基于STM32和安卓的电梯状态检测装置设计

陈峥，储颖君（东南大学 自动化学院，江苏 南京211189）

基于STM32和安卓的电梯状态检测装置设计

陈峥，储颖君
（东南大学 自动化学院，江苏 南京211189）

文中针对目前大部分电梯检测方案存在的不易操作的问题，提出了一种便捷的基于STM32和安卓的电梯状态检测装置设计方案，并完成系统的软硬件设计。系统主要由速度、加速度、温湿度、光强检测模块及智能手机组成。各采集模块完成数据采集与基本处理后，将数据通过蓝牙传给手机软件。手机软件分析处理测量数据，按照国标阈值对测量值进行初步分析，再使用层次分析法得到对电梯的总体评分。使用该系统对学校电梯了进行检测，评分结果与各电梯实际情况相符合，实验结果表明该系统可以较为准确地评估电梯状态。

电梯状态检测；STM32；安卓；蓝牙

随着电梯制造企业的蓬勃发展及高层建筑的涌现，电梯走进了千家万户。近两年电梯事故有上升趋势，其安全事故很容易给人们造成恐慌，加强电梯的安全性管理势在必行。考虑到现在电梯安全的检测以专业人士定期检查为主，在检查期以外意外损坏的电梯很容易引发事故，所以设计一个便携式的电梯状态检测装置具有重要意义［1］。本文将介绍基于STM32和安卓的电梯状态检测装置。

此系统主要由电梯轿厢速度、加速度检测模块、温湿度检测模块、光强检测模块以及用于数据存储、数据处理、数据分析的智能手机组成。它们之间通过蓝牙通讯，各参数采集模块完成基本的数据采集与处理，并将结果通过蓝牙传输给手机上的应用程序。

1　总体设计

该系统整体框图如图1所示。首先选取适当的传感器以实现对加速度、温湿度、光强的数据采集，然后完成整体电路的设计和制作，并进行电路调理和测试。完成之后在STM32上编写MCU软件完成各传感器的数据采集功能以及蓝牙模块的通信功能。单片机与手机软件通过蓝牙进行数据传输。手机应用程序包括数据存储、数据处理、数据显示等功能，能通过分析得到电梯的加速度、速度、水平度、振动［2］等数据，从而可以比较准确地判断电梯的状态是否良好。

图1　系统总体结构图

2　系统硬件设计

2.1加速度传感器

除了直接获取的电梯轿厢加速度，还可以通过加速度传感器获取速度、振动等与电梯状态密切相关的信息。国标GB/ T10058-2009《电梯技术条件》规定电梯起制动加、减速度最大值应不大于1.5 m/s^2；乘客电梯的轿厢运行时，振动的最大峰峰值不应大于 0.30 m/s^2，A95峰峰值不应大于0.20 m/s^2［3］。其中，A95值的定义是在所定义界限内95％的峰值小于等于的数值［4］。MMA8451Q是原飞思卡尔半导体生产的14位精度智能低功耗三轴加速度计，通过设置可达到800 Hz的测量频率，它可被选择工作在±2 g/±4 g/±8 g量程下，具有99 μg/Hz的较高的抗噪性能，在本系统测量中有着足够的量程，采样频率也足以分析通常情况下固有频率为几十赫兹［5］的乘客电梯，可作为本系统的加速度传感器使用。

图2　加速度传感器电路

MMA8451Q采用I2C总线方式进行通信，还带有数据采集中断，使用时十分方便。

2.2光强传感器

TSL2561是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程配置的光强传感器芯片，该芯片使用I2C协议进行通信，由于是数字芯片，只需将数据通信引脚上拉即可与单片机直接连接，该传感器可以胜任电梯状态检测中的光强测量。

2.3温湿度传感器

温湿度不仅影响乘客乘坐电梯的舒适度，电梯故障率、寿命长短同样与它们有关。据不完全统计，温度过高或过低可导致电梯故障率增加36％，寿命缩短33％；湿度过高或过低可导致电梯故障率增加41％，寿命缩短52％［6］。本系统采用SENSIRION公司生产的SHT10数字温湿度传感器进行温湿度测量。该传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，内部的14位A/D转换器采集敏感元件信息后通过类似I2C的两线制串行通信电路传输数据，该芯片引脚只需上拉即可与单片机连接。

