基于STM32和安卓的電梯狀態(tài)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

陳崢，儲(chǔ)穎君（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211189）

基于STM32和安卓的電梯狀態(tài)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

陳崢，儲(chǔ)穎君
（東南大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京211189）

文中針對(duì)目前大部分電梯檢測(cè)方案存在的不易操作的問(wèn)題，提出了一種便捷的基于STM32和安卓的電梯狀態(tài)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要由速度、加速度、溫濕度、光強(qiáng)檢測(cè)模塊及智能手機(jī)組成。各采集模塊完成數(shù)據(jù)采集與基本處理后，將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙傳給手機(jī)軟件。手機(jī)軟件分析處理測(cè)量數(shù)據(jù)，按照國(guó)標(biāo)閾值對(duì)測(cè)量值進(jìn)行初步分析，再使用層次分析法得到對(duì)電梯的總體評(píng)分。使用該系統(tǒng)對(duì)學(xué)校電梯了進(jìn)行檢測(cè)，評(píng)分結(jié)果與各電梯實(shí)際情況相符合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)可以較為準(zhǔn)確地評(píng)估電梯狀態(tài)。

電梯狀態(tài)檢測(cè)；STM32；安卓；藍(lán)牙

隨著電梯制造企業(yè)的蓬勃發(fā)展及高層建筑的涌現(xiàn)，電梯走進(jìn)了千家萬(wàn)戶。近兩年電梯事故有上升趨勢(shì)，其安全事故很容易給人們?cè)斐煽只牛訌?qiáng)電梯的安全性管理勢(shì)在必行。考慮到現(xiàn)在電梯安全的檢測(cè)以專(zhuān)業(yè)人士定期檢查為主，在檢查期以外意外損壞的電梯很容易引發(fā)事故，所以設(shè)計(jì)一個(gè)便攜式的電梯狀態(tài)檢測(cè)裝置具有重要意義［1］。本文將介紹基于STM32和安卓的電梯狀態(tài)檢測(cè)裝置。

此系統(tǒng)主要由電梯轎廂速度、加速度檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊以及用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析的智能手機(jī)組成。它們之間通過(guò)藍(lán)牙通訊，各參數(shù)采集模塊完成基本的數(shù)據(jù)采集與處理，并將結(jié)果通過(guò)藍(lán)牙傳輸給手機(jī)上的應(yīng)用程序。

1　總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。首先選取適當(dāng)?shù)膫鞲衅饕詫?shí)現(xiàn)對(duì)加速度、溫濕度、光強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集，然后完成整體電路的設(shè)計(jì)和制作，并進(jìn)行電路調(diào)理和測(cè)試。完成之后在STM32上編寫(xiě)MCU軟件完成各傳感器的數(shù)據(jù)采集功能以及藍(lán)牙模塊的通信功能。單片機(jī)與手機(jī)軟件通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。手機(jī)應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示等功能，能通過(guò)分析得到電梯的加速度、速度、水平度、振動(dòng)［2］等數(shù)據(jù)，從而可以比較準(zhǔn)確地判斷電梯的狀態(tài)是否良好。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1加速度傳感器

除了直接獲取的電梯轎廂加速度，還可以通過(guò)加速度傳感器獲取速度、振動(dòng)等與電梯狀態(tài)密切相關(guān)的信息。國(guó)標(biāo)GB/ T10058-2009《電梯技術(shù)條件》規(guī)定電梯起制動(dòng)加、減速度最大值應(yīng)不大于1.5 m/s^2；乘客電梯的轎廂運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)的最大峰峰值不應(yīng)大于 0.30 m/s^2，A95峰峰值不應(yīng)大于0.20 m/s^2［3］。其中，A95值的定義是在所定義界限內(nèi)95％的峰值小于等于的數(shù)值［4］。MMA8451Q是原飛思卡爾半導(dǎo)體生產(chǎn)的14位精度智能低功耗三軸加速度計(jì)，通過(guò)設(shè)置可達(dá)到800 Hz的測(cè)量頻率，它可被選擇工作在±2 g/±4 g/±8 g量程下，具有99 μg/Hz的較高的抗噪性能，在本系統(tǒng)測(cè)量中有著足夠的量程，采樣頻率也足以分析通常情況下固有頻率為幾十赫茲［5］的乘客電梯，可作為本系統(tǒng)的加速度傳感器使用。

