基于智能樓宇的電梯限速器檢測系統的設計開發*

劉 莉，陳志軍，王云青

（新疆大學 電氣工程學院，新疆 烏魯木齊830008）

近年來，電子技術（尤其是計算機技術）和網絡通信技術的發展使社會高度信息化。在建筑物內部，應用信息技術、古老的建筑技術和現代的高科技相結合，于是產生“樓宇智能化”。樓宇智能化的實質是在信息技術系統的平臺上把需求目標、應用功能與系統相關各個要素緊密地整合在一起，以達到智能化和整體目標。和普通建筑相比，智能化樓宇的優越性體現在以下幾個方面：具有良好的信息接收和反應能力，提高工作效率；提高建筑物的安全性、舒適度和高效便捷性；具有良好的節能效果；節省設備運行維護費用；滿足用戶對不同環境功能的需求；高新技術的運用能大大提高工作效率。

運輸系統在智能化樓宇中處于重要地位，而電梯系統是建筑物運輸系統的核心，換句話說，電梯系統的品質是組成樓宇智能化的關鍵要素。電梯的安全使用、電梯參數的獲取和及時調整是評定電梯系統品質的關鍵。電梯限速器是保證電梯安全運行的重要保護裝置之一,限速器的校驗及定期的檢測維護直接影響電梯的安全使用。電梯遠程監控系統可以通過通信線路獲取電梯參數，在監控中心進行數據實時存儲、在線分析、在線干預與監控，減少了維修服務的成本和時間，使得智能化樓宇更具人性化。

本文以樓宇智能化為背景，基于電梯遠程監控系統，設計了以STC89系列單片機為核心的智能型便攜式電梯限速器檢測系統。該檢測系統運用光電編碼器檢測電梯牽引繩的線速度，利用LCD顯示測量速度，可通過RS232口與ZigBee數據終端連接，經GPRS模塊將測量數據傳至遠程監控中心進行數據的存儲和分析，實現了電梯系統檢測智能化。

1 總體設計

電梯是智能樓宇中的垂直交通工具，可在轎廂內安裝溫度、濕度、壓力等各類傳感器，數據經ZigBee無線網絡接收、處理后可本地顯示，亦可通過GPRS模塊在遠程監控，以了解電梯的運行狀態。同時，監控中心可發送控制命令，經GPRS模塊及無線傳輸網絡驅動執行器完成相應功能。本文通過設計便攜式限速器檢測儀獲取限速器機械動作值，數據通過RS232傳至ZigBee無線網絡，再經GPRS模塊傳至遠程監控中心顯示，實現遠程監視限速器的校驗結果，保障電梯安全運行。系統總體結構如圖1所示。

（1）ZigBee技術

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術。ZigBee網絡主要是為工業現場自動化控制數據傳輸而建立,用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據的傳輸，傳輸距離在幾百米左右，因此，正適合在智能電梯的監控中應用。

ZigBee數據終端和ZigBee協調器均采用TI公司的CC2430芯片。CC2430是首款符合ZigBee標準的2.4 GHz系統單芯片，在單個芯片上整合了ZigBee射頻收發器、內存和微控制器，其增強的8051MCU是標準8051核性能的8倍。

（2）GPRS 技術

GPRS（General Packet Radio Service）即通用無線分組業務，是一種基于GSM無線系統的無線分組交換技術,提供終端到終端,或者終端和互聯網之間的無線IP連接。GPRS是一項高速無線數據傳送技術,數據以“分組”的形式通過GSM系統的空中信道傳送，不需要利用電路交換模式的網絡資源。因此,GPRS網絡的電梯遠程監控系統采用無線傳播媒質，擺脫了線纜的約束，不受活動區域的限制，在一定范圍內可以任意變換位置，很方便地實現遠程監控。

GPRS模塊采用西門子公司的MC35i。MC35i是新一代無線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實現系統方案中的數據、語音傳輸和短消息、傳真服務。該模塊采用GPRS分時復用的CLASS 8標準，具有始終在線的功能且理論上傳輸速率最高可達171.2 kb/s，通信傳輸時延較小，最長不超過3 s。GPRS模塊通過UART與ZigBee協調器連接。