2.4微控制器

本系统采用的STM32F103ZET6是意法半导体的一款基于Cortex-M3内核的高性能、低成本、低功耗的32位微控制器。它的内核时钟频率可达72 MHz，具有一定的运算能力，内嵌512 kB程序存储器以及64 kB的RAM，使得系统的开发与后续可能的功能扩展变得容易。同时，STM32F103ZET6内部带有I2C通信接口，这让微控制器与系统中使用I2C通信的加速度传感器、光强传感器等交换数据时十分方便。

图3　系统中STM32F103ZET6的引脚分配

如图3所示，STM32F103ZET6的PB6、PB7作为I2C总线，挂载加速度传感器MMA8451Q、光强传感器TSL2561等I2C设备，PB14与PB15用于与温湿度传感器SHT10之间的通信，PA9、PA10接至蓝牙串口模块FBT-06上。

2.5蓝牙通信模块

SPP（Serial Port Profile）是蓝牙协议的一个重要组成部分，它定义了在两个蓝牙设备间建立虚拟串行连接的方法，在此基础上，通信双方可以通过虚拟的串口进行蓝牙通信。FBT-06是上海魔科通信技术有限公司生产的一款主从一体的嵌入式近距离蓝牙串口通讯模块，适用于串口近距离透明传输无线替代方案，在本系统中被用于数据采集硬件与带蓝牙功能的安卓系统间的无线通信。

3　微控制器系统软件设计

MCU的软件流程图如图4所示。首先，MCU进行初始化，这包括了它所用IO引脚、I2C模块、UART模块与定时器的初始化，以及各传感器寄存器的配置。然后进入死循环中等待串口中断的发生，若收到数据校准包请求，则从相关传感器获取信息后发送数据校准包，若收到数据测量请求，则开启定时中断，定时采集信息并发送。在数据测量的过程中，若收到测量停止请求，则关闭定时中断，重新等待串口中断的发生。

图4　MCU软件流程图

由于振动分析需要固定时间间隔采集到的加速度信息，同时还要知道采样频率，本系统在传输传感器数据时使用了10 ms的定时中断，定时中断中分时间片安排了加速度、光强、温湿度的采集，最高采样频率达到100 Hz，时间片的分配如表1所示。考虑到蓝牙串口模块的性能限制，配置串口为波特率为115 200，在忽略获取传感器数据所需时间的前提下，一次定时中断中最多可发送144字节的数据。为了使MCU与安卓系统间的数据交换有序可靠，本系统定义了固定长度为12字节的数据校准包与34字节数据测量包两种数据传输格式，其中包括了数据包序号、出错类型、数据类型、数据内容等信息。

表1　定时中断时间片分配

4　安卓系统软件设计

安卓软件的流程图如图5所示。

图5　软件设计的流程图

打开蓝牙，和电路板的蓝牙连接成功后，按下校准按钮（向单片机发送字符‘c’）开始校准：接收12字节的校准数据包，经过简单的转换计算可以得到X，Y，Z 3个方向的静止加速度值。

校准完成后，按下测量按钮（向单片机发送字符‘m’），开始测量：接收单片机发送的实时测量数据包，并存入文本文件中。

电梯停下时按停止按钮（向单片机发送字符‘t’）：停止测量，并处理测量数据包。用梯形法［7］对加速度积分得到速度［8］；用快速傅里叶变换［9］对加速度进行频谱分析［10］，获得电梯运行一段时间内的频谱，便得到以频谱形式表示的振动信息［11］；用三轴加速度还可以算出倾斜角［12］，它的公式为：

这样便得到了电梯的加速度，速度，振动，水平度，温湿度，光强这些直接或间接测量量。画出加速度，速度，振动信息的曲线图。

电梯国家标准中有对速度，加速度，振动，水平度的规定［15］：

1）加速度数据：载客电梯起动加速度以及制动加速度最大值均不大于1.5 m/s2。

2）振动：《GB10058-200945电梯技术条件》中规定：“乘客电梯轿厢运行在恒加速度区域内的垂直（Z轴）振动的最大峰峰值不应大于 0.30 m/s2，A95峰峰值不应大于0.20 m/s2。乘客电梯轿厢运行期间水平（X轴和Y轴）振动的最大峰峰值不应大于 0.20 m/s2，A95峰峰值不应大于0.15 m/s2。”其中，A95的含义为在定义的界限范围内，95％采样数据的加速度或振动值小于或等于的值。如果只是判断轿厢振动是否在规定的范围之内，对振动曲线进行时域分析就够了。

