雙ARM的車門多參數遠程監測系統設計

涂曉立，繆小冬

(1.南京康尼機電股份有限公司，南京 210009；2.南京工業大學)

雙ARM的車門多參數遠程監測系統設計

涂曉立1，繆小冬2

(1.南京康尼機電股份有限公司，南京 210009；2.南京工業大學)

設計了一種智能檢測軌道車門參數的監測系統。該系統基于ARM8和STM32雙ARM構架，STM32系統主要是采集各個車門的電機數據，封裝后通過短距離無線通信模塊傳輸給ARM8系統。ARM8系統有兩個作用，一方面是接收來自各個STM32系統采集到的電機數據，另一方面是監測車門絲桿轉塊的位置信息。當收到開關門觸發信號時就驅動視覺傳感器拍照，把圖片信息和STM32系統發送的數據一起打包發送到服務器網絡，然后在PC端訪問服務器，可以隨時隨地查看車門電機的各項參數。實際使用表明，該系統可以適用于車門系統多參數監測，給后期檢測維修提供了參考依據，減少了維修工作。

雙ARM；多參數；無線傳輸；電機數據；門系統

引 言

在地鐵運營過程中，車門系統需要經常開啟和關閉，加上其他因素的影響，導致客室車門故障頻發。車門電機作為非常重要的部件，其性能的好壞直接影響到車門的正常工作。而車門傳動系統中絲桿上轉塊的位置則反映車門的移動信息，轉塊的松動、誤觸發也是導致車門故障的一個因素，因此對車門電機參數和轉塊位置的實時監測至關重要。針對這一需求，設計了基于雙ARM嵌入式平臺的監測系統來對車門電機參數和絲桿上轉塊位置進行實時監測。經過測試，通過對電機數據和絲桿上轉塊位置信息的采集就可以根據對應關系計算得到電機的特性參數(電流、轉角、轉速)和車門的工作狀態，然后把這些數據匯總，最后通過3G通信的形式發送到服務器，這樣在PC端根據上傳到服務器上的數據就可以判斷電機或車門是否處于故障或者亞健康狀態。通過這個遠程監測系統就不需要經常對車門狀態進行檢修，而是根據監測到的數據對處于亞健康狀態的車門進行專門檢修，這樣大大減少了檢修的工作量以及成本，提高了檢修的工作效率。

1 系統設計

車門多參數監測系統是由兩部分組成的。一部分為采集裝置，如圖1所示，主要是由無線傳輸電路、電流采樣電路、STM32及其外圍電路組成[1]，每一個車門都需要安裝一個采集裝置，主要功能是采集門系統中電機的數據(轉速、轉角、電流)。另一部分是網關裝置，如圖2所示，其是由視覺傳感器、3G傳輸模塊以及ARM8及其外圍電路組成。網關裝置中包含嵌入式視覺傳感器，其主要功能是通過自身搭載的攝像頭模塊收集絲桿上轉塊位置的圖像信息，最后連同采集裝置收集的電機數據一起發送到服務器，這樣在PC端訪問服務器就可以實時監測電機各項數據以及車門運動信息。

圖1 采集裝置示意圖

圖2 網關裝置示意圖

2 車門安全狀態監測系統的硬件設計

2.1 采集裝置的硬件設計

傳統的電機驅動電路是門控器直接驅動電機，這個系統中采用采集裝置作為中間媒介，如圖1所示，這樣既保持原有的驅動方式不變，也方便進行數據采集。采集裝置選用STM32F407作為主控制器，其主要作用是采集電機的電流、轉速等信息，然后通過短距離無線模塊把采集到的數據發送到網關裝置。采集裝置硬件結構如圖3所示。

圖3 采集裝置硬件結構圖

2.2 采集裝置電流采樣電路設計

圖4 電流采樣電路

采集板的功能就是采集車門電機的電流、速度等數據。其中電機速度是通過直接采集霍爾信號，根據霍爾信號高低電平變化的頻率計算得到電機轉速[2]。而電流采樣需要做一些處理，圖4為電流采樣電路。

