基于LM3S6432的電梯故障采集器設計

李小康　范延濱

摘 要： 針對電梯老齡化導致的電梯安全隱患問題，設計了一款電梯故障信息采集器。采集器基于LM3S6432處理器和RT?Thread操作系統設計，詳細分析了系統的硬件設計和軟件設計。軟件設計包括傳感器信號采集、電梯主狀態生成、電梯故障判別和信息傳輸幾個模塊。經過現場測試，該設備運行良好。

關鍵詞： 電梯故障； 電梯遠程監控； lwIP； LM3S6432； RT?Thread

中圖分類號： TN710?34； TP274+.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）05?0110?04

0 引 言

電梯是高層建筑必不可少的組成部分，是與人們生活密切相關的垂直交通工具，然而，電梯老化的數量在逐年增加。大量缺乏安全保養的電梯每天不停的運轉，存在極大的安全隱患，電梯故障造成的事故呈高發態勢[1]。在這種背景下，國家質量監督檢驗總局與2009年發布了兩個新標準《電梯遠程報警系統》[2]及《電梯、自動扶梯和自動人行道數據監視和記錄規范》[3]，全國各地利用物聯網技術建設電梯遠程監控系統[4]，通過為電梯安裝多種傳感器和數據采集終端設備，實現對電梯運行狀態的實時監控和統計分析。

電梯遠程監控系統中都有一個專門用來采集電梯信息的電梯故障采集器。本文基于TI公司的LM3S6432處理器和RT?Thread[5]實時系統，設計了一個電梯故障信息采集器。

1 電梯遠程監控系統

圖1給出了一個電梯遠程監控系統的結構框圖。數據庫服務器安裝數據庫管理軟件，用來存儲、處理電梯故障信息。每個轎廂安裝一臺主機，故障采集器、信息發布面板、攝像頭、麥克風、揚聲器都連接到主機上。主機實現信息發布、視頻監控、語音通信、本地存儲各種數據信息，并負責將故障采集器采集到的數據通過3G網絡傳輸到遠程數據庫服務器。管理終端可以通過私有網絡連接到數據庫服務器，進行系統監控和管理。

2 功能分析

電梯故障信息采集器通過各種傳感器記錄電梯發生故障時轎廂和控制系統的各種運行和故障狀態，并通過以太網口發送到轎廂主機。上下平層傳感器可以用來判斷電梯的上行、下行和停止狀態，結合基站信號計算電梯所在樓層。門開關傳感器可以檢測門的開關狀態。紅外人體傳感器可以檢測轎廂內是否有人。上極限和下極限傳感器用來判別沖頂和蹲底故障。加速度傳感器可以采集電梯的加速度值，并根據加速度計算出速度值，在電梯加速度或者速度超常時給出報警。面板上的LED指示燈指示當前電梯運行狀態。提供RS 485通信功能以連接電梯維保設備，使用以太網接口與轎廂主機進行通信。

3 硬件設計

系統的整體硬件框圖如圖2所示。核心MCU使用的是集成ARM Cortex?M3內核的LM3S6432，它具有50 MHz性能和96K快速單周期片上閃存及32K SRAM內存，并集成了片上10/100 MB以太網MAC和PHY。

檢測的信號都是開關量信號，通過光耦隔離可以保護核心MCU電路和提高電路抗干擾能力。因為驅動LED需要較大電流，LED不是直接連接到MCU的GPIO引腳，而是在中間添加了LED驅動電路。LM3S6432的IO口有限，LED驅動電路采用兩片74HCT245級聯實現，并鏈接到LM3S6432的SSI接口。分別采用MAX3232和MAX3485芯片實現TTL電平和RS 232C、 RS 485電平的轉換。系統采用12 V開關穩壓電源供電，在板內使用開關型集成穩壓芯片LM2596S?5.0將12 V電源轉換成5.0 V，再使用低壓差線性穩壓器LM1117將5.0 V轉換成3.3 V。

4 軟件設計

RT?Thread實時操作系統是一款由國內RT?Thread工作室開發的免費、開源實時操作系統。它實現了在LM3S8962上的lwIP[6]的移植實現，可以很容易的移植到LM3S6432處理器。

4.1 軟件總體框架

電梯故障采集器的軟件總體框架結構如圖3所示。傳感器信號處理模塊和電梯主狀態生成模塊主要是通過中斷處理程序獲取各個傳感器信號的狀態，并生成電梯主狀態。電梯故障判別模塊根據電梯的主狀態，根據一定的判別方法，對電梯發生的故障進行判別。信息傳輸模塊的功能包括信息發送和信息接收兩個方面。

4.2 傳感器信號檢測

電梯故障采集器的傳感器信號根據信號特點和處理方式的不同可以按照表1進行分類。

對[Sk]累計求和即可以得到即時的速度值。因為加速度傳感器在初始化時存在一定的誤差，在計算積分時，會使得這個誤差累積，導致計算的速度值不準確。為減小累積誤差對速度計算帶來的影響，在平層判斷出電梯停止后，將計算的速度歸零。

