利用無線通信實現兩種電梯速度信號采集的研究

陳成華 林曉明

摘 要：為了實現對兩種不同類型電梯的速度信號進行采集，本文對加速度計和脈沖速度編碼器分別進行了研究，并提出了一種利用WIFI無線通信形式來完成兩種速度采集的方法。通過下位機及上位機的程序設計實現了儀器的信號采集功能。實驗結果表明，該儀器能夠很好地完成電梯速度信號的采集及傳輸，兩種方式均得到了相似的試驗結果。

關鍵詞：電梯；速度；無線通信

中圖分類號：TN948.6 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）02-0067-04

Research on Two Kinds of Elevator Speed Signal Acquisition by

Wireless Communication

CHEN Chenghua，LIN Xiaoming

（Zhuhai Testing Institute of Guangdong Special Equipment Testing Institute，Zhuhai 519002，China）

Abstract：In order to achieve the speed signal of two different types of elevator acquisition，accelerometer and pulse speed encoder are studied，put forward two methods of speed acquisition using a WIFI wireless communication form，through the program design of lower computer and PC，complete the function of signal acquisition instrument. The experimental results show that the instrument can complete the acquisition and transmission of the elevator speed signal well，and the two methods have obtained similar experimental results.

Keywords：elevator；speed；wireless communication

0 引 言

隨著電梯在高層建筑的普及應用和居民生活水平的不斷提高，人們在乘坐電梯時對電梯的穩定性、舒適性要求也越來越高。我國評價電梯乘運質量的主要依據是GB/T10058-2009《電梯技術條件》，對相關參數的采集及數據處理要求依據GB/T24474-2009《電梯乘運質量測量》。在電梯的檢驗規則中，多個重要項目涉及到電梯速度的測量，因此，業內對如何準確地測量電梯速度給予了廣泛關注，其準確度和操作便捷性也隨之得到不斷地改良。

目前通用的電梯速度測量工具是轉速表。通過將其滾輪貼近電梯轉動部件（如曳引輪或者限速器輪）或運動部件（如鋼絲繩）等方式來獲知電梯速度，該方法的不足之處在于準確度與操作人員的熟練程度有關。對于保有量越來越大的無機房電梯，該方法更是存在著難以進行測量的缺點。另一個常用于檢測電梯運行狀況的重要儀器是EVA-625系統和EVA振動分析工具軟件，專門用于電梯乘運質量的檢測，它由美國PMT公司根據電梯工業要求特別設計制造[1]。EVA-625系統雖能同時對電梯的三維振動加速度進行實時采集，但后續的數據分析需要依賴于電腦及專用的EVA振動分析工具軟件，不能在檢測時直接觀察檢測結果，從而影響了檢測效率，而且它價格昂貴，目前還不能大面積普及使用。

我國電梯保有量大，檢驗任務繁重。因此研究一種高效率、低成本的電梯速度檢測裝置對于提高檢測效率、改善電梯運行品質具有重要意義。

1 儀器原理及部件

研發一種無線通信的電梯速度測量儀器，可從系統層面劃分為三個模塊，即一個智能平板電腦或手機作為顯示終端，兩個數據終端模塊作為測速裝置，分別為加速度測速模塊、脈沖測速模塊，如圖1所示。

平板電腦作為顯示和處理終端，通過WIFI無線通信與兩個數據終端進行通訊，用于接收模塊發送過來的加速度測速、脈沖測速等數據，然后處理并在界面顯示相關的處理結果。

1.1 路由器及WIFI通信模塊

利用一個路由器作為局域網的必要部件，選用華為A1作為路由器模塊，它具備2.4G和5G雙頻WIFI功能，且分別配備了2個獨立信號放大器和接收器，優點在于信號強、干擾少、時延低，接收器更容易接收遠距離設備的弱信號。

兩個數據終端模塊上的無線WIFI采用了UART-WIFI模塊的ESP8266模組，如圖2所示。它擁有32位微型MCU，超低功耗。主頻支持80MHz和160MHz，支持標準的IEEE802.11b/g/n協議和完整的TCP/IP協議棧，既可以為現有的設備添加聯網功能，也可以構建獨立的網絡控制器。

利用這些無線通信模塊，可以輕易地穿透鋼筋水泥筑成的井道墻壁，免去了工作人員必須在井道里面才能測量無機房電梯速度的風險。

1.2 加速度計

加速度測速模塊包括：微處理器、AKE390B電壓型加速度計，如圖3所示。微處理器采用STM32F10x芯片。AKE390B電壓型加速度計是RION公司的產品，可適用于振動測試，撞擊測試等多個領域。具有結構堅固、功耗低、偏差穩定性優異等特點，偏差小于0.1%，保證了輸出可靠性。

速度采集的方案為：將加速度計置于電梯轎廂的中部，在電梯運行時，加速度主控板通過RS485總線來定時實時讀取當前電梯運行的加速度值，并通過無線WIFI模塊響應終端的數據請求，然后將數據傳輸到終端上。終端將這些數據經過軟件處理，計算出電梯上行和下行過程中的速度。

安裝加速度計時，應注意其固定情況，盡量使其牢固地和儀器的外殼連接在一起。如果固定不牢，電梯運行時的抖動很容易就能影響到數據的采集，從而導致測量誤差。

1.3 脈沖速度編碼器

脈沖編碼器采用HONTKO公司的HTR-MWR-01編碼器，如圖4所示。在轉動時將產生脈沖，主控板通過光耦隔離芯片實現對外接傳感器脈沖的采集，通過主控板MCU定時器實現定時采集，并計算出相應的速度值。再通過無線WIFI傳輸到平板電腦，在軟件界面上進行處理或顯示。

