电力载波技术在电梯监测系统中的应用与实现

安阳工学院计算机科学与信息工程学院 常国权 张捐净

电力载波技术在电梯监测系统中的应用与实现

安阳工学院计算机科学与信息工程学院 常国权 张捐净

为了能够及时发现电梯在运行过程中的异常情况，及时预防事故的发生，采用STM32对安装在电梯上的各类传感器进行参数采集，并通过电力载波通讯把电梯参数实时地传输到上位机监控系统，上位机将电梯运行参数进行实时显示并与正常数据进行比对、分析，预测将要出现事故的时间和概率，从而提前采取必要的措施，预防电梯事故的发生。经过实验，该系统达到了预期的监测效果。

电力载波；电梯监测；STM32F103；MPU6050；DHT22

1 引言

近年来，随着楼层的建设越来越高，电梯的使用愈加广泛[1]。电梯的广泛使用也带来了新的问题，其中最突出的是电梯设备的安全监测不到位，为了保证电梯的运行安全，预防事故的发生，本文采用STM32F103C8T6微控制器对安装在电梯上的门开关传感器、红外人体传感器、加速度传感器、水平传感器、超重传感器等各类传感器进行参数实时采集，并通过电力载波模块传输到电力线上，把电梯各个传感器参数实时地传输到上位机监控系统，由上位机监控系统把电梯运行参数进行实时显示并与正常数据进行比对、分析，以预测电梯故障发生的概率、电梯不稳定因素以及将要出现故障的时间等，从而提醒管理部门提前采取必要的措施。

2 系统总体设计

该电梯监测系统主要由参数采集部分、电力载波通讯部分、上位机监控系统三部分组成。参数采集部分主控制器采用意法半导体公司生产的STM32F103C8T6，主控制器通过采集门开关传感器、加速度传感器、温湿度传感器、红外人体传感器等各路传感器的数据，并将采集到的传感器数据经通过电力载波通讯发送至上位机监测系统。上位机监测系统分解出各个参数并进行显示，同时把参数写入SQL Server数据库进行存储。电力载波通讯部分主要由多个电力载波模块组成通讯网络，电力载波模块负责对STM32微控制器传送过来的数据进行调制或解调，并通过电力线把各个电梯节点的参数传送给上位机监测系统。系统的总体结构示意图如图1所示。

图1 系统的总体结构示意图

3 系统硬件设计

3.1 STM32和电力载波模块接口设计

从成本和性能综合考虑，系统的主控芯片采用的是意法半导体公司生产的STM32F103C8T6，它是基于的ARM 32位的Cortex™-M3内核架构，稳定工作频率可达72MHz。STM32F103C8T6拥有64K程序存储器、20K字节SRAM、2个12位模数转换器、3个USART模块、2个I2C模块等丰富的资源模块，并支持串行单线调试（SWD）和JTAG接口调试模式[2]。电力载波模块选用的是KQ-130F，KQ-130F具有体积小、抗干扰能力强、传输距离远等特点[3]。KQ-130F通过串口与STM32F103C8T6进行数据通信，该模块直接与STM32的串口端交叉相连，即电力载波模块的TX端与STM32的RX端相连，RX端与STM32的TX端相连。KQ-130F的电源由LM2596电源模块提供，两个AC端口与220V电源相连接，利用220V电力线进行数据传输。STM32和电力载波模块的接口设计如图2所示。

