劉 莉，陳志軍，王云青

（新疆大學(xué) 電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830008）

近年來(lái)，電子技術(shù)（尤其是計(jì)算機(jī)技術(shù)）和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展使社會(huì)高度信息化。在建筑物內(nèi)部，應(yīng)用信息技術(shù)、古老的建筑技術(shù)和現(xiàn)代的高科技相結(jié)合，于是產(chǎn)生“樓宇智能化”。樓宇智能化的實(shí)質(zhì)是在信息技術(shù)系統(tǒng)的平臺(tái)上把需求目標(biāo)、應(yīng)用功能與系統(tǒng)相關(guān)各個(gè)要素緊密地整合在一起，以達(dá)到智能化和整體目標(biāo)。和普通建筑相比，智能化樓宇的優(yōu)越性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：具有良好的信息接收和反應(yīng)能力，提高工作效率；提高建筑物的安全性、舒適度和高效便捷性；具有良好的節(jié)能效果；節(jié)省設(shè)備運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用；滿足用戶對(duì)不同環(huán)境功能的需求；高新技術(shù)的運(yùn)用能大大提高工作效率。

運(yùn)輸系統(tǒng)在智能化樓宇中處于重要地位，而電梯系統(tǒng)是建筑物運(yùn)輸系統(tǒng)的核心，換句話說(shuō)，電梯系統(tǒng)的品質(zhì)是組成樓宇智能化的關(guān)鍵要素。電梯的安全使用、電梯參數(shù)的獲取和及時(shí)調(diào)整是評(píng)定電梯系統(tǒng)品質(zhì)的關(guān)鍵。電梯限速器是保證電梯安全運(yùn)行的重要保護(hù)裝置之一,限速器的校驗(yàn)及定期的檢測(cè)維護(hù)直接影響電梯的安全使用。電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以通過(guò)通信線路獲取電梯參數(shù)，在監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、在線分析、在線干預(yù)與監(jiān)控，減少了維修服務(wù)的成本和時(shí)間，使得智能化樓宇更具人性化。

本文以樓宇智能化為背景，基于電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了以STC89系列單片機(jī)為核心的智能型便攜式電梯限速器檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)用光電編碼器檢測(cè)電梯牽引繩的線速度，利用LCD顯示測(cè)量速度，可通過(guò)RS232口與ZigBee數(shù)據(jù)終端連接，經(jīng)GPRS模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析，實(shí)現(xiàn)了電梯系統(tǒng)檢測(cè)智能化。

1 總體設(shè)計(jì)

電梯是智能樓宇中的垂直交通工具，可在轎廂內(nèi)安裝溫度、濕度、壓力等各類傳感器，數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收、處理后可本地顯示，亦可通過(guò)GPRS模塊在遠(yuǎn)程監(jiān)控，以了解電梯的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，監(jiān)控中心可發(fā)送控制命令，經(jīng)GPRS模塊及無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器完成相應(yīng)功能。本文通過(guò)設(shè)計(jì)便攜式限速器檢測(cè)儀獲取限速器機(jī)械動(dòng)作值，數(shù)據(jù)通過(guò)RS232傳至ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)GPRS模塊傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視限速器的校驗(yàn)結(jié)果，保障電梯安全運(yùn)行。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立,用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸，傳輸距離在幾百米左右，因此，正適合在智能電梯的監(jiān)控中應(yīng)用。

ZigBee數(shù)據(jù)終端和ZigBee協(xié)調(diào)器均采用TI公司的CC2430芯片。CC2430是首款符合ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz系統(tǒng)單芯片，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻收發(fā)器、內(nèi)存和微控制器，其增強(qiáng)的8051MCU是標(biāo)準(zhǔn)8051核性能的8倍。

（2）GPRS 技術(shù)

GPRS（General Packet Radio Service）即通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM無(wú)線系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù),提供終端到終端,或者終端和互聯(lián)網(wǎng)之間的無(wú)線IP連接。GPRS是一項(xiàng)高速無(wú)線數(shù)據(jù)傳送技術(shù),數(shù)據(jù)以“分組”的形式通過(guò)GSM系統(tǒng)的空中信道傳送，不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源。因此,GPRS網(wǎng)絡(luò)的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用無(wú)線傳播媒質(zhì)，擺脫了線纜的約束，不受活動(dòng)區(qū)域的限制，在一定范圍內(nèi)可以任意變換位置，很方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

GPRS模塊采用西門(mén)子公司的MC35i。MC35i是新一代無(wú)線通信GPRS模塊，可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸和短消息、傳真服務(wù)。該模塊采用GPRS分時(shí)復(fù)用的CLASS 8標(biāo)準(zhǔn)，具有始終在線的功能且理論上傳輸速率最高可達(dá)171.2 kb/s，通信傳輸時(shí)延較小，最長(zhǎng)不超過(guò)3 s。GPRS模塊通過(guò)UART與ZigBee協(xié)調(diào)器連接。