速度采集的方案為：將脈沖編碼器通過支架安裝于電梯曳引鋼絲繩或電梯限速器鋼絲繩旁，編碼器上的轉輪能夠隨電梯的運動而轉動，轉輪通過聯軸器帶動旋轉編碼器旋轉，并將電梯的速度信息通過有線方式傳送到脈沖速度主控板。脈沖傳感器模塊由脈沖傳感器和主控板等組成，主要用于采集脈沖傳感器的測速數據，經過下位機軟件處理，計算出電梯的運行速度。

2 通信方式

2.1 IP分配

根據無線通信的模式，須給各個模塊分配好IP地址，如表1所示。

在無線通信的電梯速度測量儀器中，速度測量界面有兩種選擇：

（1）在電梯參數輸入界面中，選擇“在轎廂測量速度”（即加速度傳感器測量）時，平板和下位機同步，讀取下位機上傳的加速度值并通過算法求得下行速度、上行速度；或直接讀取下位機上傳的下行速度和上行速度；

（2）當在電梯參數輸入界面中選擇“在機房測量速度”（即速度傳感器測量）時，直接可以得出電梯勻速運行時的下行速度和上行速度。

2.2 上位機指令

上位機即作為顯示終端的平板電腦，它要與下位機進行連接并讀取下位機所提供的信息。各模塊與顯示處理終端的通信協議進行歸一處理，以實現條理清晰，方便工作人員進行開發。下發指令如表2所示。

指令頭：0x55；模塊編號：0——廣播模式；1——智能終端平板電腦；2——加速度測速模塊；3——脈沖測速模塊（RX模塊編號：接收模塊的模塊編號；TX模塊編號：發送模塊的模塊編號）。

指令號：1——在線檢測；2——開始；3——結束；4——備用。

校驗值：等于前面各項數據之和，指令頭除外，并取走低一個字節。

通過這些指令，上位機可以清楚地給下位機作出指示，要求下位機執行某項任務，比如上傳速度數據等。

2.3 下位機程序

下位機包括加速度主控板、脈沖速度主控板等，需要完成采集數據及上傳功能。為了實現對終端設備（平板電腦）的響應，必須有通信協議，如表3所示。

指令頭：0xAA；模塊編號：0——廣播模式；1——功率模塊；2——加速度測速模塊；3——脈沖測速模塊；4——智能終端平板電腦。

指令號：1——在線檢測；2——開始； 3——結束；4——備用。

脈沖測速值：電梯運動速度值以脈沖編碼器方式采集，前兩個字節表示上行速度，如最大值為：256.255；后兩個字節表示下行速度，如最大值為：255.255。

加速度測速值：電梯運動速度值以加速度積分方式采集，前兩個字節表示上行速度，如最大值為：255.255；后兩個字節表示下行速度，如最大值為：255.255。

校驗值：等于前面各項數據之和，指令頭除外，并取走低一個字節。

2.4 加速度的積分算法

電梯完成上下行之后，上位機根據采集到的數據組來進行處理。由于理論上加速度計在放平完全靜止的情況下，Z軸會輸出±1g左右的加速度分量，因此，首先在得到的所有數據中提取一個極值，上行時提取最大值（初始值為-1左右，加速階段重力加速度增加）；下行時提取最小值（初始值為-1左右，加速階段重力加速度減少）。提取到了這個極值后，將所有數據都減去該極值以將重力的影響消除，以免干擾位移加速度分量數據。

然后再根據積分算法，算出電梯的上行和下行速度，即通過加速度跟時間的積分來得到速度，對于離散數據的積分，設a表示加速度矢量；v表示速度矢量，使用一階的龍格庫塔法來求得速度：

，，

，

根據以上三個公式來求得積分，通過求線段與坐標軸所圍成的面積，將相鄰的兩個矩形與所求真實線段所圍成的圖像近似為三角形，只要加上（或減去）三角形的面積，誤差就能消除很大一部分。實際情況取決于模塊運行的速度，速度越快誤差越小，三角形的面積由面積公式長乘高除以二得到面積，所得的數值即為速度。

3 實 驗

實驗時，加速度測速模塊位于電梯轎廂內部，脈沖測速模塊安裝于電梯機房內，如圖5、圖6所示。

經過測試可以發現，兩種速度信號采集之后，在平板電腦上顯示的最終數據相差較小。

如表4所示。

4 結 論

本文提出了一種利用WIFI無線通信形式來完成兩種速度采集的方法，并對加速度計和脈沖速度編碼器分別進行了研究，分析了兩種不同類型電梯速度信號的處理，通過下位機及上位機的程序設計完成了儀器的信號采集功能。

實驗結果表明，該儀器能夠很好地完成電梯速度信號的采集及傳輸，兩種方式均得到了相似的試驗結果。

參考文獻：

[1] 陳國慶.曳引式電梯振動測試與狀態監測系統開發 [D].石家莊：河北科技大學，2016.

[2] 孫玉國，勾燦.安卓手機在電梯加速度測量中的應用 [J].上海計量測試，2016，43（5）：5-6+11.

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[4] 胡偉，馮朝輝，史錦耀，俞冬強，等.電梯振動加速度監測裝置的設計 [J].機械與電子，2012（10）：32-35.