3）速度：普通电梯主要运行速度低于2.5 m/s，属于中低速电梯，当前运行的民用电梯大部分速度低于2.5 m/s。

4）水平度：轿厢盘水平度≤2‰，（算出电梯倾斜角度小于0.11度）。

根据国标中的规定对测量值评估：当测量值在阈值范围内，用电梯检测人员的经验以及实验结论来评分；当测量值超过阈值，电梯有很大的可能出现故障，因此电梯的状态直接为不合格。

接着使用层次分析法［13-14］评估，方法步骤如下：

1）建立层次结构模型；

2）构造两两比较判断矩阵：对各指标之间进行两两对比之后，然后按9分位比率排定各评价指标的相对优劣顺序，依次构造出评价指标的判断矩阵A。

3）使用规范列平均法求各指标的权重：将判断矩阵A每一列归一化得到矩阵B；将矩阵B每一行元素的平均值得到一个一列n行的矩阵C；矩阵C即为所求权重向量。

4）用所得的权重乘各自测量值的评分相加得到总评分，将电梯状态综合评价的结果转化为评价等级，得到对电梯状态的大概评估。

5　实验应用

将该装置放在电梯中测量。首先将电路板平放在电梯轿厢中，打开电源，连接好蓝牙。在电梯静止时，按下校准按钮，等待几秒之后，在电梯开始上升或下降时按下测量按钮，电梯运行结束后按下停止按钮。可以在软件的“数据显示”部分查看电梯静止时的三轴加速度值，电梯温湿度，光强，在“波形图显示”部分可以看到电梯运行时的三轴加速度值以及振动曲线，如图6所示。从“数据分析”页面可以看到此次测量的分析结果：各测量值是否超过阈值，电梯是否合格或良好。实验中将此装置放在教学楼的一个电梯中测试，评估结果为良好。

图6　加速度波形图

6　结　论

该电梯状态检测装置系统，硬件基于STM32，软件为手机安卓app，两者通过蓝牙通讯，它将便携式设备和手机结合起来，很方便测量。并且通过实验测试，此装置能比较准确地判断电梯的状态是否良好，具有实用价值。

［1］武慧馨.重视电梯年检中限速器的定期校验［J］.内蒙古科技与经济，2007（5）:102.

［2］张志，张汉生.电梯振动分析［J］.广船科技，2004（1）:33-35.

［3］中国建筑科学研究院建筑机械化研究分院.GB/T 10058-2009.电梯技术［S］.北京:中国国家标准化管理委员会，2009.

［4］杜海军．气体扰动对高速电梯动态特性的影响研究［D］.苏州:苏州大学，2009.

［5］花建新.曳引式乘客电梯的振动仿真与测试 ［D］.苏州:苏州大学，2014.

［6］闫海英，黄波，王晓喃.电梯温湿度测控系统研究［J］.计算机测量与控制，2014，22（3）:773-774.

［7］程淅麟.梯形积分法的正确性［J］.中国造船，1954（2）

［8］邢诚，王建强，贾志强.多种数值积分方法比较分析［J］.城市勘测，2010（1）:104-106.

［9］郑凌敏，黄润彬.EVA625快速傅立叶变化在电梯振动分析中的应用［J］.中国电梯，2011（19）:40-41.

［10］李飞.傅里叶频谱分析仪的算法设计与实现［D］.成都：电子科技大学，2013.

［11］俞亦南.浅谈电梯的加速度和振动［J］.中国电梯，2011，22 （15）:37-39.

［12］苏维嘉，王旭辉.新型加速度传感器在倾角测量中的应用研究［J］.机械研究与应用，2007，20（5）:62-63.

［13］郭金玉，张忠斌，孙庆云.层次分析法的研究与应用［J］.中国安全科学学报，2008，18（5）:148-153.

［14］许树柏.层次分析法原理［M］.天津:天津大学出版社，1998.

［15］特种设备安全监察条例［M］.北京：法律出版社，2003.

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稿件编号：201602043

国家级实践创新项目（1510286048）；东南大学创新创业训练计划项目（15082014）

陈 峥（1995—），男，浙江温州人。研究方向：嵌入式系统开发与应用。