基于ARM的電梯能耗遠程監測系統

陳繼文 ，李 鑫 ，李 麗 ，張樹昌 ，王曉偉

（1.山東省綠色建筑協同創新中心，濟南 250101；2.山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101；3.哈爾濱工業大學 機電工程學院，哈爾濱 150001）

電梯是建筑設備中的“耗能大戶”，它所消耗的能量一般占整個建筑總能耗的5%～15%，我國電梯保有量已超過490萬臺，以每臺電梯每天用電40度計算，每年電梯用電量超過715億度[1-3]。目前電梯能耗的相關研究主要在于電梯能耗測試方法和電梯能效等級的劃分[4-5]，對于電梯能耗的遠程監測手段研究還需加強。國內外現有的電梯遠程監控系統，側重于電梯安全故障的監控，對于電梯能耗的監測還有待進一步完善[6-7]。因此，本文進行基于ARM的電梯能耗遠程監測系統的研究，為評估電梯能耗狀況提供依據，具有重要的理論研究意義和實用價值。

1 總體設計方案

搭建一臺基于ARM控制的四層站電梯模型，作為能耗監測的對象，根據此模型開發電梯能耗遠程監測系統，實時監測電梯模型的能耗數據及運行參數，電梯能耗遠程監測系統總體設計方案如圖1所示。STM32控制卡為核心控制部件，主要功能為控制電梯運行，處理及傳輸電梯相關數據。STM32控制卡通過控制變頻器和門系統，實現對電梯模型的控制；通過收集曳引機編碼器數據、平層傳感器狀態、轎內指令和層站召喚指令，獲取電梯位置和運行狀態；通過能耗采集模塊，獲取電梯能耗數據；通過與遠程上位機進行通信，實時傳輸收集到的數據。遠程上位機對數據進行存儲、分析等處理后，顯示到上位機監測界面。

圖1 系統總體設計方案Fig.1 Overall design of the system

2 能耗監測系統硬件設計

2.1 STM32控制卡

本文采用了STM32F103ZET6芯片作為控制核心，該芯片是ST公司基于Cortex-M3內核開發的32位微處理器，最高工作頻率為72 MHz，擁有64 KB SRAM、512 KB FLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個高級定時器、5個串口，1個CAN接口，1個FSMC接口以及112個通用I/O口等，豐富的片上資源簡化了硬件系統，同時降低了系統功耗，大大增強了能耗監測系統的實時性和可靠性[8]。控制卡選用2.8寸TFTLCD電阻觸摸屏顯示作為顯示部分，實時顯示電梯能耗數據和系統時鐘。觸摸屏與STM32處理器的FSMC接口相連，減輕了處理器負擔，提高了系統運行速度。

2.2 無線通信模塊

STM32控制卡通過無線通訊模塊連接能耗采集模塊與遠程上位機，無線通信的傳輸速度和質量影響著數據采集穩定性。本文采用AS13B-TTL無線通信模塊，該模塊具有尺寸較小、傳輸距離較遠、能耗低、數據自動糾錯等功能，該模塊采用TTL電平輸出，兼容5 V和3.3 V，方便與STM32控制卡和能耗采集模塊相連。

2.3 能耗采集模塊

本文選用PZEM-004能耗采集模塊對電梯模型的能耗進行采集，能耗采集模塊工作流程如圖2所示。模塊工作時，互感器采集被測電路的電壓和電流信號，信號經濾波和放大電路處理后送入數模轉換電路，將輸入的模擬信號轉換為數字信號送入單片機中進行計算[9]，得出電梯的功率和能耗數據，并通過無線通信模塊將電梯的電壓、電流、功率和能耗數據發送給STM32控制卡。能耗采集模塊的測量精度為小數點后兩位，電壓的測量量程為AC80-260 V，電流的測量量程為0～100 A。

圖2 能耗采集模塊工作流程Fig.2 Working flow chart of energy acquisition module

能耗采集模塊采集的功率為總有功功率，總有功功率等于一個周期內瞬時功率的積分平均值，瞬時功率等于瞬時電壓與瞬時電流的乘積。瞬時電壓v（t）和瞬時電流 i（t）的計算公式如式（1）和式（2）所示：

式中：Vk為各次諧波的電壓有效值值；Ik為各次諧波的電流有效值；φk和γk分別為各次諧波相移[10]。

瞬時功率 p（t）的計算公式如式（3）所示：

總有功功率等于平均有功功率P，計算方法為瞬時有功功率p（t）經過n個電網周期T的積分后取平均值，如式（4）所示：

3 能耗監測系統軟件設計

3.1 上位機界面設計

上位機采用VB6.0中的MSComm通信控件，實現上位機與STM32控制卡的通信。使用MSComm通信控件無需使用復雜的API函數，通過簡單設置幾個參數即可實現串行通信，在開發監測系統中具有其獨特的優勢[11]。

上位機功能如圖3所示，主要包括初始界面、參數設置界面、主界面和數據顯示界面。用戶在初始界面進行登錄和用戶管理，通過參數設置界面對系統參數進行設置。主界面中顯示電梯運行狀態，電流、電壓和功率數據的折線圖。數據顯示界面詳細顯示電梯的電壓值、電流值、功率值和能耗值。