電流采樣電路選用的是ACS712芯片，它是Allegro公司推出的一種線性電流傳感器，該器件內置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，可以輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓，然后根據對應的關系便可計算出電機的電流。最后把電機的速度、電流數據封裝起來通過短距離無線通信[3]的方式發送給網關裝置。

2.3 網關裝置的硬件設計

網關裝置有兩個作用：一是通過本身的無線接收模塊接收采集裝置發送來的數據；二是驅動視覺傳感器采集圖像信息，并且把所有的信息一起打包通過3G通信的形式發送給服務器網絡。

網關裝置嵌入式硬件平臺選用的是AM335X[4]處理器，主頻高達800 MHz，具有豐富的硬件外設和標準接口，還可以流暢地運行Linux操作系統以方便構建人機界面。如圖5所示,其中無線接收模塊，主要用來接收從采集裝置發來的電機數據,視覺傳感器模塊是用來對絲桿上轉塊位置進行拍照，最后把圖片信息以及電機數據一起打包通過3G形式發送給服務器。

圖5 網關裝置硬件結構圖

2.4 網關裝置中的視覺傳感器模塊

在車門系統開關門的時候,視覺傳感器模塊[5-7]對絲桿上轉塊進行拍照，如圖6所示。首先把視覺傳感器模塊安裝在車門的絲桿位置處，確保可以清晰地拍攝到轉塊的位置，然后在轉塊上作圖6中的紅色標記。通過對標記點位置偏移的分析，便能得出車門是否開到位或關到位。攝像頭選用的是SM3732+OV9712集成模塊，其連接方式為USB接口，支持Linux系統。控制器對采集到的圖像進行處理，把偏離閾值的圖像信息通過3G傳輸的形式發到服務器上，然后在PC端就可以顯示出圖像信息。

圖6 視覺傳感器安裝示意圖及拍攝的圖片

3 軟件設計

軟件設計分為采集裝置和網關裝置的軟件設計兩部分；采集板裝置首先完成對STM32F407系統初始化設計。STM32F407系統軟件包括無線通信程序初始化、電流采集程序初始化、轉速程序初始化。采集板上電之后首先執行復位操作，然后收到開關門觸發信號的時候開始采集電機的電流、轉速等信息，最后通過短距離無線通信發送給網關板。網關板程序設計首先完成對AM335X的各項初始化，包括3G模塊、無線接收模塊、DDR3、EMMC等程序。 一方面，利用無線接收模塊接收來自采集裝置中電機的各項數據；另一方面，完成對視覺傳感器的驅動，當收到車門關到位或者開到位信號的時候，視覺傳感器開始工作，此時拍的就是絲桿上轉塊轉動的信息，再把拍攝到的圖片信息跟前面收到的數據一起打包，通過3G傳輸的形式發送到服務器。此時在PC端就可以通過服務器隨時隨地了解車門的各項數據信息。

4 試驗數據分析

4.1 對采集板電機數據分析

圖7 關門時刻電機數據

圖7為關門時刻電機數據，從圖中可以看出，電機的速度從零開始增加，維持一段時間后降低到零，整個過程持續大約3.2 s，也就是關門的時間總長為3.2 s，電機的轉速最大為1800 rpm；轉角代表門的位移，轉角逐漸降低到零，代表門由開到關這個過程；相應的電流數據反映的是電機運行過程中電流的大小，假如規定關門時刻電流為正，那么開門時刻電流就為負。圖8為開門時電機的數據，分析情況跟關門時刻一致。通過對這些數據的觀察與對比，如果電機處于亞健康或故障時，其運行曲線必然發生變化，根據這些變化就可以判斷處于亞健康或者故障的電機。

圖8 開門時刻電機數據

4.2 門系統中絲桿上轉塊位置的確定

圖9 轉塊位置信息

關門狀態下，在轉塊上標記兩個紅點，如圖9所示，然后用視覺傳感器監測兩個紅點的位置；再在開門狀態下記錄兩個標記點的偏移位置；那么等待下次關門或者開門的時候，可以通過視覺傳感器拍攝的圖片信息進行自動比對，看標記紅點的位置就可以判斷出車門是否關到位或者開到位。首先設置了一定閾值，確定在規定的閾值內車門是處于關閉還是打開狀態的，超過這個閾值就會觸發報警，提示車門沒有關到位或者開到位。

結 語

[1] 劉軍.例說STM32[M].北京:北京航空航天大學出版社,2012.