圖2　加速度傳感器電路

MMA8451Q采用I2C總線方式進(jìn)行通信，還帶有數(shù)據(jù)采集中斷，使用時(shí)十分方便。

2.2光強(qiáng)傳感器

TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程配置的光強(qiáng)傳感器芯片，該芯片使用I2C協(xié)議進(jìn)行通信，由于是數(shù)字芯片，只需將數(shù)據(jù)通信引腳上拉即可與單片機(jī)直接連接，該傳感器可以勝任電梯狀態(tài)檢測(cè)中的光強(qiáng)測(cè)量。

2.3溫濕度傳感器

溫濕度不僅影響乘客乘坐電梯的舒適度，電梯故障率、壽命長(zhǎng)短同樣與它們有關(guān)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，溫度過(guò)高或過(guò)低可導(dǎo)致電梯故障率增加36％，壽命縮短33％；濕度過(guò)高或過(guò)低可導(dǎo)致電梯故障率增加41％，壽命縮短52％［6］。本系統(tǒng)采用SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT10數(shù)字溫濕度傳感器進(jìn)行溫濕度測(cè)量。該傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，內(nèi)部的14位A/D轉(zhuǎn)換器采集敏感元件信息后通過(guò)類(lèi)似I2C的兩線制串行通信電路傳輸數(shù)據(jù)，該芯片引腳只需上拉即可與單片機(jī)連接。

2.4微控制器

本系統(tǒng)采用的STM32F103ZET6是意法半導(dǎo)體的一款基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能、低成本、低功耗的32位微控制器。它的內(nèi)核時(shí)鐘頻率可達(dá)72 MHz，具有一定的運(yùn)算能力，內(nèi)嵌512 kB程序存儲(chǔ)器以及64 kB的RAM，使得系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與后續(xù)可能的功能擴(kuò)展變得容易。同時(shí)，STM32F103ZET6內(nèi)部帶有I2C通信接口，這讓微控制器與系統(tǒng)中使用I2C通信的加速度傳感器、光強(qiáng)傳感器等交換數(shù)據(jù)時(shí)十分方便。

圖3　系統(tǒng)中STM32F103ZET6的引腳分配

如圖3所示，STM32F103ZET6的PB6、PB7作為I2C總線，掛載加速度傳感器MMA8451Q、光強(qiáng)傳感器TSL2561等I2C設(shè)備，PB14與PB15用于與溫濕度傳感器SHT10之間的通信，PA9、PA10接至藍(lán)牙串口模塊FBT-06上。

2.5藍(lán)牙通信模塊

SPP（Serial Port Profile）是藍(lán)牙協(xié)議的一個(gè)重要組成部分，它定義了在兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備間建立虛擬串行連接的方法，在此基礎(chǔ)上，通信雙方可以通過(guò)虛擬的串口進(jìn)行藍(lán)牙通信。FBT-06是上海魔科通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的一款主從一體的嵌入式近距離藍(lán)牙串口通訊模塊，適用于串口近距離透明傳輸無(wú)線替代方案，在本系統(tǒng)中被用于數(shù)據(jù)采集硬件與帶藍(lán)牙功能的安卓系統(tǒng)間的無(wú)線通信。

3　微控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

MCU的軟件流程圖如圖4所示。首先，MCU進(jìn)行初始化，這包括了它所用IO引腳、I2C模塊、UART模塊與定時(shí)器的初始化，以及各傳感器寄存器的配置。然后進(jìn)入死循環(huán)中等待串口中斷的發(fā)生，若收到數(shù)據(jù)校準(zhǔn)包請(qǐng)求，則從相關(guān)傳感器獲取信息后發(fā)送數(shù)據(jù)校準(zhǔn)包，若收到數(shù)據(jù)測(cè)量請(qǐng)求，則開(kāi)啟定時(shí)中斷，定時(shí)采集信息并發(fā)送。在數(shù)據(jù)測(cè)量的過(guò)程中，若收到測(cè)量停止請(qǐng)求，則關(guān)閉定時(shí)中斷，重新等待串口中斷的發(fā)生。

