利用无线通信实现两种电梯速度信号采集的研究

陈成华 林晓明

摘 要：为了实现对两种不同类型电梯的速度信号进行采集，本文对加速度计和脉冲速度编码器分别进行了研究，并提出了一种利用WIFI无线通信形式来完成两种速度采集的方法。通过下位机及上位机的程序设计实现了仪器的信号采集功能。实验结果表明，该仪器能够很好地完成电梯速度信号的采集及传输，两种方式均得到了相似的试验结果。

关键词：电梯；速度；无线通信

中图分类号：TN948.6 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）02-0067-04

Research on Two Kinds of Elevator Speed Signal Acquisition by

Wireless Communication

CHEN Chenghua，LIN Xiaoming

（Zhuhai Testing Institute of Guangdong Special Equipment Testing Institute，Zhuhai 519002，China）

Abstract：In order to achieve the speed signal of two different types of elevator acquisition，accelerometer and pulse speed encoder are studied，put forward two methods of speed acquisition using a WIFI wireless communication form，through the program design of lower computer and PC，complete the function of signal acquisition instrument. The experimental results show that the instrument can complete the acquisition and transmission of the elevator speed signal well，and the two methods have obtained similar experimental results.

Keywords：elevator；speed；wireless communication

0 引 言

隨着电梯在高层建筑的普及应用和居民生活水平的不断提高，人们在乘坐电梯时对电梯的稳定性、舒适性要求也越来越高。我国评价电梯乘运质量的主要依据是GB/T10058-2009《电梯技术条件》，对相关参数的采集及数据处理要求依据GB/T24474-2009《电梯乘运质量测量》。在电梯的检验规则中，多个重要项目涉及到电梯速度的测量，因此，业内对如何准确地测量电梯速度给予了广泛关注，其准确度和操作便捷性也随之得到不断地改良。

目前通用的电梯速度测量工具是转速表。通过将其滚轮贴近电梯转动部件（如曳引轮或者限速器轮）或运动部件（如钢丝绳）等方式来获知电梯速度，该方法的不足之处在于准确度与操作人员的熟练程度有关。对于保有量越来越大的无机房电梯，该方法更是存在着难以进行测量的缺点。另一个常用于检测电梯运行状况的重要仪器是EVA-625系统和EVA振动分析工具软件，专门用于电梯乘运质量的检测，它由美国PMT公司根据电梯工业要求特别设计制造[1]。EVA-625系统虽能同时对电梯的三维振动加速度进行实时采集，但后续的数据分析需要依赖于电脑及专用的EVA振动分析工具软件，不能在检测时直接观察检测结果，从而影响了检测效率，而且它价格昂贵，目前还不能大面积普及使用。

我国电梯保有量大，检验任务繁重。因此研究一种高效率、低成本的电梯速度检测装置对于提高检测效率、改善电梯运行品质具有重要意义。

1 仪器原理及部件

研发一种无线通信的电梯速度测量仪器，可从系统层面划分为三个模块，即一个智能平板电脑或手机作为显示终端，两个数据终端模块作为测速装置，分别为加速度测速模块、脉冲测速模块，如图1所示。

平板电脑作为显示和处理终端，通过WIFI无线通信与两个数据终端进行通讯，用于接收模块发送过来的加速度测速、脉冲测速等数据，然后处理并在界面显示相关的处理结果。

1.1 路由器及WIFI通信模块

利用一个路由器作为局域网的必要部件，选用华为A1作为路由器模块，它具备2.4G和5G双频WIFI功能，且分别配备了2个独立信号放大器和接收器，优点在于信号强、干扰少、时延低，接收器更容易接收远距离设备的弱信号。

两个数据终端模块上的无线WIFI采用了UART-WIFI模块的ESP8266模组，如图2所示。它拥有32位微型MCU，超低功耗。主频支持80MHz和160MHz，支持标准的IEEE802.11b/g/n协议和完整的TCP/IP协议栈，既可以为现有的设备添加联网功能，也可以构建独立的网络控制器。

利用这些无线通信模块，可以轻易地穿透钢筋水泥筑成的井道墙壁，免去了工作人员必须在井道里面才能测量无机房电梯速度的风险。

1.2 加速度计

加速度测速模块包括：微处理器、AKE390B电压型加速度计，如图3所示。微处理器采用STM32F10x芯片。AKE390B电压型加速度计是RION公司的产品，可适用于振动测试，撞击测试等多个领域。具有结构坚固、功耗低、偏差稳定性优异等特点，偏差小于0.1%，保证了输出可靠性。

速度采集的方案为：将加速度计置于电梯轿厢的中部，在电梯运行时，加速度主控板通过RS485总线来定时实时读取当前电梯运行的加速度值，并通过无线WIFI模块响应终端的数据请求，然后将数据传输到终端上。终端将这些数据经过软件处理，计算出电梯上行和下行过程中的速度。