圖3 上位機功能圖Fig.3 Upper computer function diagram

3.2 觸摸屏界面設計

STM32控制卡的觸摸屏分為主界面、能耗界面、電梯狀態界面和通信界面。主界面中可進行界面選擇和參數設置；電梯狀態界面用于顯示電梯運行狀態和所在樓層，STM32控制卡通過485通信接收電梯狀態信號以及通過編碼器檢測到的曳引電機轉動圈數，分析電梯處于的樓層和運行狀態；能耗界面用于顯示電梯能耗的相關數據，包括電壓值、電流值和電功率值等，STM32控制卡根據系統設置的刷新頻率通過無線通信模塊向能耗采集模塊發送查詢請求，并將接收到的數據分析、整理后顯示到觸摸屏的能耗界面；上位機通信界面用于顯示STM32控制卡通過無線通信模塊與遠程上位機通訊的所有數據。

為避免各個功能之間相互沖突，本文將STM32控制卡的中斷優先級做如下設置，RS485通信中斷優先級最高，能耗檢測中斷優先級次之，與上位機通信優先級最低，圖4所示為STM32控制卡工作流程。

圖4 STM32控制卡工作流程Fig.4 Working flow chart of STM32 control card

3.3 能耗數據采集

圖5 能耗數據讀取Fig.5 Energy consumption data reading

STM32控制卡讀取能耗數據的流程如圖5所示。STM32控制卡通過無線通信模塊向能耗采集模塊發送查詢請求，對返回的數據進行校驗碼核對，校驗碼通過后，識別數據包中的標識符，讀取相應的數據，并對數據進行存儲。能耗數據包格式如表1所示，標識符和校驗碼各占1 B，能耗數據為5 B，能耗數據標識符如表2所示。能耗數據包的校驗碼計算方法為將標識符數據和數據包數據求后取后兩位作為校驗碼。

表1 能耗數據包格式Tab.1 Data format for energy consumption

表2 能耗數據標識符Tab.2 Identifier for energy consumption data

3.4 上位機通訊

上位機通過無線通信模塊與STM32控制卡實時通信，獲取電梯相關參數，上位機使用的通信參數為9600 b/s的數據傳輸速率，1位開始位，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位。上位機通信數據格式如表3所示。數據包由標識符、電壓數據、電流數據、功率數據、能耗數據、電梯狀態信息組成。標識符由模塊地址和指令碼組成，標識符大小為2 B，電壓、電流、功率和能耗數據分別由整數部分和小數部分組成，大小為2 B，狀態數據由轎廂所在樓層、運動狀態和運動方向組成，大小為3 B。

表3 上位機通訊數據格式Tab.3 Data format of upper computer communication

上位機與STM32控制卡的通信過程如圖6所示，上位機工作時，首先進行初始化，讀取系統參數，檢測無線通信是否正常，與STM32控制卡建立通信后，根據系統設置的刷新頻率向STM32卡發送查詢請求，并將返回的數據處理后在上位機界面進行顯示。

4 試驗結果及分析

圖7所示為四層電梯模型實物圖，以此模型作為監測對象，將能耗測試點設置為電梯模型總電源的輸入端，通過監測電梯模型工作時的能耗數據，對系統進行驗證。

圖6 上位機通信流程Fig.6 Upper computer communication flow chart

圖7 四層站電梯模型Fig.7 Elevator model of four storey station

基于ARM的電梯能耗遠程監測系統實現了上位機與STM32控制卡的實時通信，上位機將接收到的數據處理成折線圖，圖8所示為電梯靜止時功率數據的折線圖，電梯靜止時的總功率為15 W左右，圖9為電梯上升時功率數據的折線圖，電梯運動時的總功率為68 W左右。

圖8 靜止時功率折線圖Fig.8 Power of elevator static

圖9 上升時功率折線圖Fig.9 Power of elevator rising

本次試驗成功采集了電梯模型的能耗數據，上位機界面顯示的折線圖清晰地展現了數據的變化趨勢，實現了對電梯能耗的遠程監測，通過對采集到的能耗數據進行分析，發現電梯轎廂的運動對電梯的能耗影響非常大，可通過優化電梯的調度算法，減少電梯的空行程，縮短電梯運行時間，從而降低電梯的總能耗。

5 結語

為了遠程監測電梯的能耗數據，本文設計了一種基于ARM的電梯能耗遠程監測系統。首先設計搭建了四層電梯模型作為能耗監測對象，進而設計了能耗數據的遠程無線傳輸及上位機監控系統。基于ARM的控制電梯模型可以實現電梯的基本功能，包括電梯的上下運行控制，各個樓層的數據顯示，各個樓層的電梯召喚，轎廂門的開關，轎廂內的選層等。STM32控制卡實時地采集電梯運行的能耗數據相關參數，并通過無線通信向上位機遠程傳輸電梯能耗數據。上位機顯示界面實時顯示電梯的電壓，電流，電功率及電梯的運行狀態，上位機將數據存儲并做成折線圖展示電梯能耗的變化。試驗表明，該控制系統能夠完成電梯模型能耗數據的實時遠程監測，該系統可以為評估電梯能耗狀況及改善高耗能電梯的運營狀況提供依據，具有重要的理論研究意義和實用意義。

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