圖4　MCU軟件流程圖

由于振動(dòng)分析需要固定時(shí)間間隔采集到的加速度信息，同時(shí)還要知道采樣頻率，本系統(tǒng)在傳輸傳感器數(shù)據(jù)時(shí)使用了10 ms的定時(shí)中斷，定時(shí)中斷中分時(shí)間片安排了加速度、光強(qiáng)、溫濕度的采集，最高采樣頻率達(dá)到100 Hz，時(shí)間片的分配如表1所示?？紤]到藍(lán)牙串口模塊的性能限制，配置串口為波特率為115 200，在忽略獲取傳感器數(shù)據(jù)所需時(shí)間的前提下，一次定時(shí)中斷中最多可發(fā)送144字節(jié)的數(shù)據(jù)。為了使MCU與安卓系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交換有序可靠，本系統(tǒng)定義了固定長(zhǎng)度為12字節(jié)的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)包與34字節(jié)數(shù)據(jù)測(cè)量包兩種數(shù)據(jù)傳輸格式，其中包括了數(shù)據(jù)包序號(hào)、出錯(cuò)類(lèi)型、數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)內(nèi)容等信息。

表1　定時(shí)中斷時(shí)間片分配

4　安卓系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

安卓軟件的流程圖如圖5所示。

圖5　軟件設(shè)計(jì)的流程圖

打開(kāi)藍(lán)牙，和電路板的藍(lán)牙連接成功后，按下校準(zhǔn)按鈕（向單片機(jī)發(fā)送字符‘c’）開(kāi)始校準(zhǔn)：接收12字節(jié)的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換計(jì)算可以得到X，Y，Z 3個(gè)方向的靜止加速度值。

校準(zhǔn)完成后，按下測(cè)量按鈕（向單片機(jī)發(fā)送字符‘m’），開(kāi)始測(cè)量：接收單片機(jī)發(fā)送的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)包，并存入文本文件中。

電梯停下時(shí)按停止按鈕（向單片機(jī)發(fā)送字符‘t’）：停止測(cè)量，并處理測(cè)量數(shù)據(jù)包。用梯形法［7］對(duì)加速度積分得到速度［8］；用快速傅里葉變換［9］對(duì)加速度進(jìn)行頻譜分析［10］，獲得電梯運(yùn)行一段時(shí)間內(nèi)的頻譜，便得到以頻譜形式表示的振動(dòng)信息［11］；用三軸加速度還可以算出傾斜角［12］，它的公式為：

這樣便得到了電梯的加速度，速度，振動(dòng)，水平度，溫濕度，光強(qiáng)這些直接或間接測(cè)量量。畫(huà)出加速度，速度，振動(dòng)信息的曲線圖。

電梯國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中有對(duì)速度，加速度，振動(dòng)，水平度的規(guī)定［15］：

1）加速度數(shù)據(jù)：載客電梯起動(dòng)加速度以及制動(dòng)加速度最大值均不大于1.5 m/s2。

2）振動(dòng)：《GB10058-200945電梯技術(shù)條件》中規(guī)定：“乘客電梯轎廂運(yùn)行在恒加速度區(qū)域內(nèi)的垂直（Z軸）振動(dòng)的最大峰峰值不應(yīng)大于 0.30 m/s2，A95峰峰值不應(yīng)大于0.20 m/s2。乘客電梯轎廂運(yùn)行期間水平（X軸和Y軸）振動(dòng)的最大峰峰值不應(yīng)大于 0.20 m/s2，A95峰峰值不應(yīng)大于0.15 m/s2?！逼渲?，A95的含義為在定義的界限范圍內(nèi)，95％采樣數(shù)據(jù)的加速度或振動(dòng)值小于或等于的值。如果只是判斷轎廂振動(dòng)是否在規(guī)定的范圍之內(nèi)，對(duì)振動(dòng)曲線進(jìn)行時(shí)域分析就夠了。

