基于载波通信技术的曳引电梯无线监测系统设计

2021-04-22周茗皓

数字技术与应用 2021年2期

周茗皓

(安徽省特种设备检测院电梯检测二中心,安徽合肥 230051)

图1 系统结构示意图Fig.1 System structure diagram

随着城市化发展和社会的不断进步,房地产行业得到快速发展,同时带动电梯行业进入高速发展的时期。据市场监管总局发布的《关于2019年全国特种设备安全状况的通告》[1]表明,截止2019年底,电梯设备总量达到709.75万台。电梯行业的高速发展在给人们生活带来便利的同时,不可避免的会导致因发展过快带来的行业水平下降的现象出现,而现有的运维人员数量无法满足电梯的日常维护以及故障处理,近年来电梯事故的发生越来越引起社会的关注[2]。2018年发生电梯事故31起[3],2019年发生电梯事故33起。为有效解决电梯事故的发生[4],除了完善规章制度外,随着嵌入式开发技术、物联网技术以及载波通信技术等的逐步成熟,本文利用载波通信技术对曳引电梯的无线监测系统进行了设计与开发[5]。由于梯井深度的不同,直接无线传输信号衰减太大,可靠性较差,对讲机等无线通信技术的局限性较大[6]。利用载波通信技术,可以解决了传统电梯运行数据传输的问题,一方面可以在终端随时了解电梯的详尽身份信息,另一方面可以对电梯的实时运行状态进行监控,进行预警及报警工作,能够辅助运维人员及时对故障信息做出相应,加快电梯的异常状态修复工作。

1 电梯无线监测系统架构

曳引电梯无线监测系统的架构示意图如图1所示。发送部分主要通过微处理器外围搭建的传感器检测电路对电梯状态信息进行采集,然后通过KQ-130载波通信模块将数据传送至接收部分微处理器,最后通过与触摸屏的互联实现人机交互功能。系统的结构搭建完成后,运维人员可以通过触摸屏了解电梯的实时状态信息并进行决策工作。

2 系统硬件设计

基于载波通信的曳引电梯无线监测系统的硬件设计是以STM32F103为主芯片,辅以电源电路、传感器检测电路、载波通信模块、显示模块等共同组成的[7]。

2.1 微处理器模块

硬件以单片机STM32F103微处理器为核心进行设计[8]。STM32F103是基于ARM核心的32位精简指令集微控制器,额定电压3.3V,具有计算性能优越、能耗低、中断响应快、价格适中等特点,最小电路图如图2所示。

2.2 电源模块

由于STM32F103单片机的工作电压为2～3.6V,因此需要电源模块对电压的输出进行调整,本系统采用LN1134A2D芯片将5V电压调整至3.3V,电压调整电路如图3所示。

2.3 传感器模块

传感器部分主要负责检测电梯在运行过程中轿厢的振动情况,本系统采用ADXL345三轴数字加速度传感器来收集X,Y,Z三轴的加速度数值,应用在电梯运动场景中具备分辨率高、灵敏度高、功耗低等优势,非常适合移动设备的加速度检测,具体参数如表1。

表1 ADXL345性能参数Tab.1 ADXL345 performance parameters

2.4 通信模块

载波通信技术被广泛用于电力线载波,主要面向电力抄表,路灯控制等[9],本系统选择容易开发的KQ-130电力载波模块。KQ-130是采用FSK调制技术的单列9针小体积高性能过零载波数据收发模块,体积小,载波发射功率大,抗干扰能力强,支持透传,传输性能稳定可靠。载波模块与单片机连接图如图4所示。

2.5 显示模块

显示部分采用深圳优信电子科技有限公司生产的7寸触摸屏作为人机交互模块,像素为800×480,供电电压为5V,可通过串口与单片机进行交互。显示模块包含对电梯基本信息的显示、电梯环境状态信息显示以及故障报警及响应。

3 系统软件设计

曳引电梯无线监测系统的软件设计以STM32F103微处理器为控制芯片,外部扩展采集状态所需传感器以及人机交互触摸屏。控制芯片上电后首先执行初始化任务,初始化完成后根据各传感器以及I/O口反馈的信息对电梯状态进行评估,然后由KQ-130载波通信模块将电梯环境状态信息发送至终端,利用人机交互触摸屏对信息实时显示,从而实现对曳引电梯状态的实时无线监测。主程序设计流程如图5所示,主程序初始化之后进入循环。初始化中包括对定时器,外部中断和串口的初始化,执行循环AD转换,扫描传感器,发送数据等步骤。