基于藍(lán)牙的電梯無線調(diào)試系統(tǒng)研究

胡 軍 ，趙國軍 ，景 程 ，王一蒙

(1．浙江長征職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)中心，浙江杭州310023;2．浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，浙江杭州310023;3．哈爾濱師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025)

0 引 言

傳統(tǒng)電梯調(diào)試著重于機房，在電梯平層和運行曲線等調(diào)試過程中，需要較長的調(diào)試周期，且通常需要兩個調(diào)試人員之間的密切配合，一個在轎廂里判斷電梯平層和運行是否正常，另一個在機房修改電梯參數(shù)［1］。本研究設(shè)計的電梯無線調(diào)試系統(tǒng)應(yīng)用了藍(lán)牙通訊技術(shù)，Android 手機技術(shù)和微處理器技術(shù)。與傳統(tǒng)的電梯調(diào)試方法相比，該系統(tǒng)使用Android 手機遠(yuǎn)程調(diào)試電梯，使得調(diào)試過程直觀，降低了調(diào)試人員的工作量，并縮短了電梯調(diào)試周期。本研究所述藍(lán)牙無線模塊是嵌入在電梯轎廂控制器上的，調(diào)試人員在電梯轎廂內(nèi)就可以調(diào)整電梯轎廂參數(shù)，實時調(diào)試的結(jié)果在Android 手機就能夠觀察到。

該系統(tǒng)選用奔克公司(B?HNKE +PARTNER)生產(chǎn)的BP304 電梯主控制器作為實驗平臺。BP304 控制系統(tǒng)能夠支持最多64 層，8 臺電梯群控并支持調(diào)試。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電梯無線調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電梯無線調(diào)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

電梯無線調(diào)試系統(tǒng)包括兩個控制器:電梯主控制器和電梯轎廂控制器。電梯主控制器位于電梯控制機房的控制柜中，能夠與藍(lán)牙連接的電梯轎廂控制器位于電梯轎廂的頂部。電梯轎廂控制器通過SP2(RS485模塊)向電梯主控制器傳送電梯轎廂數(shù)據(jù)，通過SP1(RS422 模塊)向電梯主控制器傳送無線調(diào)試數(shù)據(jù)［2］。在Android 手機與電梯轎廂控制器完成無線調(diào)試連接后，電梯轎廂控制器將電梯主控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)發(fā)送給Android 手機。如果沒有操作命令，電梯主控制器就向Android 手機定期傳送電梯運行狀態(tài)信息，該信息以可視化動態(tài)手機界面顯示。當(dāng)調(diào)試人員運行Android 手機上的調(diào)試應(yīng)用程序時，調(diào)試信息實時發(fā)送到電梯主控制器。電梯無線調(diào)試系統(tǒng)由兩部分組成:電梯轎廂控制器和Android 手機中的調(diào)試應(yīng)用軟件。

2 轎廂控制器設(shè)計

該設(shè)計對僅具有基本的I/O 操作的功能的原始電梯轎廂控制器硬件進(jìn)行重新設(shè)計，并增加無線調(diào)試功能。電梯轎廂控制器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電梯轎廂控制器的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

電梯轎廂控制器的主芯片是STMicroelectronics(ST)［3］公司設(shè)計的32 位處理器STM32F107，芯片引腳LQFP64 封裝，采用ARM Cortex-M3 內(nèi)核，提供5 個UART、3 個SPI 接口、USB(OTG)接口和256 K ROM，內(nèi)部還集成有以太網(wǎng)10/100 MAC 模塊［4］。

電梯轎廂控制器由SP2 接口將電梯轎廂和安全回路電路等數(shù)據(jù)發(fā)送給電梯主控制器，并通過SP1 接口將無線調(diào)試數(shù)據(jù)發(fā)送給電梯主控制器。安裝電梯轎廂控制器之前，先將藍(lán)牙無線模塊嵌入在電梯轎廂控制器上，實物如圖3 所示，然后進(jìn)行安裝。如果沒有操作，根據(jù)電梯主控制器通過SP1 和SP2 傳來的數(shù)據(jù)，電梯轎廂控制器驅(qū)動繼電器輸出或通過藍(lán)牙定期發(fā)送電梯的運行信息到Android 手機上。當(dāng)調(diào)試人員運行Android 手機上的調(diào)試應(yīng)用程序時，調(diào)試信息通過藍(lán)牙實時發(fā)送到電梯轎廂控制器，再由電梯轎廂控制器通過SP1 接口發(fā)送給電梯主控制器。

圖3 電梯轎廂控制器實物圖

藍(lán)牙芯片采用英國CSR 公司的BlueCore4-Ext 芯片，遵循V2． 1 + EDR 藍(lán)牙規(guī)范。CSR 公司Blue Core?系列是世界上最流行的消費電子設(shè)備解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)最低的功耗。BlueCore4-Ext 芯片支持UART、USB、SPI 等接口，支持SPP 藍(lán)牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，只需配備少量的外圍元件就能實現(xiàn)其強大功能。此外，它具有最理想的射頻性能，并且目前仍然是唯一的一個開放式DSP 內(nèi)核。