3）速度：普通電梯主要運(yùn)行速度低于2.5 m/s，屬于中低速電梯，當(dāng)前運(yùn)行的民用電梯大部分速度低于2.5 m/s。

4）水平度：轎廂盤(pán)水平度≤2‰，（算出電梯傾斜角度小于0.11度）。

根據(jù)國(guó)標(biāo)中的規(guī)定對(duì)測(cè)量值評(píng)估：當(dāng)測(cè)量值在閾值范圍內(nèi)，用電梯檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)論來(lái)評(píng)分；當(dāng)測(cè)量值超過(guò)閾值，電梯有很大的可能出現(xiàn)故障，因此電梯的狀態(tài)直接為不合格。

接著使用層次分析法［13-14］評(píng)估，方法步驟如下：

1）建立層次結(jié)構(gòu)模型；

2）構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣：對(duì)各指標(biāo)之間進(jìn)行兩兩對(duì)比之后，然后按9分位比率排定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的相對(duì)優(yōu)劣順序，依次構(gòu)造出評(píng)價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣A。

3）使用規(guī)范列平均法求各指標(biāo)的權(quán)重：將判斷矩陣A每一列歸一化得到矩陣B；將矩陣B每一行元素的平均值得到一個(gè)一列n行的矩陣C；矩陣C即為所求權(quán)重向量。

4）用所得的權(quán)重乘各自測(cè)量值的評(píng)分相加得到總評(píng)分，將電梯狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果轉(zhuǎn)化為評(píng)價(jià)等級(jí)，得到對(duì)電梯狀態(tài)的大概評(píng)估。

5　實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

將該裝置放在電梯中測(cè)量。首先將電路板平放在電梯轎廂中，打開(kāi)電源，連接好藍(lán)牙。在電梯靜止時(shí)，按下校準(zhǔn)按鈕，等待幾秒之后，在電梯開(kāi)始上升或下降時(shí)按下測(cè)量按鈕，電梯運(yùn)行結(jié)束后按下停止按鈕?？梢栽谲浖摹皵?shù)據(jù)顯示”部分查看電梯靜止時(shí)的三軸加速度值，電梯溫濕度，光強(qiáng)，在“波形圖顯示”部分可以看到電梯運(yùn)行時(shí)的三軸加速度值以及振動(dòng)曲線，如圖6所示。從“數(shù)據(jù)分析”頁(yè)面可以看到此次測(cè)量的分析結(jié)果：各測(cè)量值是否超過(guò)閾值，電梯是否合格或良好。實(shí)驗(yàn)中將此裝置放在教學(xué)樓的一個(gè)電梯中測(cè)試，評(píng)估結(jié)果為良好。

圖6　加速度波形圖

6　結(jié)　論

該電梯狀態(tài)檢測(cè)裝置系統(tǒng)，硬件基于STM32，軟件為手機(jī)安卓app，兩者通過(guò)藍(lán)牙通訊，它將便攜式設(shè)備和手機(jī)結(jié)合起來(lái)，很方便測(cè)量。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，此裝置能比較準(zhǔn)確地判斷電梯的狀態(tài)是否良好，具有實(shí)用價(jià)值。

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Design of elevator condition evaluating device based on STM32 and Android

CHEN Zheng，CHU Ying-jun
（College of Automation，Southeast University，Nanjing 211189，China）

In this paper，we design an elevator condition evaluating device based on STM32 and Android in order to make elevator condition evaluation more convenient.We complete the design of hardware and software in this system，which consist of speed，acceleration，temperature，humidity and light intensity detection module as well as a smartphone.Sensors collect the corresponding data，and then it was transmitted to a smartphone using Bluetooth.After that，the application in smartphone analyses those measured data according to the national standard of China.And the score of the elevator condition was calculated using Analytic Hierarchy Process.During the experiment，we tested elevators in our school.The results were in accordance with the ground truth，which shows that this system can assess the condition of the elevator accurately.

elevator condition evaluation；STM32；Android；bluetooth

TN98

A

1674－6236（2016）11-0130-04

2016-02-16稿件編號(hào)：201602043

國(guó)家級(jí)實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目（1510286048）；東南大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（15082014）

陳 崢（1995—），男，浙江溫州人。研究方向：嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。