基于STM32f103的电梯状态采集终端设计

李 文，李 炎

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241002;2.芜湖市特种设备监督检验中心，安徽 芜湖 241004)

基于STM32f103的电梯状态采集终端设计

李 文1，李 炎2

(1.安徽机电职业技术学院，安徽 芜湖 241002;2.芜湖市特种设备监督检验中心，安徽 芜湖 241004)

随着高层建筑的不断增加，电梯数量也在与日俱增，但在电梯数量增加的同时，电梯本身的制造质量以及维修保养的质量都在逐渐下滑.为了解决这个问题，利用在电梯轿厢和机房安装传感器的方式采集电梯的状态信号，将其进行预处理之后通过无线网络发送至监控平台进行监控.

电梯;STM32f103;采集终端

0 引言

随着社会的不断发展，高层建筑逐渐增多，作为客货运输载体的电梯的需求也在逐年增加.目前，伴随着电梯数量的爆发性增长，电梯制造企业的数量不断增加，从而使得电梯制造企业之间的竞争变得更加激烈，这在带来低廉价格的同时却使得电梯的制造质量有所下降.另外，电梯数量的激增也使得成熟的电梯维修保养人员日渐匮乏.在以上2个因素的共同作用下，实际使用中的电梯的故障率始终居高不下.针对此状况，本研究设计出了一种电梯的远程监控系统来对电梯的故障进行监控，并对这个监控系统中的电梯状态采集终端进行了分析与设计.

1 电梯远程监控系统

本电梯远程监控系统在每台电梯上安装一个状态采集终端，将采集到的信号做出预处理后传输给基于Zigbee的CC2530芯片，然后通过CC2530的射频模块将多个状态采集终端的数据集中到一起，再通过GPRS DTU模块发送至监控平台加以监控.监控系统的总体结构如图1所示.

图1 监控系统总体结构图

本监控系统的设计思路是，先通过在电梯轿厢和机房等地安装相关传感器采集电梯的状态数据，再经单片机对传回的数据做出处理，最后通过无线网络传输到监控平台进行实时监控.

系统终端采集的电梯状态信号包括:轿厢内是否发生困人事件;电梯运行速度;机房温度;曳引机的温升和噪声;轿厢是否超载.以上5个电梯的故障状态分别使用HC-SR501人体感应模块、数字式加速度传感器 ADXL345、数字式温湿度传感器DHT11、噪声传感器(龙戈电子的一款物联网噪声传感器模块)及数字压力传感器FST800－801等传感模块对信号数据加以采集.

2 硬件设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件设计的核心MCU采用STM32f103，其是一种基于Cortex-M3内核的32位ARM处理器.该系列芯片有小容量(16K和32K)、中容量(64K和128K)、大容量(256K、384K和512K)等3种 Flash容量的产品可供选择，其最高工作频率72 MHz，在存储器的0等待周期访问时可达1.25 DMIPS/MHz，可以进行单周期乘法和硬件除法的运算.

如图2所示，人体感应模块和噪声传感器通过光电隔离与STM32f103单片机相连.这样可以大大提高整个系统的抗干扰能力，同时也可以对STM32f103单片机形成一个很好的保护.而对于加速度传感器、温湿度传感器和压力传感器这3个模块，由于选用的是可以直接输出数字信号的传感器，故可以直接和STM32f103单片机相连.

电源模块采用LM2576HV降压模块，其输入电压范围为5～60 V，输出电压范围为1.25～26 V.选用此模块的原因是采用降压模块的电源一般能够输出数值较为稳定的电压值，有利于整个系统的稳定运行.

图2 硬件结构图

对于数据的发送，选择CC2530模块，将其与STM32f103单片机的SPI接口相连，这样就可以将MCU中的信息传输给CC2530.CC2530本身有80C51单片机作为内核，另外还集成了Zigbee的射频模块，这就相当于是一个网络中的路由器，通过这个路由器可以将这台电梯的信息进行汇总，然后通过GPRS DTU进行发送，完成整个电梯状态的采集操作.

2.2 传感器信号检测与处理

系统终端各传感器信号的处理方式如下:

1)轿厢内是否发生困人事件.检测人体感应器HC-SR501，定义红外模块输入I/O口为PA0口，用一个检测口PA3.如果发生困人故障，人体感应模块会输出一个高电平.当单片机检测到高电平脉冲信号时即可以判断电梯内有乘客.

2)电梯运行速度.采用数字式加速度传感器ADXL345.在实际应用中仅需要读取其Y轴的数据即可，读取Y轴的数据之后，将其进行积分运算得出电梯实际运行的速度值，具体做法为，将ADXL345的CS引脚连接到板上的VS引脚，这样SDA就被设置为I2C总线的数据引脚，SCL就被设置为I2C总线时钟引脚.最后将VDD连接到3 V电压，将3个GND引脚接地，把ADXL345的SDO连接到 ARM处理器 STM32f103的 PB0引脚.将ADXL345的 INT1和 INT2连接到 ARM处理器STM32f103的PC1和PC2，以产生中断信号.

