飽和；否則，輸出低電平，判定電梯體積未達飽和。

圖2 光敏傳感器電路原理圖

1.3 電梯內、外部按鍵操作單元電路

電梯內部按鍵操作單元用于給處于電梯內部的用戶提供一個可操作的界面。該單元主要由按鈕開關組成，用于捕獲用戶的操作。用戶通過按鍵選擇目的樓層，并控制電梯的啟動、停止和報警。

電梯外部按鍵操作單元用于給電梯外的用戶提供操作接口，等待乘坐電梯的乘客通過按下呼叫按鍵（分為上行和下行兩種）對電梯進行呼叫，電梯通過電梯調度算法響應用戶的呼叫。電梯外部按鍵操作單元與電梯內部顯示單元并聯，實現內部顯示與外部按鍵操作的實時同步[10]。

1.4 電梯內部顯示單元電路

電梯狀態顯示單元用于給乘客提供電梯的運行狀態信息，以便用戶進行狀態觀測，及時發現故障信息。7段共陽數碼管用于接收單片機P0.0～P0.3 口的輸出信號，并根據信號來顯示相應的數字。蜂鳴器用于發出報警聲音，3 個不同顏色的發光二極管分別被用于標記電梯的上行或下行狀態，以及報警狀態。

1.5 電梯內部顯示單元電路

步進電機負責電梯的升降，是電梯的動力部分。步進電機是將電脈沖信號轉換成相應的角位移或線位移的電動機，由外部信號控制并驅動功率脈沖信號輸出。每個脈沖信號使步進電機轉動一定固定的角度，判定為旋轉的總角度時，脈沖頻率決定電機的旋轉速度，改變電機繞組通電可以改變旋轉方向的順序。

2 系統軟件設計

光敏傳感器根據光敏電阻不同光照呈現不同的阻值的變阻特性，當電梯內部空間被物體占滿時，其光照會被遮擋，從而使光敏電阻LDR 呈現高阻性，電路輸出低電平；反之，電路輸出高電平。將電梯橋箱的底部鋪設

2.1 系統總程序設計

基于空間占有率判定的智能電梯控制系統程序流程圖如圖3 所示。程序初始化后，當外部按鍵被掃描到按下時，如果電梯不在當前層，則馬上響應并運轉，否則仍然停在當前層。當內部按鍵按下時，需再次按下啟動鍵，相當于實際中的“關門”，此時，電梯以內部按鍵按下的樓層為目標層運行。在電機運轉循環中，也增加了內外按鍵的掃描，以使電梯運行時能接受請求。同時，在運行過程中，對體積占有率進行檢測，當體積不滿足搭乘條件時，對外部請求不予響應。

圖3 系統總程序流程圖

2.2 系統前面板設計

智能電梯控制及檢測系統上位機前面板采用儀表盤顯示空間占有率程度，數字顯示具體占有率數值。數據庫表格用于記錄歷史數據，并以波形圖的形式顯示電梯空間占有率。系統前面板程序流程圖如圖4 所示。

圖4 前面板程序流程圖

3 系統測試及結果分析

完成仿真程序設計與無線連接后，將相對應的端口接入上位機軟件面板，打開軟件界面，串口會顯示所連接端口，選擇創建的COM 端口即可完成無線連接[11]。接著完成參數設置，并進行測試。

3.1 下位機測試

基于Protus 仿真平臺進行下位機仿真測試[11]。由開關模擬光傳感器輸送給電梯系統的檢測信號，通過單片機處理后從P1.0 口輸送信號給PB7 口，控制電梯是否收到外部請求中斷信號。當電梯內部體積檢測超過12 個低電平時，P1.0 口向PB7 口持續輸送低電平，電梯不受外部中斷信號控制；反之，電梯受外部中斷信號控制，進行正常運行。假設初始行程1 的電梯起始樓層為1 層，目標樓層為4F，電梯內部容積未占滿，2F 有下行請求信號，對電梯進行測試。電梯運行情況統計表如表1 所示。