GPRS網絡改變了傳統無線傳感器網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，使網絡具有非常顯著的優點：

（1）利用ZigBee技術優勢組建無線傳感器網絡數據傳輸網，可以按照區域布置不同的匯接點，此匯接點即ZigBee協調器；

（2）遠程監控中心通過 GPRS模塊與 ZigBee網絡實現遠程通信，通過 GPRS網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。

2 限速器檢測系統的設計

電梯作為特種設備受到質量技術監督部門的強制管理與檢測，其中限速器是電梯運行安全保護的重要部件之一，正是因為有了“限速器—安全鉗—緩沖阻尼器”的連鎖控制措施，才使得電梯成為較其他交通工具更為安全的垂直運輸工具，因此限速器動作速度的現場測量是安全檢測的必檢項目。

本文結合升降電梯限速器的安全檢測要求，設計了限速器檢測系統。硬件電路以STC89C51單片機為核心，運用光電編碼器檢測電梯牽引繩的線速度，利用LCD顯示器顯示測量速度，同時具有RS232串口電路和實時時鐘電路；通過軟件實現頻壓轉化及相關運算，并使CPU循環地掃描鍵盤，接收操作人員指令，完成數據顯示等相應功能。

2.1 系統硬件設計

系統硬件電路的設計[1-2]主要包括作為控制部分的STC89系列單片機、速度采集電路、時鐘電路、通信電路、鍵盤電路和LCD顯示電路。系統硬件電路圖如圖2所示。

2.1.1 單片機選型

本設計選用STC89C51單片機,它是一款超強抗干擾、高速、低功耗的單片機,12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期任意選擇，指令代碼完全兼容8051單片機。此系列單片機內置E2PROM模塊，掉電數據不丟失，能有效地保存測試數據；獨立看門狗電路保證系統穩定運行；具有在系統可編程ISP（In-System Program）和在應用可編程IAP（In-Apply Program）功能，無需專用編程器和仿真器[3]。

2.1.2 電源電路

便攜式儀器是低功耗儀器，要求電源模塊的轉換效率高且需提供常見的電壓。本設計中，STC89系列單片機、液晶顯示器、實時時鐘芯片等都需5 V電源供電，故選用了MAX1678芯片。它是一款低噪聲、轉換效率高達90%的DC-DC升壓芯片，具有自身功耗小、輸出功率大、輸出電壓穩定等特點。工作原理如圖3所示[4]。

MAX1678輸出電壓由式(1)確定，其中R2在100 kΩ～1 MΩ 之間，VREF=1.23 V。

本設計中，選擇 R1=500 kΩ，R2=100 kΩ，使得 VOUT=5 V，保證各模塊穩定工作。

2.1.3 速度采集電路

(1)選型

本設計選用增量式光電編碼器作為速度傳感器，具有結構簡單、計量精度高、抗干擾能力強等優點。

設計要求光電編碼器測量電梯限速器牽引繩的最大線速度達10 m/s，故由線速度的反推式（2），可確定選擇光電編碼器的脈沖數為1 024 p/r。

其中f為光電編碼器脈沖數，T為定時時間，F為定時時間內測得的脈沖個數，D為測試工作頭直徑。

(2)轉速測量電路

轉速測量電路由光電編碼器及脈沖整形電路組成，如圖4所示。

脈沖整形電路由74HC14芯片構成。74HC14是六反相施密特觸發器，能將一個不規則的或者在傳送過程中受干擾而變換的波形整形成理想的矩形波。

采用M測速法[5]，即在一定的采樣時間內測出光電編碼器的脈沖數F，脈沖數除以編碼盤的孔數1 024再除以定時時間T就是電機的轉速Vr：

2.2 系統軟件設計

系統軟件設計主要包括主程序設計、速度采集子模塊程序設計、按鍵處理子模塊程序設計和顯示子模塊程序設計等。主程序主要完成器件的初始化，并判斷有無按鍵按下，并根據判斷的結果調用相應的子模塊程序；速度采集子模塊程序完成數據采集、處理和保存；按鍵處理子模塊程序完成按鍵的功能；顯示子模塊程序把子模塊儲存的數據送去顯示。

