電力載波技術在電梯監測系統中的應用與實現

安陽工學院計算機科學與信息工程學院 常國權 張捐凈

電力載波技術在電梯監測系統中的應用與實現

安陽工學院計算機科學與信息工程學院 常國權 張捐凈

為了能夠及時發現電梯在運行過程中的異常情況，及時預防事故的發生，采用STM32對安裝在電梯上的各類傳感器進行參數采集，并通過電力載波通訊把電梯參數實時地傳輸到上位機監控系統，上位機將電梯運行參數進行實時顯示并與正常數據進行比對、分析，預測將要出現事故的時間和概率，從而提前采取必要的措施，預防電梯事故的發生。經過實驗，該系統達到了預期的監測效果。

電力載波；電梯監測；STM32F103；MPU6050；DHT22

1 引言

近年來，隨著樓層的建設越來越高，電梯的使用愈加廣泛[1]。電梯的廣泛使用也帶來了新的問題，其中最突出的是電梯設備的安全監測不到位，為了保證電梯的運行安全，預防事故的發生，本文采用STM32F103C8T6微控制器對安裝在電梯上的門開關傳感器、紅外人體傳感器、加速度傳感器、水平傳感器、超重傳感器等各類傳感器進行參數實時采集，并通過電力載波模塊傳輸到電力線上，把電梯各個傳感器參數實時地傳輸到上位機監控系統，由上位機監控系統把電梯運行參數進行實時顯示并與正常數據進行比對、分析，以預測電梯故障發生的概率、電梯不穩定因素以及將要出現故障的時間等，從而提醒管理部門提前采取必要的措施。

2 系統總體設計

該電梯監測系統主要由參數采集部分、電力載波通訊部分、上位機監控系統三部分組成。參數采集部分主控制器采用意法半導體公司生產的STM32F103C8T6，主控制器通過采集門開關傳感器、加速度傳感器、溫濕度傳感器、紅外人體傳感器等各路傳感器的數據，并將采集到的傳感器數據經通過電力載波通訊發送至上位機監測系統。上位機監測系統分解出各個參數并進行顯示，同時把參數寫入SQL Server數據庫進行存儲。電力載波通訊部分主要由多個電力載波模塊組成通訊網絡，電力載波模塊負責對STM32微控制器傳送過來的數據進行調制或解調，并通過電力線把各個電梯節點的參數傳送給上位機監測系統。系統的總體結構示意圖如圖1所示。

圖1 系統的總體結構示意圖

3 系統硬件設計

3.1 STM32和電力載波模塊接口設計

從成本和性能綜合考慮，系統的主控芯片采用的是意法半導體公司生產的STM32F103C8T6，它是基于的ARM 32位的Cortex?-M3內核架構，穩定工作頻率可達72MHz。STM32F103C8T6擁有64K程序存儲器、20K字節SRAM、2個12位模數轉換器、3個USART模塊、2個I2C模塊等豐富的資源模塊，并支持串行單線調試（SWD）和JTAG接口調試模式[2]。電力載波模塊選用的是KQ-130F，KQ-130F具有體積小、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點[3]。KQ-130F通過串口與STM32F103C8T6進行數據通信，該模塊直接與STM32的串口端交叉相連，即電力載波模塊的TX端與STM32的RX端相連，RX端與STM32的TX端相連。KQ-130F的電源由LM2596電源模塊提供，兩個AC端口與220V電源相連接，利用220V電力線進行數據傳輸。STM32和電力載波模塊的接口設計如圖2所示。

