基于ARM的电梯能耗远程监测系统

陈继文 ，李 鑫 ，李 丽 ，张树昌 ，王晓伟

（1.山东省绿色建筑协同创新中心，济南 250101；2.山东建筑大学 机电工程学院，济南 250101；3.哈尔滨工业大学 机电工程学院，哈尔滨 150001）

电梯是建筑设备中的“耗能大户”，它所消耗的能量一般占整个建筑总能耗的5%～15%，我国电梯保有量已超过490万台，以每台电梯每天用电40度计算，每年电梯用电量超过715亿度[1-3]。目前电梯能耗的相关研究主要在于电梯能耗测试方法和电梯能效等级的划分[4-5]，对于电梯能耗的远程监测手段研究还需加强。国内外现有的电梯远程监控系统，侧重于电梯安全故障的监控，对于电梯能耗的监测还有待进一步完善[6-7]。因此，本文进行基于ARM的电梯能耗远程监测系统的研究，为评估电梯能耗状况提供依据，具有重要的理论研究意义和实用价值。

1 总体设计方案

搭建一台基于ARM控制的四层站电梯模型，作为能耗监测的对象，根据此模型开发电梯能耗远程监测系统，实时监测电梯模型的能耗数据及运行参数，电梯能耗远程监测系统总体设计方案如图1所示。STM32控制卡为核心控制部件，主要功能为控制电梯运行，处理及传输电梯相关数据。STM32控制卡通过控制变频器和门系统，实现对电梯模型的控制；通过收集曳引机编码器数据、平层传感器状态、轿内指令和层站召唤指令，获取电梯位置和运行状态；通过能耗采集模块，获取电梯能耗数据；通过与远程上位机进行通信，实时传输收集到的数据。远程上位机对数据进行存储、分析等处理后，显示到上位机监测界面。

图1 系统总体设计方案Fig.1 Overall design of the system

2 能耗监测系统硬件设计

2.1 STM32控制卡

本文采用了STM32F103ZET6芯片作为控制核心，该芯片是ST公司基于Cortex-M3内核开发的32位微处理器，最高工作频率为72 MHz，拥有64 KB SRAM、512 KB FLASH、2个基本定时器、4个通用定时器、2个高级定时器、5个串口，1个CAN接口，1个FSMC接口以及112个通用I/O口等，丰富的片上资源简化了硬件系统，同时降低了系统功耗，大大增强了能耗监测系统的实时性和可靠性[8]。控制卡选用2.8寸TFTLCD电阻触摸屏显示作为显示部分，实时显示电梯能耗数据和系统时钟。触摸屏与STM32处理器的FSMC接口相连，减轻了处理器负担，提高了系统运行速度。

2.2 无线通信模块

STM32控制卡通过无线通讯模块连接能耗采集模块与远程上位机，无线通信的传输速度和质量影响着数据采集稳定性。本文采用AS13B-TTL无线通信模块，该模块具有尺寸较小、传输距离较远、能耗低、数据自动纠错等功能，该模块采用TTL电平输出，兼容5 V和3.3 V，方便与STM32控制卡和能耗采集模块相连。

2.3 能耗采集模块

本文选用PZEM-004能耗采集模块对电梯模型的能耗进行采集，能耗采集模块工作流程如图2所示。模块工作时，互感器采集被测电路的电压和电流信号，信号经滤波和放大电路处理后送入数模转换电路，将输入的模拟信号转换为数字信号送入单片机中进行计算[9]，得出电梯的功率和能耗数据，并通过无线通信模块将电梯的电压、电流、功率和能耗数据发送给STM32控制卡。能耗采集模块的测量精度为小数点后两位，电压的测量量程为AC80-260 V，电流的测量量程为0～100 A。

图2 能耗采集模块工作流程Fig.2 Working flow chart of energy acquisition module

能耗采集模块采集的功率为总有功功率，总有功功率等于一个周期内瞬时功率的积分平均值，瞬时功率等于瞬时电压与瞬时电流的乘积。瞬时电压v（t）和瞬时电流 i（t）的计算公式如式（1）和式（2）所示：

式中：Vk为各次谐波的电压有效值值；Ik为各次谐波的电流有效值；φk和γk分别为各次谐波相移[10]。

瞬时功率 p（t）的计算公式如式（3）所示：

总有功功率等于平均有功功率P，计算方法为瞬时有功功率p（t）经过n个电网周期T的积分后取平均值，如式（4）所示：

3 能耗监测系统软件设计

3.1 上位机界面设计

上位机采用VB6.0中的MSComm通信控件，实现上位机与STM32控制卡的通信。使用MSComm通信控件无需使用复杂的API函数，通过简单设置几个参数即可实现串行通信，在开发监测系统中具有其独特的优势[11]。

上位机功能如图3所示，主要包括初始界面、参数设置界面、主界面和数据显示界面。用户在初始界面进行登录和用户管理，通过参数设置界面对系统参数进行设置。主界面中显示电梯运行状态，电流、电压和功率数据的折线图。数据显示界面详细显示电梯的电压值、电流值、功率值和能耗值。