4.3 電梯主狀態生成

所有的電梯狀態變化都會通過事件通知主線程。主線程完成的任務是修改電梯當前運行狀態和根據運行狀態判斷故障類型，并將故障信息和電梯運行狀態信息封裝成信息包，傳遞給通信線程。

主線程定義了一個事件main_event，在沒有信號需要處理時，主線程阻塞在事件main_event上。當任意一個事件發生，主線程被喚醒，對相應的事件進行處理。

為實現程序的模塊化，每個事件對應一個相應的事件處理程序。在程序中定義了一個函數指針數組void （*event_handler[31]）（void）以實現事件到相應的事件處理程序的映射。每個事件處理函數的原型聲明為void xxx_handler（void）。數組中的每個元素對應了一個事件如event_handler[0]對應上極限有效事件，event_handler[1]對應上極限無效事件。當任意一個事件發生時，主線程掃描main_event中的各個位，只要相應的位變為1，就調用相應的事件處理函數。

在程序中定義一個32位的變量main_stat用來存儲電梯主狀態。各個事件的處理函數的主要功能是更改LED狀態和main_stat變量的值。

4.4 故障判別

電梯主狀態只要發生變化，就調用故障判別模塊根據主狀態生成故障信息。故障采集器支持以下故障類型：沖頂：上極限傳感器信號有效；蹲底：下極限傳感器信號有效；非門區開門：轎廂在非門區開門；非門區停止：轎廂在非門區停止；運行時間超長：轎廂從離開一個平層到到達另一個平層的時間過長；困人：轎廂里面有人，但是經過一段較長的時間沒有開門；加速度異常：加速度值過大；速度異常：速度值過大。

為了識別電梯發生的故障，在主程序中定義一個16位的current_errs變量，標志當前發生的故障，電梯故障判別就是根據main_stat變量對current_errs變量進行修改。current_errs中的每一位表示一個故障。

通信管理線程負責連接的建立，連接建立后，則啟動發送線程和接收線程。通信管理線程檢測到連接斷開，則停止發送線程和接收線程。

主線程在封裝好消息包后，通過消息隊列發送給發送線程。發送線程不斷等待消息隊列有新的數據，如果消息隊列中有消息，則調用lwIP中的發送函數，將消息發送出去。

接收線程則不斷等待網絡上有新的數據，如果接收到數據，就對數據包進行分析，如果是命令包，如設置加速度閾值、設置速度閾值等，則對相應的變量進行修改。

5 系統測試

使用Qt開發了一個簡單的測試程序，對該設備測試。在仿真教學電梯中安裝了故障采集器和各種傳感器，用來模擬真實的電梯運行環境。圖6為測試程序界面。

進行的測試包括如下幾個方面：

（1） 通信功能測試：保證通信正常，可以建立TCP連接，當TCP連接掉線時，可以重新恢復連接。

（2） 故障識別功能測試：模擬各種電梯可能出現的運行故障，保證能夠正常識別出故障，并且將故障信息發送到主機。

（3） 電梯傳感器信號采集功能測試：當傳感器信號變化時，故障采集器將傳感器信號發送給主機，主機端可以實時顯示傳感器信號狀態。

（4） 參數設置功能測試：在主機端設置參數值，觀察故障采集器的參數是否改變。

6 結 語

本文使用LM3S6432處理器和RT?Thread實時系統設計了一款電梯故障信息采集器。按照硬件設計制板、調試發現，系統硬件運行良好。RT?Thread操作系統具有豐富的功能，并且接口簡單，針對lwIP也進行了不少優化，網絡性能較好。LM3S6432結合RT?Thread可以較好的實現系統功能。

參考文獻

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[10] 任詩渡，呂嘉賓，陳則來.基于網絡通信的電梯遠程故障診斷系統[J].機電工程技術，2009，38（1）：57?59.

[11] 萬健如，陳超，孫洋建.采用雙串口單片機的電梯遠程監控系統[J].計算機測量與控制，2006，14（7）：900?901.

