陳繼文 ，李 鑫 ，李 麗 ，張樹(shù)昌 ，王曉偉

（1.山東省綠色建筑協(xié)同創(chuàng)新中心，濟(jì)南 250101；2.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

電梯是建筑設(shè)備中的“耗能大戶(hù)”，它所消耗的能量一般占整個(gè)建筑總能耗的5%～15%，我國(guó)電梯保有量已超過(guò)490萬(wàn)臺(tái)，以每臺(tái)電梯每天用電40度計(jì)算，每年電梯用電量超過(guò)715億度[1-3]。目前電梯能耗的相關(guān)研究主要在于電梯能耗測(cè)試方法和電梯能效等級(jí)的劃分[4-5]，對(duì)于電梯能耗的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)手段研究還需加強(qiáng)。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的電梯遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，側(cè)重于電梯安全故障的監(jiān)控，對(duì)于電梯能耗的監(jiān)測(cè)還有待進(jìn)一步完善[6-7]。因此，本文進(jìn)行基于ARM的電梯能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，為評(píng)估電梯能耗狀況提供依據(jù)，具有重要的理論研究意義和實(shí)用價(jià)值。

1 總體設(shè)計(jì)方案

搭建一臺(tái)基于ARM控制的四層站電梯模型，作為能耗監(jiān)測(cè)的對(duì)象，根據(jù)此模型開(kāi)發(fā)電梯能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電梯模型的能耗數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)，電梯能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。STM32控制卡為核心控制部件，主要功能為控制電梯運(yùn)行，處理及傳輸電梯相關(guān)數(shù)據(jù)。STM32控制卡通過(guò)控制變頻器和門(mén)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯模型的控制；通過(guò)收集曳引機(jī)編碼器數(shù)據(jù)、平層傳感器狀態(tài)、轎內(nèi)指令和層站召喚指令，獲取電梯位置和運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)能耗采集模塊，獲取電梯能耗數(shù)據(jù)；通過(guò)與遠(yuǎn)程上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)傳輸收集到的數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析等處理后，顯示到上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 Overall design of the system

2 能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32控制卡

本文采用了STM32F103ZET6芯片作為控制核心，該芯片是ST公司基于Cortex-M3內(nèi)核開(kāi)發(fā)的32位微處理器，最高工作頻率為72 MHz，擁有64 KB SRAM、512 KB FLASH、2個(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)高級(jí)定時(shí)器、5個(gè)串口，1個(gè)CAN接口，1個(gè)FSMC接口以及112個(gè)通用I/O口等，豐富的片上資源簡(jiǎn)化了硬件系統(tǒng)，同時(shí)降低了系統(tǒng)功耗，大大增強(qiáng)了能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性[8]?？刂瓶ㄟx用2.8寸TFTLCD電阻觸摸屏顯示作為顯示部分，實(shí)時(shí)顯示電梯能耗數(shù)據(jù)和系統(tǒng)時(shí)鐘。觸摸屏與STM32處理器的FSMC接口相連，減輕了處理器負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度。

2.2 無(wú)線(xiàn)通信模塊

STM32控制卡通過(guò)無(wú)線(xiàn)通訊模塊連接能耗采集模塊與遠(yuǎn)程上位機(jī)，無(wú)線(xiàn)通信的傳輸速度和質(zhì)量影響著數(shù)據(jù)采集穩(wěn)定性。本文采用AS13B-TTL無(wú)線(xiàn)通信模塊，該模塊具有尺寸較小、傳輸距離較遠(yuǎn)、能耗低、數(shù)據(jù)自動(dòng)糾錯(cuò)等功能，該模塊采用TTL電平輸出，兼容5 V和3.3 V，方便與STM32控制卡和能耗采集模塊相連。

2.3 能耗采集模塊

本文選用PZEM-004能耗采集模塊對(duì)電梯模型的能耗進(jìn)行采集，能耗采集模塊工作流程如圖2所示。模塊工作時(shí)，互感器采集被測(cè)電路的電壓和電流信號(hào)，信號(hào)經(jīng)濾波和放大電路處理后送入數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)中進(jìn)行計(jì)算[9]，得出電梯的功率和能耗數(shù)據(jù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊將電梯的電壓、電流、功率和能耗數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32控制卡。能耗采集模塊的測(cè)量精度為小數(shù)點(diǎn)后兩位，電壓的測(cè)量量程為AC80-260 V，電流的測(cè)量量程為0～100 A。