图3 上位机功能图Fig.3 Upper computer function diagram

3.2 触摸屏界面设计

STM32控制卡的触摸屏分为主界面、能耗界面、电梯状态界面和通信界面。主界面中可进行界面选择和参数设置；电梯状态界面用于显示电梯运行状态和所在楼层，STM32控制卡通过485通信接收电梯状态信号以及通过编码器检测到的曳引电机转动圈数，分析电梯处于的楼层和运行状态；能耗界面用于显示电梯能耗的相关数据，包括电压值、电流值和电功率值等，STM32控制卡根据系统设置的刷新频率通过无线通信模块向能耗采集模块发送查询请求，并将接收到的数据分析、整理后显示到触摸屏的能耗界面；上位机通信界面用于显示STM32控制卡通过无线通信模块与远程上位机通讯的所有数据。

为避免各个功能之间相互冲突，本文将STM32控制卡的中断优先级做如下设置，RS485通信中断优先级最高，能耗检测中断优先级次之，与上位机通信优先级最低，图4所示为STM32控制卡工作流程。

图4 STM32控制卡工作流程Fig.4 Working flow chart of STM32 control card

3.3 能耗数据采集

图5 能耗数据读取Fig.5 Energy consumption data reading

STM32控制卡读取能耗数据的流程如图5所示。STM32控制卡通过无线通信模块向能耗采集模块发送查询请求，对返回的数据进行校验码核对，校验码通过后，识别数据包中的标识符，读取相应的数据，并对数据进行存储。能耗数据包格式如表1所示，标识符和校验码各占1 B，能耗数据为5 B，能耗数据标识符如表2所示。能耗数据包的校验码计算方法为将标识符数据和数据包数据求后取后两位作为校验码。

表1 能耗数据包格式Tab.1 Data format for energy consumption

表2 能耗数据标识符Tab.2 Identifier for energy consumption data

3.4 上位机通讯

上位机通过无线通信模块与STM32控制卡实时通信，获取电梯相关参数，上位机使用的通信参数为9600 b/s的数据传输速率，1位开始位，8位数据位，1位停止位，无奇偶校验位。上位机通信数据格式如表3所示。数据包由标识符、电压数据、电流数据、功率数据、能耗数据、电梯状态信息组成。标识符由模块地址和指令码组成，标识符大小为2 B，电压、电流、功率和能耗数据分别由整数部分和小数部分组成，大小为2 B，状态数据由轿厢所在楼层、运动状态和运动方向组成，大小为3 B。

表3 上位机通讯数据格式Tab.3 Data format of upper computer communication

上位机与STM32控制卡的通信过程如图6所示，上位机工作时，首先进行初始化，读取系统参数，检测无线通信是否正常，与STM32控制卡建立通信后，根据系统设置的刷新频率向STM32卡发送查询请求，并将返回的数据处理后在上位机界面进行显示。

4 试验结果及分析

图7所示为四层电梯模型实物图，以此模型作为监测对象，将能耗测试点设置为电梯模型总电源的输入端，通过监测电梯模型工作时的能耗数据，对系统进行验证。

图6 上位机通信流程Fig.6 Upper computer communication flow chart

图7 四层站电梯模型Fig.7 Elevator model of four storey station

基于ARM的电梯能耗远程监测系统实现了上位机与STM32控制卡的实时通信，上位机将接收到的数据处理成折线图，图8所示为电梯静止时功率数据的折线图，电梯静止时的总功率为15 W左右，图9为电梯上升时功率数据的折线图，电梯运动时的总功率为68 W左右。

图8 静止时功率折线图Fig.8 Power of elevator static

图9 上升时功率折线图Fig.9 Power of elevator rising

本次试验成功采集了电梯模型的能耗数据，上位机界面显示的折线图清晰地展现了数据的变化趋势，实现了对电梯能耗的远程监测，通过对采集到的能耗数据进行分析，发现电梯轿厢的运动对电梯的能耗影响非常大，可通过优化电梯的调度算法，减少电梯的空行程，缩短电梯运行时间，从而降低电梯的总能耗。

5 结语

为了远程监测电梯的能耗数据，本文设计了一种基于ARM的电梯能耗远程监测系统。首先设计搭建了四层电梯模型作为能耗监测对象，进而设计了能耗数据的远程无线传输及上位机监控系统。基于ARM的控制电梯模型可以实现电梯的基本功能，包括电梯的上下运行控制，各个楼层的数据显示，各个楼层的电梯召唤，轿厢门的开关，轿厢内的选层等。STM32控制卡实时地采集电梯运行的能耗数据相关参数，并通过无线通信向上位机远程传输电梯能耗数据。上位机显示界面实时显示电梯的电压，电流，电功率及电梯的运行状态，上位机将数据存储并做成折线图展示电梯能耗的变化。试验表明，该控制系统能够完成电梯模型能耗数据的实时远程监测，该系统可以为评估电梯能耗状况及改善高耗能电梯的运营状况提供依据，具有重要的理论研究意义和实用意义。

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