2.2.1 主程序設計

主程序完成器件的初始化和子模塊的調用。主程序的流程圖如圖5所示。

2.2.2 速度采集程序設計

本設計目的在于利用光電編碼器采集脈沖數，存入單片機后進行頻壓轉換，最終保存數據并通過LCD顯示。故脈沖采集是本設計的關鍵，頻壓轉換是重點,設計思路如下：

(1)脈沖采集。Timer0 為定時器，Counter1為計數器。假設定時10 ms，最大計數值為30(光電編碼器的頻率為1 024個脈沖/s)。在Counter1的中斷程序中開啟Timer0，同時定時和計數以提高精度。當定時器產生中斷時，從 TH1、TL1取出脈沖數，判斷是否超過限定的最大值，以去除干擾；若沒超過再判斷是否大于上次采樣最大值，因為只需保留檢測過程中的最大值。將最大值存儲，重裝初值，繼續采樣。流程圖如圖6所示。

(2)頻壓轉換。脈沖數采集后已存入緩存區中，轉化前要先計算出存放地址。例如，組數為2，保存數據首地址為53H,每組數據占兩個字節，則存放數據高位的地址為53+2×2=57H，低位地址為58H。找到地址后，取出數據置于寄存器R6、R7中，按式(3)計算出速度值，將結果轉換為 ASCII碼，送入顯示緩沖區等待顯示。流程圖如圖7所示。

3 功能測試

本文重點論述限速器檢測系統的設計開發，故只用智能檢測部分與標準型測試儀在現場進行測試比對，測試其精確度，而并未進行數據的傳輸測試。用測試數據做誤差曲線如圖8所示。

由上述數據可看出，本系統和標準測試儀相比誤差很小，最大誤差為0.03 m/s左右。分析誤差的原因：

(1)電梯限速器類型影響；

(2)光電編碼器工作軸長度影響。

因此必須針對不同類型的電梯限速器，進行大量的測試以確定合適的參數。光電編碼器工作軸過長會導致轉動時的振動大，誤差增大；若過短又會造成操作人員手持時的不安全因素。硬件調試后，可進一步優化軟件以減小誤差：外部時鐘頻率降一半,6T模式可有效地降低單片機時鐘對外界的干擾；單片機內部時鐘振蕩器增益設為1/2 gain，可以有效地降低單片機時鐘高頻部分對外界的輻射；指令冗余[6]抑制程序彈飛。程序中可改變的參數有檢測輪直徑d、定時時間 t和計數個數 n（脈沖頻率f=n/t，一般不做改動）。

通過反復現場測量，不斷地修改參數，該限速器檢測系統已達到檢測精度 (測量范圍：0.5 m/s～12 m/s，準確度：﹤±0.5%)要求，現應用于現場檢測。

隨著電梯技術的開發研究，高效、高速、智能化控制的電梯一定會提供優質良好的服務。實踐表明，電梯遠程監控系統作為電梯企業進行技術服務及市場競爭的重要手段，已經從幕后走向了前臺，因此對于本文論述的基于智能儀表檢測，無線傳感網絡依托有線公共網絡進行數據傳輸的遠程監控網絡的研究具有重要意義。

[1]張毅剛,彭喜源,譚曉昀.MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社,1997.

[2]徐建軍.MCS-51系列單片機應用及接口技術[M].北京：人民郵電出版社,2003.

[3]宏晶科技.STC89C51RC/RD+系列單片機器件手冊[J/OL].(2006-04-30).http：//www.MCU-Memory.com.

[4]焦敬品,張強.便攜式粉塵測試儀的研制[J].儀表技術與傳感器，2009(4)：29.

[5]王朕,劉學峰,劉陵順.基于AT89C51的電機轉速測量儀的設計與實現[J].四川兵工學報，2009，30(5)：19-21.

[6]滕召勝.便攜式智能儀器通用低功耗單片機系統設計[J].計算機工程與應用，2000，36(4)：84.