在程序中定義一個32位的變量main_stat用來存儲電梯主狀態。各個事件的處理函數的主要功能是更改LED狀態和main_stat變量的值。

4.4 故障判別

電梯主狀態只要發生變化，就調用故障判別模塊根據主狀態生成故障信息。故障采集器支持以下故障類型：沖頂：上極限傳感器信號有效；蹲底：下極限傳感器信號有效；非門區開門：轎廂在非門區開門；非門區停止：轎廂在非門區停止；運行時間超長：轎廂從離開一個平層到到達另一個平層的時間過長；困人：轎廂里面有人，但是經過一段較長的時間沒有開門；加速度異常：加速度值過大；速度異常：速度值過大。

為了識別電梯發生的故障，在主程序中定義一個16位的current_errs變量，標志當前發生的故障，電梯故障判別就是根據main_stat變量對current_errs變量進行修改。current_errs中的每一位表示一個故障。

通信管理線程負責連接的建立，連接建立后，則啟動發送線程和接收線程。通信管理線程檢測到連接斷開，則停止發送線程和接收線程。

主線程在封裝好消息包后，通過消息隊列發送給發送線程。發送線程不斷等待消息隊列有新的數據，如果消息隊列中有消息，則調用lwIP中的發送函數，將消息發送出去。

接收線程則不斷等待網絡上有新的數據，如果接收到數據，就對數據包進行分析，如果是命令包，如設置加速度閾值、設置速度閾值等，則對相應的變量進行修改。

5 系統測試

使用Qt開發了一個簡單的測試程序，對該設備測試。在仿真教學電梯中安裝了故障采集器和各種傳感器，用來模擬真實的電梯運行環境。圖6為測試程序界面。

進行的測試包括如下幾個方面：

（1） 通信功能測試：保證通信正常，可以建立TCP連接，當TCP連接掉線時，可以重新恢復連接。

（2） 故障識別功能測試：模擬各種電梯可能出現的運行故障，保證能夠正常識別出故障，并且將故障信息發送到主機。

（3） 電梯傳感器信號采集功能測試：當傳感器信號變化時，故障采集器將傳感器信號發送給主機，主機端可以實時顯示傳感器信號狀態。

（4） 參數設置功能測試：在主機端設置參數值，觀察故障采集器的參數是否改變。

6 結 語

本文使用LM3S6432處理器和RT?Thread實時系統設計了一款電梯故障信息采集器。按照硬件設計制板、調試發現，系統硬件運行良好。RT?Thread操作系統具有豐富的功能，并且接口簡單，針對lwIP也進行了不少優化，網絡性能較好。LM3S6432結合RT?Thread可以較好的實現系統功能。

參考文獻

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在程序中定義一個32位的變量main_stat用來存儲電梯主狀態。各個事件的處理函數的主要功能是更改LED狀態和main_stat變量的值。

4.4 故障判別

電梯主狀態只要發生變化，就調用故障判別模塊根據主狀態生成故障信息。故障采集器支持以下故障類型：沖頂：上極限傳感器信號有效；蹲底：下極限傳感器信號有效；非門區開門：轎廂在非門區開門；非門區停止：轎廂在非門區停止；運行時間超長：轎廂從離開一個平層到到達另一個平層的時間過長；困人：轎廂里面有人，但是經過一段較長的時間沒有開門；加速度異常：加速度值過大；速度異常：速度值過大。

為了識別電梯發生的故障，在主程序中定義一個16位的current_errs變量，標志當前發生的故障，電梯故障判別就是根據main_stat變量對current_errs變量進行修改。current_errs中的每一位表示一個故障。

通信管理線程負責連接的建立，連接建立后，則啟動發送線程和接收線程。通信管理線程檢測到連接斷開，則停止發送線程和接收線程。

主線程在封裝好消息包后，通過消息隊列發送給發送線程。發送線程不斷等待消息隊列有新的數據，如果消息隊列中有消息，則調用lwIP中的發送函數，將消息發送出去。

接收線程則不斷等待網絡上有新的數據，如果接收到數據，就對數據包進行分析，如果是命令包，如設置加速度閾值、設置速度閾值等，則對相應的變量進行修改。

5 系統測試

使用Qt開發了一個簡單的測試程序，對該設備測試。在仿真教學電梯中安裝了故障采集器和各種傳感器，用來模擬真實的電梯運行環境。圖6為測試程序界面。

進行的測試包括如下幾個方面：

（1） 通信功能測試：保證通信正常，可以建立TCP連接，當TCP連接掉線時，可以重新恢復連接。

（2） 故障識別功能測試：模擬各種電梯可能出現的運行故障，保證能夠正常識別出故障，并且將故障信息發送到主機。

（3） 電梯傳感器信號采集功能測試：當傳感器信號變化時，故障采集器將傳感器信號發送給主機，主機端可以實時顯示傳感器信號狀態。

（4） 參數設置功能測試：在主機端設置參數值，觀察故障采集器的參數是否改變。

6 結 語

本文使用LM3S6432處理器和RT?Thread實時系統設計了一款電梯故障信息采集器。按照硬件設計制板、調試發現，系統硬件運行良好。RT?Thread操作系統具有豐富的功能，并且接口簡單，針對lwIP也進行了不少優化，網絡性能較好。LM3S6432結合RT?Thread可以較好的實現系統功能。

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[11] 萬健如，陳超，孫洋建.采用雙串口單片機的電梯遠程監控系統[J].計算機測量與控制，2006，14（7）：900?901.