藍(lán)牙技術(shù)要求每對藍(lán)牙通信設(shè)備必須有一個主設(shè)備和一個從設(shè)備，且由主端進(jìn)行查找，發(fā)起配對［5］。建立通信鏈路之后，雙方都可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。電梯轎廂端的藍(lán)牙設(shè)定為從設(shè)備并命名為ELEVATOR ONE，以便與其它藍(lán)牙設(shè)備區(qū)分開來。該芯片采用3．3 V電源供電，波特率設(shè)置為38 400，數(shù)據(jù)位8 位，無奇偶校驗，無停止位。藍(lán)牙無線調(diào)試通信的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示。

圖4 藍(lán)牙無線調(diào)試通信的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 調(diào)試應(yīng)用程序設(shè)計

運行在Android 手機上的調(diào)試應(yīng)用程序用例圖如圖5 所示。應(yīng)用程序主要包括3 個組成部分:登錄模塊，藍(lán)牙連接模塊和調(diào)試模塊。登錄模塊用于注冊、登錄和密碼找回。用戶初次使用該系統(tǒng)時需要注冊個人賬戶。如果用戶忘記密碼，密碼找回功能能夠在用戶提供賬戶名和E-mail 地址后重置密碼。本研究重點介紹藍(lán)牙連接模塊和調(diào)試模塊。

圖5 調(diào)試應(yīng)用程序的用例圖

3．1 藍(lán)牙連接模塊

藍(lán)牙連接模塊負(fù)責(zé)開啟、掃描藍(lán)牙設(shè)備以連接嵌入在轎廂控制器上的藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙連接流程圖如圖6 所示。主要細(xì)節(jié)說明如下:

(1)界面左上角有一個“退出”按鈕，用來退出當(dāng)前界面，返回登錄界面，需重新登錄才能再次進(jìn)入藍(lán)牙連接界面;

圖6 藍(lán)牙連接模塊流程圖

(2)將搜索到的藍(lán)牙設(shè)備加入設(shè)備列表;

(3)當(dāng)手機藍(lán)牙與智能轎廂控制器連接上后，采用進(jìn)度條表示無線操作電梯軟件與智能轎廂控制器的建立連接過程。

本研究在設(shè)計中調(diào)用Android Bluetooth API。在藍(lán)牙連接模塊中，BluetoothAdapter 類的startDiscovery()方法可以執(zhí)行一個異步方式查找發(fā)現(xiàn)周邊的藍(lán)牙設(shè)備，BluetoothDevice 類的getBondedDevices()方法用來獲取、綁定已經(jīng)配對的設(shè)備，并添加到設(shè)備列表中。整個掃描過程最長可能達(dá)到12 s，包括搜索獲得新的掃描設(shè)備并綁定設(shè)備［6］。在BP304 的藍(lán)牙模塊連接之后，程序應(yīng)該調(diào)用cancelDiscovery()方法來取消設(shè)備發(fā)現(xiàn)以減少資源的浪費。配對轎廂控制器的藍(lán)牙設(shè)備成功后，Android 手機與轎廂控制器的藍(lán)牙設(shè)備建立RFCOMM 連接，然后該程序由BluetoothDevice 類對象創(chuàng)建BluetoothSocket 并且初始化連接。如果成功建立連接，系統(tǒng)會顯示連接的所有詳細(xì)信息，否則系統(tǒng)會彈出一個AlertDialog 來提醒用戶存在什么問題。

藍(lán)牙連接界面如圖7、圖8 所示。

圖7 藍(lán)牙連接效果圖

圖8 藍(lán)牙連接效果圖

3．2 調(diào)試模塊

調(diào)試界面用例圖如圖9 所示。用戶在調(diào)試界面可選擇進(jìn)入3 個子界面:一個是連接BP304 界面，可與電梯主控制器BP304 進(jìn)行調(diào)試連接，一個是菜單界面，可通過操作菜單進(jìn)行電梯調(diào)試，最后一個是電梯運行信息界面，可查看電梯運行狀態(tài)。

圖9 調(diào)試界面用例圖

調(diào)試連接是電梯無線調(diào)試模塊與電梯主控制器之間的連接，本研究采用停止等待協(xié)議［7］以保證通訊的穩(wěn)定性，停止等待協(xié)議示意如圖10 所示。停止等待協(xié)議執(zhí)行兩個基本機制:確認(rèn)和超時。在通信期間，電梯主控制器作為服務(wù)器而Android 手機作為客戶端。發(fā)送數(shù)據(jù)后，發(fā)送者一直等待，直到接收到ACK 幀。一旦電梯主控制器和Android 手機的連接建立，數(shù)據(jù)通信就會進(jìn)入更新階段。在這個階段，電梯參數(shù)(如電梯的運行、門開關(guān))的任何改變將被發(fā)送到客戶端。

