基于GPRS电梯限速器校验关键数据远程传输系统研究*

周叶平，兰清生，汪有韬，胡 诚，毛锦荣

（江西省检验检测认证总院特种设备检验检测研究院，南昌 330052）

0 引言

电梯限速器是电梯一个非常重要安全部件，是避免电梯轿厢（或者对重）超速运行的重要安全保障装置，也称之为断绳保护和超速保护[1]。2017 年10 月1 日已实施的TSG T7001-2009《电梯监督检验和定期检验规则——曳引与强制驱动电梯》第2 号修改单附件A 的2.9（4）中对限速器作出了明确规定：“对于额定速度小于3 m/s 的电梯，检验人员还需每2 年对维护保养单位的校验过程进行一次现场观察、确认”[2]。从电梯检验规则的修改上可见国家相关职能部门对电梯限速器校验工作的重视程度[3]。然而基于现实严峻的检验人机比矛盾、每台限速器校验时间基本与整台电梯其他检验项目耗时差不多的情况，实现逐台校验并现场观察，进一步加剧了这一矛盾[4]，如果能够实现将限速器现场校验数据远程传输至服务器，能够有效减少现场检验时间，同时能够实现数据永久保存、实现测试数值可追溯，能够有效提高检验人员工作效率，降低检验检测机构人力成本[5-7]。

本文在4G技术基础上，开发了一套基于STM32F103和EC20 的4G 通信系统，该通信系统能够实现移动互联网与限速器校验系统的无线连接，能够远程获取电梯检验过程限速器的校验数据并上传至ONENET 平台。本系统所用的主芯片STM32F103RBT6 是ST 公司基于ARM 最新Cortex-M3 架构内核的32 位处理器，其芯片内置128KB的Flash、20KRAM、12位AD、4个16位定时器和3 路USART 串口通信等资源。4G 通信模组采用移远EC20 模组，采用MQTT 网络协议与ONENET 云平台进行通信，传输的数据有限速器编号、限速器电气速度、限速器机械速度。

1 系统总体设计方案

本系统设计使用的主控芯片是STM32F103RBT6芯片和EC20控制器，将STM32F103RBT6通用定时器TIM2设置为输入捕获模式，通过设定上升沿捕获限速器校验仪中霍尔接近开关产生脉冲时刻计数器计数值的锁存实现被测信号的周期计算，通过采集限速器电气开关的动作作为最高级中断，在中断中计算发生中断时被测信号的周期，通过换算即可得到当前限速器的转速及线速度；将计算得到最大速度值作为机械速度。将计算得到的线速度通过串口传输给EC20 通信模块，EC20 通信模块再将数据上传至ONENET 云平台[8-9]，通过PC 端或者移动客户端均能实现数据的检测，系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

2 硬件设计

本监测系统硬件包括速度采集电路（霍尔接近开关）、STM32 控制芯片最小系统、GPRS DTU 通信模块、供电模块、串口电平转换模块等。

2.1 速度采集电路

速度采集采用霍尔接近开关（型号：HG-HL12），输入电压为10～30 V，输出级为一个集电极开路NPN 管。采用12 V 电压给传感器供电，在没有磁钢靠近时，传感器输出+12 V，有磁钢靠近时，传感器输出0 V，为匹配单片机STM32TTL 电平及定时器上升沿捕获的设计，设计2 个电阻及非门实现信号的分压与反转，实现信号电平的匹配[10]的电路如图2所示。

图2 霍尔接近开关速度采集电路

2.2 STM32控制芯片最小系统

主控芯片采用ST 意法半导体生产的STM32F103RBT 6，STM32F103RBT6 是ST 公司基于ARM Cortex-M3 架构内核的32位处理器，内置128KB 的Flash、20 K 的RAM、4 个16 位定时器和3 路USART 通信口、时钟频率最高可达72 MHz，采用LQFP64 封装形式，其最小系统包括单片机、电源、晶振电路、复位电路以及其他电路等几个部分，采用输出直流12 V 的电源适配器给系统供电，能够直接提供霍尔接近开关所需+12 V 电源，通过LM2596 及AMS1117 稳压芯片可以分别为控制系统提供+5 V、+3.3 V、+3.8 V供电。其最小系统如图3所示。

图3 STM32控制芯片最小系统

2.3 EC20通信模块

根据移远公司EC20 硬件设计手册设计了EC20 通信模块的电源电路、SIM 接口电路、USB 电路，EC20 通信模块电路如图4所示。

图4 EC20通信模块电路

2.4 串口电平转换电路

系统中设计使用了2路串口，USART1用于连接电脑调试，USART2 用于与EC20 通信，电平转换硬件电路设计如图5所示。

图5 串口电平转换电路

3 软件设计

为缩短项目开发周期，本系统软件采用Keil5开发环境，充分利用ST公司推出的官方固件库函数提高系统软件开发效率。设计的系统软件包括I/O 口初始化函数，系统时钟初始化函数，串口初始化函数、4G 模块EC20的IO 层初始化函数、创建Onenet 平台连接函数、断开Onenet 平台连接函数、数据上传Onenet 平台函数、心跳检测函数等模块。