圖2 能耗采集模塊工作流程Fig.2 Working flow chart of energy acquisition module

能耗采集模塊采集的功率為總有功功率，總有功功率等于一個(gè)周期內(nèi)瞬時(shí)功率的積分平均值，瞬時(shí)功率等于瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流的乘積。瞬時(shí)電壓v（t）和瞬時(shí)電流 i（t）的計(jì)算公式如式（1）和式（2）所示：

式中：Vk為各次諧波的電壓有效值值；Ik為各次諧波的電流有效值；φk和γk分別為各次諧波相移[10]。

瞬時(shí)功率 p（t）的計(jì)算公式如式（3）所示：

總有功功率等于平均有功功率P，計(jì)算方法為瞬時(shí)有功功率p（t）經(jīng)過(guò)n個(gè)電網(wǎng)周期T的積分后取平均值，如式（4）所示：

3 能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用VB6.0中的MSComm通信控件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與STM32控制卡的通信。使用MSComm通信控件無(wú)需使用復(fù)雜的API函數(shù)，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置幾個(gè)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)串行通信，在開(kāi)發(fā)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[11]。

上位機(jī)功能如圖3所示，主要包括初始界面、參數(shù)設(shè)置界面、主界面和數(shù)據(jù)顯示界面。用戶(hù)在初始界面進(jìn)行登錄和用戶(hù)管理，通過(guò)參數(shù)設(shè)置界面對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。主界面中顯示電梯運(yùn)行狀態(tài)，電流、電壓和功率數(shù)據(jù)的折線(xiàn)圖。數(shù)據(jù)顯示界面詳細(xì)顯示電梯的電壓值、電流值、功率值和能耗值。

圖3 上位機(jī)功能圖Fig.3 Upper computer function diagram

3.2 觸摸屏界面設(shè)計(jì)

STM32控制卡的觸摸屏分為主界面、能耗界面、電梯狀態(tài)界面和通信界面。主界面中可進(jìn)行界面選擇和參數(shù)設(shè)置；電梯狀態(tài)界面用于顯示電梯運(yùn)行狀態(tài)和所在樓層，STM32控制卡通過(guò)485通信接收電梯狀態(tài)信號(hào)以及通過(guò)編碼器檢測(cè)到的曳引電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，分析電梯處于的樓層和運(yùn)行狀態(tài)；能耗界面用于顯示電梯能耗的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括電壓值、電流值和電功率值等，STM32控制卡根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的刷新頻率通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊向能耗采集模塊發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求，并將接收到的數(shù)據(jù)分析、整理后顯示到觸摸屏的能耗界面；上位機(jī)通信界面用于顯示STM32控制卡通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊與遠(yuǎn)程上位機(jī)通訊的所有數(shù)據(jù)。

為避免各個(gè)功能之間相互沖突，本文將STM32控制卡的中斷優(yōu)先級(jí)做如下設(shè)置，RS485通信中斷優(yōu)先級(jí)最高，能耗檢測(cè)中斷優(yōu)先級(jí)次之，與上位機(jī)通信優(yōu)先級(jí)最低，圖4所示為STM32控制卡工作流程。

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

3.3 能耗數(shù)據(jù)采集

圖5 能耗數(shù)據(jù)讀取Fig.5 Energy consumption data reading

STM32控制卡讀取能耗數(shù)據(jù)的流程如圖5所示。STM32控制卡通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊向能耗采集模塊發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求，對(duì)返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)碼核對(duì)，校驗(yàn)碼通過(guò)后，識(shí)別數(shù)據(jù)包中的標(biāo)識(shí)符，讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。能耗數(shù)據(jù)包格式如表1所示，標(biāo)識(shí)符和校驗(yàn)碼各占1 B，能耗數(shù)據(jù)為5 B，能耗數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符如表2所示。能耗數(shù)據(jù)包的校驗(yàn)碼計(jì)算方法為將標(biāo)識(shí)符數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)求后取后兩位作為校驗(yàn)碼。

表1 能耗數(shù)據(jù)包格式Tab.1 Data format for energy consumption

表2 能耗數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符Tab.2 Identifier for energy consumption data