圖10 停止等待協(xié)議示意圖

操作菜單的界面如圖11 所示。它包括兩部分:模擬LCD 和模擬菜單按鈕。模擬LCD 顯示當(dāng)前電梯的調(diào)試狀態(tài)。在圖11 模擬LCD 中“No entry”即為不存在故障，電梯運行正常。

圖11 操作菜單界面

模擬菜單有4 個按鈕，分別命名為返回按鈕、后退按鈕、前進(jìn)按鈕和CR 按鈕。返回按鈕的功能是返回到初始菜單，后退按鈕的功能是使光標(biāo)后退，前進(jìn)按鈕的功能是使光標(biāo)前進(jìn)，CR 按鈕的功能進(jìn)入相應(yīng)的菜單。如果用戶需要轎廂呼叫，只需要進(jìn)入轎廂內(nèi)呼界面通過操作4 個按鈕進(jìn)行呼叫。轎廂呼叫操作的界面如圖12 所示。

圖12 轎廂呼叫操作界面

電梯運行信息界面包括運行狀態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)和電梯狀態(tài)。運行狀態(tài)界面顯示電梯的實時運行狀態(tài);動態(tài)數(shù)據(jù)界面顯示電梯的運行時間和當(dāng)前時間等動態(tài)數(shù)據(jù);電梯狀態(tài)界面顯示實時電梯數(shù)據(jù)，如安全回路和門的狀態(tài)。電梯運行狀態(tài)界面使用模擬電梯井如圖13所示。如果電梯的當(dāng)前狀態(tài)是停在5 樓而且電梯門是打開的，用戶能夠在Android 手機上看到模擬轎廂相同的狀態(tài)。電梯運行狀態(tài)界面使得調(diào)試的結(jié)果可視化。

圖13 電梯運行狀態(tài)界面

4 實驗測試分析

藍(lán)牙的連接有效范圍通常在10 m 以內(nèi)，通過延伸(提高發(fā)射功率等方法)連接距離能夠達(dá)到100 m。理論上，藍(lán)牙的單個信道可以支持的1 Mb/s 的傳輸速率，但實際上的最大傳輸速率為721 Kbits/s［8］。電梯轎廂控制器位于電梯轎廂的頂部，但在電梯轎廂并不是完全密封的。因此，根據(jù)藍(lán)牙的通信距離，在理論上調(diào)試人員在轎廂內(nèi)使用Android 手機的藍(lán)牙程序調(diào)試電梯是可行的。因為在實際的井道中存在干擾，為了確保信號的強度，無線模塊需要使用高增益天線。在“GB/ T7588—2003 電梯制造與安裝安全規(guī)范”中規(guī)定:轎廂內(nèi)部凈高不少于2 m［9］。筆者在BP304 電梯控制系統(tǒng)實驗平臺上對無線調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行了測試，當(dāng)該電梯無線調(diào)試系統(tǒng)在高度為2 m 的試驗塔中進(jìn)行測試時，電梯無線調(diào)試系統(tǒng)工作良好，調(diào)試人員能夠在轎廂內(nèi)通過手機調(diào)試電梯，電梯調(diào)試軟件的操作方便并且調(diào)試結(jié)果可視。當(dāng)Android 手機發(fā)送調(diào)試信息時，電梯的反應(yīng)時間為25 ms～50 ms，滿足電梯運行狀態(tài)要求［10-11］。

5 結(jié)束語

本研究提出的基于藍(lán)牙的電梯無線調(diào)試系統(tǒng)具有成本低、可靠性強、靈活性高等優(yōu)點，其采用調(diào)試人員的隨身物品手機作為電梯調(diào)試工具，調(diào)試結(jié)果可以直觀地在手機上察看。這不僅為電梯調(diào)試人員提供了方便，而且降低了電梯調(diào)試工具的開發(fā)成本。將Android技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)引入到電梯調(diào)試領(lǐng)域，使得電梯調(diào)試系統(tǒng)朝著物聯(lián)網(wǎng)的方向又邁進(jìn)了一步。

下一步研究工作是進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，即使電梯無線調(diào)試系統(tǒng)在試驗塔中經(jīng)過多次測試是成功的，但要應(yīng)用到實際中還需要考慮到各種復(fù)雜的環(huán)境因素和意想不到的狀況。另外將云計算技術(shù)應(yīng)用到電梯調(diào)試系統(tǒng)中，實現(xiàn)基于云的電梯轎廂參數(shù)上傳下載功能，方便調(diào)試人員調(diào)用調(diào)試歷史記錄，進(jìn)一步加快調(diào)試周期。

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