由于系统只负责限速器编号、限速器速度（电气和机械）数据的传输，不存在复杂的任务调度，采用裸机环境。系统在硬件初始化（I/O 口初始化函数，系统时钟初始化函数，串口初始化函数、4G 模块IO层初始化函数）后等待限速器电气开关中断响应，如果没有中断发生，ATM32 通过定时器3 每25 s 发送一次心跳包给4G 通信模块EC20，避免通信系统的中断[11]，如果有限速器电气开关中断响应的发生，则响应中断函数，将中断函数中计算得到的速度值向OneNET 平台发送。其系统总程序如图6所示。

图6 系统总程序

3.1 限速器速度采集软件

以三菱电梯限速器为例，ZDGZ-200 或者DG-640 两种型号限速器能够覆盖匹配额定速度0.5～4.0 m/s的电梯，节圆直径D为240 mm 或者320 mm，通过式（1）计算可得频率为0.66～3.99 Hz。

由于被测信号频率低，为提高脉冲周期计算的精度，宜采用计时法测量信号脉冲周期，通过计算可得线速度值，计时法误差分析与方案如下。

图7 计时法测量原理

计时法误差分析：造成测量误差原因是计数器只能进行整数计数，而在Tx1时间窗口内，却不一定刚好有整数个标准信号周期。因此计时法造成的最大测量误差为±1 个标准信号周期，参考公式TX1=N1×TC1，若计数结果为N1，则测量周期的最大可能值为TX1=（N1+1）TC1；最小可能值为TX1=（N1-1）TC1。则相对周期误差为：ΔT=±1/N1×100%，可知，N1越大，相对周期误差越小。即标准信号频率远高于被测信号频率时，TX1被测信号周期内的被测信号脉冲越多（N1很大），计时法得到的结果就越准确；为提高结果的准确度，将STM32 内部时钟设置为最高频率（72 MHz）进行计数。使用STM32通用定时器的捕获功能将上升沿时刻的计数器计数值锁存在“捕获/比较寄存器”，每次捕获都触发中断，并在中断服务程序中逐一读取“捕获/比较寄存器”中锁存的时刻。

软件设计步骤如下：（1）使能定时器和GPIO 时钟；（2）将TIM2CH2 的输入管脚PA1 配置成输入模式且配置定时器时基单元，设定计数器溢出值为65535；（3）配置输入捕获器；（4）使能定时器中断；（5）配置向量中断控制器NVIC；（6）使能定时器；（7）编写定时器中断服务程序，在中断服务程序中需要注意用于捕获的TIM2有可能在临近的两个输入脉冲的上升沿之间发生一次乃至多次溢出或者更新，从而造成时间间隔计算错误；需要设置为允许同时更新中断和捕获中断；如果是溢出，则对溢出次数值加一，直至下一个输入上升沿引发捕获中断，则可以通过溢出次数值、本次捕获发生时的定时器数值、上一捕获发生时的定时器数值来计算两次捕获发生之间的时间间隔。

3.2 OneNET云平台接入

设备在接入OneNET 之前，首先要在平台上注册账号、创建设备，然后通过网络和OneNET服务器建立TCP连接，最后按照MQTT协议将数据打包上传至OneNET平台；登录已有用户账号密码,在控制台设备列表中创建产品、添加设备，在设备接入协议一栏选择MQTT、在网络中选择蜂窝网络。产品创建完成后记录下产品ID、APIKey，以便下次开机时能够读取产品ID和APIKey，用来登录OneNET平台。OneNET平台接入过程如图8所示。

图8 OneNET平台接入过程

在OneNET 平台上能够很轻松实现数据的转发和存储，为更直观地将数据展现，应用Onenetview 设计了大屏展示界面，设计的界面如图9所示。

图9 Onenetview界面

4 测试验证与结果分析

为验证限速器校验速度值的准确度，采用两种不同的线速度测量方式测得的线速度值与限速器校验OneNET 平台测得的速度进行对比，接触式线速度测试采用瑞典SKF 多功能测量转速计（TKRT10）、非接触式线速度测试安徽中科XC-3 限速器校验仪现场测试限速器动作的速度值，由于瑞典SKF 多功能测量转速计（TKRT10）只能测得线速度单位为m/min，需要进行单位换算统一单位为m/s，换算后保留小数点后2位有效数字，通过4 台限速器校验速度（电梯下行方向，每次测量3 次后记录平均值）测得结果如表1 所示。由表可知，通过对4台额定速度不同电梯限速器进行校验测速结果，限速器校验OneNET 平台测得的速度与其他两种测得的速度最大相对误差为2%。

表1 3种不同速度测试方式对比表

5 结束语

经过反复测试，本文研究的限速器校验速度值远程传输系统运行安全可靠，终端操作简单，解决了目前限速器校验过程数据无法实现远程传输的问题，对于其他同类设备产品的设计开发具有很好的参考性。研究的限速器校验OneNET 平台通过与瑞典SKF 多功能测量转速计（TKRT10）及安徽中科XC-3限速器校验仪对比，速度测试准确度及精度符合实际检验需要，能够替代检验人员现场观察确认限速器校验的过程，提高了电梯检验工作效率。