基于STM32的电梯实时监测系统*

李中兴 林创鲁 邱东勇 周松斌 黄可嘉 黄代明

（1.广州市特种机电设备检测研究院 2.广东省科学院自动化工程研制中心）

1 引言

电梯的安全运行事关公共安全，一直是电梯行业关注的重点。近年来，我国电梯保有量迅猛增加，目前已达到160万台，预计在未来10年保持每年20%的增速。目前，电梯的安全保障主要靠质监部门的定期检验和维保单位的定期维修保养。在电梯数量庞大、维护管理人手紧缺的状态下，如何及时发现电梯故障并采取有效的措施加以处理，成为电梯监管部门和维护保养单位关注的课题。因此开展电梯的实时监测研究，探索新的监测方法或手段，既可缓解目前检验和维保力量滞后的突出矛盾，又有利于弥补现有定期安全检验存在的实时性差的不足[1]。本文利用嵌入式处理技术、智能传感技术、物联技术等对电梯关键信号进行采集、处理和监测，为开展电梯状态监测提供客观依据。

2 系统结构

本系统运用非接触式传感技术进行信号采集，避免了对原系统的干扰。图1为电梯实时监测系统结构框图。

图1 系统结构框图

系统主要包括传感单元、处理单元和通信单元三部分。传感单元采用电流互感器和电压互感器，传感信号经计量芯片采集后送至ARM处理器，ARM处理器对传感数据进行计算、特征识别、智能决策判断、数据存储和监测，并通过无线传输单元（Data Transfer Unit，DTU）将监测数据发送到数据中心；也可将预警信息以语音的方式呼叫指定的人员以便迅速做出反应。本文设计的电梯实时监测系统，旨在实时监测电梯各种状态，为电梯的保养、检验和监管提供数据支撑，同时为迅速可靠地实施救援提供保障[2]。

3 硬件设计

3.1 ARM处理器

ARM处理器采用意法半导体公司(ST)的STM32系列STM32103RC，它基于Cortex-M3内核，结合了执行Thumb-2指令的32位哈佛微体系结构和系统外设，主频可达72MHz，并可达到1.2DMIPS/MHz的处理速度，内置高速存储器（高达128k字节的Flash和20k字节的SRAM）。它包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器、1个PWM定时器、2个I2C、2个SPI、3个USART、1个USB和1个CAN等[5]。此处理器的高集成度大大简化了外围电路，从而增强了系统的可靠性和扩展性，降低了监测系统的成本。

3.2 传感信号采集电路

传感信号经过调理后，输入采集电路。传感信号采集电路选用Analog公司的ADE7878计量芯片，它是一款高精度的三相电能计量集成芯片，串行接口包括IIC、SPI、HSDC；它集成了二阶Σ-Δ模数转换器、数字积分、ADC基准源电路，采用专用设计的数字信号处理器进行（基本和谐波）有功、无功和视在电能计量、基波有功和无功电能计量和RMS计算；同时，提供系统校准功能，包括有效值偏移校正、相位校准和增益校准等。ADE7878外围电路图如图2 所示。基准电压采用ADR280ARTZ型基准电压器，用于向ADE7878提供1.20V电压基准。

图2 ADE7878外围电路图

传感信号采集后以数字信号的形式输出，如直接接到ARM处理器，可能会带来共模干扰；另外，考虑到ADE7878的串行总线速度较快，本系统采用了磁耦隔离型数字信号隔离器 ADuM1402。它是 ADI公司推出的一款iCoupler磁耦隔离技术的通用型数字隔离器，采用了高速 CMOS工艺和芯片级的变压器技术，在一个器件中提供四个独立的隔离通道，支持低电压工作并能实现电平转换。它在性能、功耗、体积等方面都明显优于传统光电隔离器，具有比光电耦合器更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力；同时也消除了光电耦合中不稳定的电流传输率、非线性传输、温度和使用寿命等方面的问题。数字隔离器接口电路图如图3 所示。

图3 数字隔离器接口电路图

ADE7878串行接口、校准信号及中断信号等经过ADuM1402隔离后，分别接入STM32F103的串行口、普通 I/O口和外部中断等。STM32F103的AD_RST_ISO经过数字隔离后接到 ADE7878的AD_RST引脚，用于复位控制和选择串行通信口的类型。ADE7878数字信号与STM32F103的连接电路图如图4所示。

图4 ADE7878数字信号与STM32F103的连接电路图

3.3 数据处理模块

数据信号经过隔离器隔离后接入 STM32处理器，由处理器进行传感数据采集、处理、存储和决策判断后，将监测结果通过 RS232总线实时发送给DTU，DTU再通过无线网络将电梯实时状态信号发送到数据中心，以便相关人员能够实时掌握电梯的动态，保障电梯安全运行。也可根据要求将故障信息及时以语音或短信方式呼叫或发送至相关保养和管理人员的手机终端，保证维护人员能够及时、准确到达现场排除故障，实施救援。DTU通信RS232串行接口电路图如图5所示。

图5 DTU通信RS232串行接口电路图

4 软件设计

软件设计在Keil公司的uVison4软件平台下进行，采用C语言开发。软件主要完成的任务包括：系统初始化、传感采集、数据处理和存储、决策判断、监测预警、数据传输和监测远程控制等。软件流程图如图6所示。

5 实验结果

实验电梯梯型：GreenMax系列，品牌：广州广日电梯；额定载荷：1000kg；实验载荷：空载。选取电梯正常上下行过程和电梯上下行过程中强制急停两个过程进行实验，采集数据如图7和图8所示。图8中可以看出上行过程中3s处强制急停瞬间，曳引机电流峰值由0.2A变为平均0.05A；下行过程中28s处强制急停瞬间，曳引机电流峰值由10.8A变为平均0.2A。通过对前端传感器采集的信号分析、判断，发现电梯在不同的阶段下具有明显的信号特征，能够反映电梯的实时信息。

图7 电梯空载上下行波形图

图8 电梯上下行过程中强制急停波形图

6 结语

本文采用高速的STM32系列芯片作为控制器的核心，通过非接触式传感技术实时采样数据，根据其特征信号判断电梯的实时信息，并实时将故障信号通过无线网络发送给数据中心或相关人员，以便及时做出反应。通过新型传感检测手段获取电梯实时信息，有利于提升和突破电梯的保养、检验和安全监察技术水平。

[1]刘慧.楼宇智能电梯监控系统的设计[J].电气应用,2006,25(09):143-146.

[2]张国桢.浅谈电梯检测与检测技术[J].中国电梯,2000(1):13-16.

[3]李屹,张慧慧,郑刚.电梯智能监测系统的设计与实现[J].制造业自动化,2009,31(08):55-56,97.

[4]张旭,亓学广,李世光,等.基于 STM32电力数据采集系统的设计[J].电子测量技术,2010,33(11):90-93.

[5]STM32F10xxx_Reference_Manual.pdf[Z].http://www.st.com.