表1 電梯運行情況統計表

測試結果表明，當電梯內部體積占有率未達到閾值時，電梯對外部請求予以開門響應；當電梯內部體積占有率超過閾值時，電梯對外部請求不予開門響應,功能滿足設計要求。

3.2 上位機功能測試

采用LabVIEW 搭建系統上位機，進行智能電梯控制系統之無線傳輸智能電梯監測系統的功能測試[12]。設定電梯空間占有率閾值為0.8，設置無線傳輸系統配置模塊，進行系統聯調測試。

系統前面板如圖5 所示，設置了當前所在樓層顯示、實時空間占用率數據呈現、電梯占用率儀表盤、超閾值告警和歷史占用率波形圖等功能。圖5（a）為空間占用率低于閾值時的系統面板，當前測試電梯處于2F，空間占用率為0.42，電梯正常運行；圖5（b）為空間占用率高于閾值時的系統面板，當前測試電梯處于4F，空間占用率為0.92，告警燈亮起。

圖5 系統前面板

測試數據及結果表明，系統能夠準確傳輸無線傳輸下位機數據，實時顯示當前樓層和空間占用率，并繪制空間占用率波形。

3.3 系統聯調功能測試

為了驗證系統測試的準確性，進行系統聯調功能測試。將上位機與下位機進行無線藍牙連接，無線藍牙選用H05芯片，通信協議為TCP/IP 協議，波特率為115 200 b/s[13]。通過讀取LabVIEW 歷史數據觀測下位機運行狀況，進行共計25 次的測試。測試結果表明，系統可對超過空間占有率閾值的運行予以顯示并報警，下位機此時對外部請求不予響應。

調用LabVIEW 歷史數據，利用MATLAB 繪制空間占用率波形圖，如圖6 所示。可見，LabVIEW 前面板空間占用率波形圖與系統前面板空間占用率波形一致，表明系統功能正常，數據傳輸準確無誤。

圖6 電梯空間占用率波形圖

為了驗證系統的實際可行性與準確度，在西安交大城市學院行政樓的一部電梯中進行了電梯空間占用率的測試。傳感器采用自研光敏傳感器模塊，單片機采用STM32F103，無線傳輸采用H05 無線模塊，上位機采用LabVIEW 搭建。對底面積為2.15 m2的電梯每20 cm鋪設一個光敏傳感器，共均勻鋪設了9×6 個光敏傳感器，用面積分別為2 m2和0.6 m2的兩塊遮擋板采用隨機擺放遮擋光線的方法進行測試，各采樣10 個采樣點。統計如表2 所示。

表2 空間占用率測試統計表

相對誤差的計算公式如下：

式中，Y為相對誤差值，Xa為標準值，Xb為測量值。可得，空間占用率相對誤差為0%～7.41%。對數據進行擬合，繪制空間占有率曲線[14]。擬合方程分別為S1和S2，空間占有率曲線圖如圖7 所示。

圖7 空間占用率實測曲線圖

擬合方程S1和S2分別為：

擬合后的數據進行相對誤差計算，可得測量1 的平均相對誤差為0.03%，測量2 的平均相對誤差為0.05%。將檢測算法進行優化，代入擬合方程式后，其測量精度可得到明顯改善。

4 結論

本文所設計的基于空間占有率判定的智能電梯控制系統下位機采用STM32F103 單片機作為主控芯片，通過光敏傳感器測試空間占有率，根據占有率閾值判定外部請求開門操作，解決了電梯無效開門的問題；上位機通過無線傳輸與下位機進行通信，上位機面板設計采用LabVIEW 圖形編程方式，用指針和曲線形象地表示了空間占有率數據實時曲線[15]。同時，實現實時數值顯示、故障報警記錄等功能。經測試，系統可實現對空間占有率的檢測、電梯運行數據的實時采集及顯示，并可依此進行電梯智能控制。相較于傳統的電梯控制系統，本系統更加節能環保，更加智能，更加便于系統化、集中化管理。