圖2 STM32和電力載波模塊的接口設計圖

3.2 STM32和傳感器接口設計

系統的姿態采集傳感器采用MPU6050慣性傳感器來獲取電梯運行時的加速度和其振動的情況。MPU6050是I2C接口，因此可以把該芯片直接接到STM32微控制器I2C1接口，即MPU6050的時鐘引腳SCL連接到STM32的PB6，數據引腳SDA連接到STM32的PB7引腳，數據中斷引腳連接到PB5，為了增強驅動能力在每個引腳上都加入了10K的上拉電阻，因為使用的是硬件I2C接口，STM32和MPU6050數據、時鐘接口必須一致[4]。系統選取了DHT22作為系統的溫濕度采集模塊，DHT22溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它采用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保其具有極高的可靠性與長期的穩定性。DHT22采用特殊的單總線方式進行數據傳輸，其數據傳輸端口DO與STM32的PA0引腳相連。DHT22的數據端口接一個4.7K的上拉電阻以確保數據的準確性。系統采用HC-SR501人體紅外熱釋電探測模塊用來感應是否有人存在。此模塊的輸出端OUT與IAP15單片機的PA2引腳相連。MQ-2作為氣敏傳感器主要用來檢測電梯內部的易燃易爆氣體。MQ-2具有DO開關信號（TTL）輸出和AO模擬信號輸出，MQ_IN模擬端與STM32的PA1引腳相連以實現MQ-2與單片機的通訊。STM32和傳感器接口設計原理圖如圖3所示。

圖3 STM32和傳感器接口設計原理圖

4 系統軟件設計

軟件設計主要包括電梯主控采集系統下位機底層驅動軟件的設計和上位機電梯監測系統及數據庫設計，電梯下位機軟件在ARM Keil開發環境中用C語言編寫，上位機電梯監測系統軟件主要使用VC++6.0和SQL Server 2005進行開發。

圖4 主控采集系統軟件流程圖

4.1 電梯監測系統下位機軟件設計

主控采集系統的作用就是把各路傳感器采集到的信息收集起來，經過一定的計算和轉化，然后添加地址、校驗和等信息后打包發送至電力載波模塊進而發送至上位機上進行顯示和存儲。主控采集系統接收姿態采集傳感器MPU6050的數據時用到了STM32的I2C數據傳輸功能，STM32微控制器內部有2個硬件I2C通訊模塊，程序設計直接編程驅動硬件I2C模塊工作，無需模擬I2C通訊，進一步簡化了驅動程序的編寫。溫濕度傳感器DHT22則采用了特殊的單總線數據傳輸方式，即一個數據線即可完成數據的發送，節省了單片機的IO資源。采用電力載波通訊技術完成下位機到上位機的數據傳輸功能，進行下位機與上位機之間的通訊，省去了單獨布線的繁瑣。主控采集系統軟件流程圖如圖4所示。

4.2 上位機監測軟件設計

上位機監測軟件在VC++6.0開發環境下使用MFC框架類，基于對話框模式開發，其中使用到了串口通訊類以及API調用的方法和ADO數據庫技術。MFC上位機軟件的設計主要是用來顯示下位機發來的電梯監測傳感器采集的數據。上位機采用串口模塊與電力載波接收模塊進行數據的通訊。本系統的監測界面采用分片式設計的方法設計。整個界面左半部分用來顯示各路傳感器采集到的轎廂的各個環境參數以及電梯運行的狀態參數，左下角用來顯示當前的系統時鐘，界面的右半部分來用顯示讀取到的數據庫信息。上位機接收到來自單片機的數據后，分解得到各個參數，然后分別顯示到不同的區域，并將各個參數存儲至SQL Server數據庫，然后讀取SQL Server數據庫的值后顯示在界面的右半部分區域內。上位機監測界面如圖5所示。

5 結論

本文設計了一種基于電力載波通訊的電梯監測系統，論述了系統的硬件和軟件設計與實現，經過實驗驗證了系統的有效性和實用性，該系統能夠實時監測電梯的運行環境，及時發現電梯在運行過程中的異常情況并報警，防止安全事故的發生，保證人身安全。

[1]張智,唐露新,陳思成．電梯故障記錄儀系統設計[J]．電子產品世界,2014,06．

[2]ST Microelectronics．STM32F103x8 Datasheet [DB/OL]．http：//www．st．com/．

[3]四川科強電子技術有限責任公司．KQ-130F電力載波模塊手冊[DB/OL]．http：//www．kq100．com/．

[4]TDK InvenSense．MPU-6050 Product Specification [DB/OL]．https：//www．invensense．com/．

2016河南省高等學校重點科研資助項目，項目編號：16A520034。