3.4 上位機(jī)通訊

上位機(jī)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊與STM32控制卡實(shí)時(shí)通信，獲取電梯相關(guān)參數(shù)，上位機(jī)使用的通信參數(shù)為9600 b/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，1位開(kāi)始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)位。上位機(jī)通信數(shù)據(jù)格式如表3所示。數(shù)據(jù)包由標(biāo)識(shí)符、電壓數(shù)據(jù)、電流數(shù)據(jù)、功率數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、電梯狀態(tài)信息組成。標(biāo)識(shí)符由模塊地址和指令碼組成，標(biāo)識(shí)符大小為2 B，電壓、電流、功率和能耗數(shù)據(jù)分別由整數(shù)部分和小數(shù)部分組成，大小為2 B，狀態(tài)數(shù)據(jù)由轎廂所在樓層、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)方向組成，大小為3 B。

表3 上位機(jī)通訊數(shù)據(jù)格式Tab.3 Data format of upper computer communication

上位機(jī)與STM32控制卡的通信過(guò)程如圖6所示，上位機(jī)工作時(shí)，首先進(jìn)行初始化，讀取系統(tǒng)參數(shù)，檢測(cè)無(wú)線(xiàn)通信是否正常，與STM32控制卡建立通信后，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的刷新頻率向STM32卡發(fā)送查詢(xún)請(qǐng)求，并將返回的數(shù)據(jù)處理后在上位機(jī)界面進(jìn)行顯示。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7所示為四層電梯模型實(shí)物圖，以此模型作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，將能耗測(cè)試點(diǎn)設(shè)置為電梯模型總電源的輸入端，通過(guò)監(jiān)測(cè)電梯模型工作時(shí)的能耗數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖6 上位機(jī)通信流程Fig.6 Upper computer communication flow chart

圖7 四層站電梯模型Fig.7 Elevator model of four storey station

基于ARM的電梯能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與STM32控制卡的實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)處理成折線(xiàn)圖，圖8所示為電梯靜止時(shí)功率數(shù)據(jù)的折線(xiàn)圖，電梯靜止時(shí)的總功率為15 W左右，圖9為電梯上升時(shí)功率數(shù)據(jù)的折線(xiàn)圖，電梯運(yùn)動(dòng)時(shí)的總功率為68 W左右。

圖8 靜止時(shí)功率折線(xiàn)圖Fig.8 Power of elevator static

圖9 上升時(shí)功率折線(xiàn)圖Fig.9 Power of elevator rising

本次試驗(yàn)成功采集了電梯模型的能耗數(shù)據(jù)，上位機(jī)界面顯示的折線(xiàn)圖清晰地展現(xiàn)了數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電梯能耗的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)采集到的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)電梯轎廂的運(yùn)動(dòng)對(duì)電梯的能耗影響非常大，可通過(guò)優(yōu)化電梯的調(diào)度算法，減少電梯的空行程，縮短電梯運(yùn)行時(shí)間，從而降低電梯的總能耗。

5 結(jié)語(yǔ)

為了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)電梯的能耗數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM的電梯能耗遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)搭建了四層電梯模型作為能耗監(jiān)測(cè)對(duì)象，進(jìn)而設(shè)計(jì)了能耗數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸及上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)?；贏RM的控制電梯模型可以實(shí)現(xiàn)電梯的基本功能，包括電梯的上下運(yùn)行控制，各個(gè)樓層的數(shù)據(jù)顯示，各個(gè)樓層的電梯召喚，轎廂門(mén)的開(kāi)關(guān)，轎廂內(nèi)的選層等。STM32控制卡實(shí)時(shí)地采集電梯運(yùn)行的能耗數(shù)據(jù)相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信向上位機(jī)遠(yuǎn)程傳輸電梯能耗數(shù)據(jù)。上位機(jī)顯示界面實(shí)時(shí)顯示電梯的電壓，電流，電功率及電梯的運(yùn)行狀態(tài)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并做成折線(xiàn)圖展示電梯能耗的變化。試驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)能夠完成電梯模型能耗數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，該系統(tǒng)可以為評(píng)估電梯能耗狀況及改善高耗能電梯的運(yùn)營(yíng)狀況提供依據(jù)，具有重要的理論研究意義和實(shí)用意義。

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