图2 STM32和电力载波模块的接口设计图

3.2 STM32和传感器接口设计

系统的姿态采集传感器采用MPU6050惯性传感器来获取电梯运行时的加速度和其振动的情况。MPU6050是I2C接口，因此可以把该芯片直接接到STM32微控制器I2C1接口，即MPU6050的时钟引脚SCL连接到STM32的PB6，数据引脚SDA连接到STM32的PB7引脚，数据中断引脚连接到PB5，为了增强驱动能力在每个引脚上都加入了10K的上拉电阻，因为使用的是硬件I2C接口，STM32和MPU6050数据、时钟接口必须一致[4]。系统选取了DHT22作为系统的温湿度采集模块，DHT22温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保其具有极高的可靠性与长期的稳定性。DHT22采用特殊的单总线方式进行数据传输，其数据传输端口DO与STM32的PA0引脚相连。DHT22的数据端口接一个4.7K的上拉电阻以确保数据的准确性。系统采用HC-SR501人体红外热释电探测模块用来感应是否有人存在。此模块的输出端OUT与IAP15单片机的PA2引脚相连。MQ-2作为气敏传感器主要用来检测电梯内部的易燃易爆气体。MQ-2具有DO开关信号（TTL）输出和AO模拟信号输出，MQ_IN模拟端与STM32的PA1引脚相连以实现MQ-2与单片机的通讯。STM32和传感器接口设计原理图如图3所示。

图3 STM32和传感器接口设计原理图

4 系统软件设计

软件设计主要包括电梯主控采集系统下位机底层驱动软件的设计和上位机电梯监测系统及数据库设计，电梯下位机软件在ARM Keil开发环境中用C语言编写，上位机电梯监测系统软件主要使用VC++6.0和SQL Server 2005进行开发。

图4 主控采集系统软件流程图

4.1 电梯监测系统下位机软件设计

主控采集系统的作用就是把各路传感器采集到的信息收集起来，经过一定的计算和转化，然后添加地址、校验和等信息后打包发送至电力载波模块进而发送至上位机上进行显示和存储。主控采集系统接收姿态采集传感器MPU6050的数据时用到了STM32的I2C数据传输功能，STM32微控制器内部有2个硬件I2C通讯模块，程序设计直接编程驱动硬件I2C模块工作，无需模拟I2C通讯，进一步简化了驱动程序的编写。温湿度传感器DHT22则采用了特殊的单总线数据传输方式，即一个数据线即可完成数据的发送，节省了单片机的IO资源。采用电力载波通讯技术完成下位机到上位机的数据传输功能，进行下位机与上位机之间的通讯，省去了单独布线的繁琐。主控采集系统软件流程图如图4所示。

4.2 上位机监测软件设计

上位机监测软件在VC++6.0开发环境下使用MFC框架类，基于对话框模式开发，其中使用到了串口通讯类以及API调用的方法和ADO数据库技术。MFC上位机软件的设计主要是用来显示下位机发来的电梯监测传感器采集的数据。上位机采用串口模块与电力载波接收模块进行数据的通讯。本系统的监测界面采用分片式设计的方法设计。整个界面左半部分用来显示各路传感器采集到的轿厢的各个环境参数以及电梯运行的状态参数，左下角用来显示当前的系统时钟，界面的右半部分来用显示读取到的数据库信息。上位机接收到来自单片机的数据后，分解得到各个参数，然后分别显示到不同的区域，并将各个参数存储至SQL Server数据库，然后读取SQL Server数据库的值后显示在界面的右半部分区域内。上位机监测界面如图5所示。

5 结论

本文设计了一种基于电力载波通讯的电梯监测系统，论述了系统的硬件和软件设计与实现，经过实验验证了系统的有效性和实用性，该系统能够实时监测电梯的运行环境，及时发现电梯在运行过程中的异常情况并报警，防止安全事故的发生，保证人身安全。

[1]张智,唐露新,陈思成．电梯故障记录仪系统设计[J]．电子产品世界,2014,06．

[2]ST Microelectronics．STM32F103x8 Datasheet [DB/OL]．http：//www．st．com/．

[3]四川科强电子技术有限责任公司．KQ-130F电力载波模块手册[DB/OL]．http：//www．kq100．com/．

[4]TDK InvenSense．MPU-6050 Product Specification [DB/OL]．https：//www．invensense．com/．

2016河南省高等学校重点科研资助项目，项目编号：16A520034。