3)机房温度.采用数字式温湿度传感器DHT11，在一定的时间内对机房温湿度进行采集，再取平均值.监控节点中采用DHT11采集温度，其与MCU采用串口连接，使用单总线数据格式.完整的数据传输是40位，前16位是湿度部分，中间16位为温度部分，后8位为校验位.只需要读取中间16位表征温度的部分即可.这16位中的前8位为温度的整数部分，后8位为小数部分.本设计将DHT11的1pin接3.3 V电源，4pin接地，2pin接STM32f103的PA0.

4)曳引机的温升和噪声.采用DHT11来对曳引机的温升进行采集，也是采用取平均值的方法，对于噪声采用物联网噪声传感器模块进行采集，DHT11连接方式同上.

5)轿厢是否超载.采用数字式压力传感器FST800-801来进行采集.选用 RS485六芯线的FST800-801传感器，将 RS485接口直接和STM32f103相连，直接读取传感器采集的数值.

3 软件设计

3.1 软件总体框架

系统软件设计的思路是，将传感器传输回来的信号和预设的电梯正常信号进行比较，如果不同，则判定为电梯出现故障，并将这个判定的结果送入通信模块发送出去，从而完成对电梯故障状态的采集和预处理.软件设计的总体构架如图3所示.

图3 软件设计示意图

3.2 电梯故障状态的判定

系统对电梯故障状态先进行采样，将采样值通过事件传输给主程序.主程序记录故障状态信息和正常电梯状态信息，然后将这2个信息作为数据包发送出去.

主程序中，对是否困人故障定义为低电平有效;对电梯速度设定一个预设值，与其进行比较;对温度事件设定一个温度区间，如果超过这个温度区间即判定为故障;对噪声值设定一个最大值，如超出最大值即判定为故障;对电梯超载事件，设定一个最大值，如果超过这个最大值则判定为故障.

4 通信模块

当基于STM32f103单片机的MCU对故障进行判断之后，将其与CC2530芯片连接，通过CC2530的射频模块将数据发送至路由器，再通过路由器将汇总而来的信号通过GPRS DTU发送至监控平台.具体通信过程如图4所示.

5 系统测试

在实验中，本研究选择一个小区的某台电梯进行实际的故障采集测试.在这台电梯上装好故障采集终端，测量电梯是否有人、运行速度、机房温度、曳引机温度和噪声、电梯载重量等信号.以上信号分别用经过检定的仪器测量出数值，再和采集到的实测信号进行对比，验证本系统故障采集终端的可靠性.同时，通过人为增加噪声和载重砝码超过规定的限值方法测试是否能够判断出故障.具体测试结果如表1和表2.

图4 通信过程流程图

表1 电梯测试结果1

表2 电梯测试结果2

6 结语

本研究设计了一种电梯远程监控系统，该系统在电梯上安装了一个基于STM32f103处理器的电梯状态采集终端，该终端能够有效检测出电梯实际运行中的几种典型故障，是电梯远程监控系统的核心部分.在实际运行过程中，本故障采集终端准确性和可靠性都能够满足设计要求，取得了良好的监控效果.

［1］李小康，范延滨.基于LM3S6432的电梯故障采集器设计［J］.现代电子技术，2014，38(3):110 －113.

［2］闫学勤，陈志军，谢丽蓉，等.基于无线传感网络的无机房电梯安监预警系统设计［J］.制造业自动化，2014，36(5):146－149.

［3］李敏，孟臣.数字式温湿度传感器SHT15及其应用［J］.单片机与嵌入式系统应用，2008，3(11):30－33.

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［5］方卉.基于单片机的温湿度监控系统［J］.科技与企业，2012，21(9):96 －98.

Design of Acquisition Terminal of Elevator State Based on STM32f103

LI Wen1，LI Yan2
(1.Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhu 241002，China;2.Wuhu Special Equipment Supervision Inspection Center，Wuhu 241004，China)

With the increase of high-rise buildings，the number of elevators grows.But at the same time，the manufacturing quality and the maintenance quality of the elevators are gradually declining.To solve the problems，this paper uses the sensors installed in the elevator car and the machine room to collect the elevator status signals，which are sent to a monitoring platform for monitoring by wireless network after pretreatment.

elevator;STM32f103;acquisition terminal

TU857;TP274+.2

A

1004－5422(2015)01－0070－03

2015－02－16.

安徽省高校青年基金重点科研课题(2013SQRL109ZD)资助项目.

李 文(1982—)，女，硕士，讲师，从事计算机自动控制技术研究.