[2] 許戴銘.基于單片機與霍爾傳感器的轉速測量設計[J].價值工程,2012,31(8):133-134.

[3] 沈保鎖,候春萍.現代通信原理[M].北京:國防工業出版社,2006:33-51.

[4] 王晨輝,郭英軍,仝浩,等.基于ARM和Linux的嵌入式異步電機監測系統[J].儀器儀表與傳感器,2011(11):68-70,73.

[5] 馬頌德,張正友.計算機視覺:計算理論與算法基礎[M].北京:科學出版社,1998:52-59.

[6] 孫作雷,童可浚,曾連蓀.基于視覺傳感模塊OV7670的顏色導航智能車設計[J].電子測試,2013(5):102-104.

[7] 繆強,周憶,米林,等.機器視覺在精密測量中的應用[J].重慶大學學報,2002,25(6):1-4.

涂曉立(碩士)，主要研究領域為軌道車門安全狀態監測；繆小冬(博士)，主要研究領域為車輛工程。

優化的Micrium OS和新Platform Builder加速嵌入式設計

Micrium OS是最新發展的、通過驗證的嵌入式μC/OS實時操作系統(RTOS)，目前已經上市。Micrium OS擁有優化的RTOS內核，通信協議棧，文件系統和圖形用戶界面。新的Platform Builder工具可以簡化開發，一旦開發者確定所需要的組件，該工具可自動解析組件之間的依賴性問題，以及配置啟動順序。使用Micrium OS 和Platform Builder可為開發人員提供強大的嵌入式設計方法，顯著地降低初始設計的復雜性，以及加快產品上市時間。該操作系統可支持所有主要的半導體供應商，包括恩智浦、瑞薩、Silicon Labs和意法半導體。

著名的RTOS專家和Micrium軟件公司創始人Jean Labrosse表示：“無線連接、32位MCU和SoC以及多接口的物聯網設備使得系統比以往任何時候都更難以配置、運行以及正常作業。不久的未來，大多數嵌入式系統都將運行操作系統。Micrium OS和Platform Builder代表了未來基于解決方案的嵌入式設計，它們允許新進和現有客戶利用我們可靠、易于使用和通過驗證的軟件。”

根據IDC表示，全球物聯網相關支出將在2020年達到1.29萬億美元。此一龐大市場正吸引許多制造商和嵌入式專業人士，Micrium OS的優越性能、可靠性和易用性將使他們從中獲益。Micrium OS擁有在嵌入式開發方面20年實力強大的軟件經驗。憑借直觀的界面、改進的調試功能，以及先進的且能更快查明漏洞的錯誤處理功能，更新的操作系統可簡化開發。

Multi-parameter Monitoring System for Vehicle Door Based on Dual ARM

Tu Xiaoli1,Miao Xiaodong2

(1.Kangni Company,Nanjing 210009,China;2.Nanjing University of Technology)

In the paper,a monitoring system is designed to detect the security state of the rail car door.The system is based on dual ARM framework:ARM8 and STM32.STM32 is used to gather motor data from all the door mainly,the data will be packed and delivered to ARM8 system by the short-range wireless communication module.The ARM8 has two functions:one part is to receive the motor data collected by STM32 system,the other part is to monitor the door screw block position.The COM will be drived to take photos when receives the switch gate trigger signal.The image information and the data sent by the STM32 are sent to the server network.Then we can check the door motor status in any time when we access the serve on PC.The system is suitable for the multi-parameter detection,which provides the reference frame for the later period maintenance,and reduces the maintenance work.

dual ARM;multi-parameter;wireless communication;motor data;door system

TP934

A

士然

2017-02-09)