GPRS網(wǎng)絡(luò)改變了傳統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用ZigBee技術(shù)優(yōu)勢(shì)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)，可以按照區(qū)域布置不同的匯接點(diǎn)，此匯接點(diǎn)即ZigBee協(xié)調(diào)器；

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過(guò) GPRS模塊與 ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。

2 限速器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電梯作為特種設(shè)備受到質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督部門(mén)的強(qiáng)制管理與檢測(cè)，其中限速器是電梯運(yùn)行安全保護(hù)的重要部件之一，正是因?yàn)橛辛恕跋匏倨鳌踩Q—緩沖阻尼器”的連鎖控制措施，才使得電梯成為較其他交通工具更為安全的垂直運(yùn)輸工具，因此限速器動(dòng)作速度的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量是安全檢測(cè)的必檢項(xiàng)目。

本文結(jié)合升降電梯限速器的安全檢測(cè)要求，設(shè)計(jì)了限速器檢測(cè)系統(tǒng)。硬件電路以STC89C51單片機(jī)為核心，運(yùn)用光電編碼器檢測(cè)電梯牽引繩的線速度，利用LCD顯示器顯示測(cè)量速度，同時(shí)具有RS232串口電路和實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路；通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)頻壓轉(zhuǎn)化及相關(guān)運(yùn)算，并使CPU循環(huán)地掃描鍵盤(pán)，接收操作人員指令，完成數(shù)據(jù)顯示等相應(yīng)功能。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)[1-2]主要包括作為控制部分的STC89系列單片機(jī)、速度采集電路、時(shí)鐘電路、通信電路、鍵盤(pán)電路和LCD顯示電路。系統(tǒng)硬件電路圖如圖2所示。

2.1.1 單片機(jī)選型

本設(shè)計(jì)選用STC89C51單片機(jī),它是一款超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī),12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期任意選擇，指令代碼完全兼容8051單片機(jī)。此系列單片機(jī)內(nèi)置E2PROM模塊，掉電數(shù)據(jù)不丟失，能有效地保存測(cè)試數(shù)據(jù)；獨(dú)立看門(mén)狗電路保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行；具有在系統(tǒng)可編程ISP（In-System Program）和在應(yīng)用可編程IAP（In-Apply Program）功能，無(wú)需專用編程器和仿真器[3]。

2.1.2 電源電路

便攜式儀器是低功耗儀器，要求電源模塊的轉(zhuǎn)換效率高且需提供常見(jiàn)的電壓。本設(shè)計(jì)中，STC89系列單片機(jī)、液晶顯示器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片等都需5 V電源供電，故選用了MAX1678芯片。它是一款低噪聲、轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%的DC-DC升壓芯片，具有自身功耗小、輸出功率大、輸出電壓穩(wěn)定等特點(diǎn)。工作原理如圖3所示[4]。

MAX1678輸出電壓由式(1)確定，其中R2在100 kΩ～1 MΩ 之間，VREF=1.23 V。

本設(shè)計(jì)中，選擇 R1=500 kΩ，R2=100 kΩ，使得 VOUT=5 V，保證各模塊穩(wěn)定工作。

2.1.3 速度采集電路

(1)選型

本設(shè)計(jì)選用增量式光電編碼器作為速度傳感器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

設(shè)計(jì)要求光電編碼器測(cè)量電梯限速器牽引繩的最大線速度達(dá)10 m/s，故由線速度的反推式（2），可確定選擇光電編碼器的脈沖數(shù)為1 024 p/r。

其中f為光電編碼器脈沖數(shù)，T為定時(shí)時(shí)間，F(xiàn)為定時(shí)時(shí)間內(nèi)測(cè)得的脈沖個(gè)數(shù)，D為測(cè)試工作頭直徑。

(2)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路

轉(zhuǎn)速測(cè)量電路由光電編碼器及脈沖整形電路組成，如圖4所示。

脈沖整形電路由74HC14芯片構(gòu)成。74HC14是六反相施密特觸發(fā)器，能將一個(gè)不規(guī)則的或者在傳送過(guò)程中受干擾而變換的波形整形成理想的矩形波。

采用M測(cè)速法[5]，即在一定的采樣時(shí)間內(nèi)測(cè)出光電編碼器的脈沖數(shù)F，脈沖數(shù)除以編碼盤(pán)的孔數(shù)1 024再除以定時(shí)時(shí)間T就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速Vr：

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括主程序設(shè)計(jì)、速度采集子模塊程序設(shè)計(jì)、按鍵處理子模塊程序設(shè)計(jì)和顯示子模塊程序設(shè)計(jì)等。主程序主要完成器件的初始化，并判斷有無(wú)按鍵按下，并根據(jù)判斷的結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的子模塊程序；速度采集子模塊程序完成數(shù)據(jù)采集、處理和保存；按鍵處理子模塊程序完成按鍵的功能；顯示子模塊程序把子模塊儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)送去顯示。

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序完成器件的初始化和子模塊的調(diào)用。主程序的流程圖如圖5所示。

2.2.2 速度采集程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)目的在于利用光電編碼器采集脈沖數(shù)，存入單片機(jī)后進(jìn)行頻壓轉(zhuǎn)換，最終保存數(shù)據(jù)并通過(guò)LCD顯示。故脈沖采集是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，頻壓轉(zhuǎn)換是重點(diǎn),設(shè)計(jì)思路如下：

(1)脈沖采集。Timer0 為定時(shí)器，Counter1為計(jì)數(shù)器。假設(shè)定時(shí)10 ms，最大計(jì)數(shù)值為30(光電編碼器的頻率為1 024個(gè)脈沖/s)。在Counter1的中斷程序中開(kāi)啟Timer0，同時(shí)定時(shí)和計(jì)數(shù)以提高精度。當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷時(shí)，從 TH1、TL1取出脈沖數(shù)，判斷是否超過(guò)限定的最大值，以去除干擾；若沒(méi)超過(guò)再判斷是否大于上次采樣最大值，因?yàn)橹恍璞Ａ魴z測(cè)過(guò)程中的最大值。將最大值存儲(chǔ)，重裝初值，繼續(xù)采樣。流程圖如圖6所示。

(2)頻壓轉(zhuǎn)換。脈沖數(shù)采集后已存入緩存區(qū)中，轉(zhuǎn)化前要先計(jì)算出存放地址。例如，組數(shù)為2，保存數(shù)據(jù)首地址為53H,每組數(shù)據(jù)占兩個(gè)字節(jié)，則存放數(shù)據(jù)高位的地址為53+2×2=57H，低位地址為58H。找到地址后，取出數(shù)據(jù)置于寄存器R6、R7中，按式(3)計(jì)算出速度值，將結(jié)果轉(zhuǎn)換為 ASCII碼，送入顯示緩沖區(qū)等待顯示。流程圖如圖7所示。

3 功能測(cè)試

本文重點(diǎn)論述限速器檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，故只用智能檢測(cè)部分與標(biāo)準(zhǔn)型測(cè)試儀在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試比對(duì)，測(cè)試其精確度，而并未進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸測(cè)試。用測(cè)試數(shù)據(jù)做誤差曲線如圖8所示。

由上述數(shù)據(jù)可看出，本系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試儀相比誤差很小，最大誤差為0.03 m/s左右。分析誤差的原因：

(1)電梯限速器類型影響；

(2)光電編碼器工作軸長(zhǎng)度影響。

因此必須針對(duì)不同類型的電梯限速器，進(jìn)行大量的測(cè)試以確定合適的參數(shù)。光電編碼器工作軸過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)大，誤差增大；若過(guò)短又會(huì)造成操作人員手持時(shí)的不安全因素。硬件調(diào)試后，可進(jìn)一步優(yōu)化軟件以減小誤差：外部時(shí)鐘頻率降一半,6T模式可有效地降低單片機(jī)時(shí)鐘對(duì)外界的干擾；單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器增益設(shè)為1/2 gain，可以有效地降低單片機(jī)時(shí)鐘高頻部分對(duì)外界的輻射；指令冗余[6]抑制程序彈飛。程序中可改變的參數(shù)有檢測(cè)輪直徑d、定時(shí)時(shí)間 t和計(jì)數(shù)個(gè)數(shù) n（脈沖頻率f=n/t，一般不做改動(dòng)）。

通過(guò)反復(fù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，不斷地修改參數(shù)，該限速器檢測(cè)系統(tǒng)已達(dá)到檢測(cè)精度 (測(cè)量范圍：0.5 m/s～12 m/s，準(zhǔn)確度：﹤±0.5%)要求，現(xiàn)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

隨著電梯技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究，高效、高速、智能化控制的電梯一定會(huì)提供優(yōu)質(zhì)良好的服務(wù)。實(shí)踐表明，電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)作為電梯企業(yè)進(jìn)行技術(shù)服務(wù)及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的重要手段，已經(jīng)從幕后走向了前臺(tái)，因此對(duì)于本文論述的基于智能儀表檢測(cè)，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪h(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的研究具有重要意義。

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