安装加速度计时，应注意其固定情况，尽量使其牢固地和仪器的外壳连接在一起。如果固定不牢，电梯运行时的抖动很容易就能影响到数据的采集，从而导致测量误差。

1.3 脉冲速度编码器

脉冲编码器采用HONTKO公司的HTR-MWR-01编码器，如图4所示。在转动时将产生脉冲，主控板通过光耦隔离芯片实现对外接传感器脉冲的采集，通過主控板MCU定时器实现定时采集，并计算出相应的速度值。再通过无线WIFI传输到平板电脑，在软件界面上进行处理或显示。

速度采集的方案为：将脉冲编码器通过支架安装于电梯曳引钢丝绳或电梯限速器钢丝绳旁，编码器上的转轮能够随电梯的运动而转动，转轮通过联轴器带动旋转编码器旋转，并将电梯的速度信息通过有线方式传送到脉冲速度主控板。脉冲传感器模块由脉冲传感器和主控板等组成，主要用于采集脉冲传感器的测速数据，经过下位机软件处理，计算出电梯的运行速度。

2 通信方式

2.1 IP分配

根据无线通信的模式，须给各个模块分配好IP地址，如表1所示。

在无线通信的电梯速度测量仪器中，速度测量界面有两种选择：

（1）在电梯参数输入界面中，选择“在轿厢测量速度”（即加速度传感器测量）时，平板和下位机同步，读取下位机上传的加速度值并通过算法求得下行速度、上行速度；或直接读取下位机上传的下行速度和上行速度；

（2）当在电梯参数输入界面中选择“在机房测量速度”（即速度传感器测量）时，直接可以得出电梯匀速运行时的下行速度和上行速度。

2.2 上位机指令

上位机即作为显示终端的平板电脑，它要与下位机进行连接并读取下位机所提供的信息。各模块与显示处理终端的通信协议进行归一处理，以实现条理清晰，方便工作人员进行开发。下发指令如表2所示。

指令头：0x55；模块编号：0——广播模式；1——智能终端平板电脑；2——加速度测速模块；3——脉冲测速模块（RX模块编号：接收模块的模块编号；TX模块编号：发送模块的模块编号）。

指令号：1——在线检测；2——开始；3——结束；4——备用。

校验值：等于前面各项数据之和，指令头除外，并取走低一个字节。

通过这些指令，上位机可以清楚地给下位机作出指示，要求下位机执行某项任务，比如上传速度数据等。

2.3 下位机程序

下位机包括加速度主控板、脉冲速度主控板等，需要完成采集数据及上传功能。为了实现对终端设备（平板电脑）的响应，必须有通信协议，如表3所示。

指令头：0xAA；模块编号：0——广播模式；1——功率模块；2——加速度测速模块；3——脉冲测速模块；4——智能终端平板电脑。

指令号：1——在线检测；2——开始； 3——结束；4——备用。

脉冲测速值：电梯运动速度值以脉冲编码器方式采集，前两个字节表示上行速度，如最大值为：256.255；后两个字节表示下行速度，如最大值为：255.255。

加速度测速值：电梯运动速度值以加速度积分方式采集，前两个字节表示上行速度，如最大值为：255.255；后两个字节表示下行速度，如最大值为：255.255。

校验值：等于前面各项数据之和，指令头除外，并取走低一个字节。

2.4 加速度的积分算法

电梯完成上下行之后，上位机根据采集到的数据组来进行处理。由于理论上加速度计在放平完全静止的情况下，Z轴会输出±1g左右的加速度分量，因此，首先在得到的所有数据中提取一个极值，上行时提取最大值（初始值为-1左右，加速阶段重力加速度增加）；下行时提取最小值（初始值为-1左右，加速阶段重力加速度减少）。提取到了这个极值后，将所有数据都减去该极值以将重力的影响消除，以免干扰位移加速度分量数据。

然后再根据积分算法，算出电梯的上行和下行速度，即通过加速度跟时间的积分来得到速度，对于离散数据的积分，设a表示加速度矢量；v表示速度矢量，使用一阶的龙格库塔法来求得速度：

，，

，

根据以上三个公式来求得积分，通过求线段与坐标轴所围成的面积，将相邻的两个矩形与所求真实线段所围成的图像近似为三角形，只要加上（或减去）三角形的面积，误差就能消除很大一部分。实际情况取决于模块运行的速度，速度越快误差越小，三角形的面积由面积公式长乘高除以二得到面积，所得的数值即为速度。

3 实 验

实验时，加速度测速模块位于电梯轿厢内部，脉冲测速模块安装于电梯机房内，如图5、图6所示。

经过测试可以发现，两种速度信号采集之后，在平板电脑上显示的最终数据相差较小。

如表4所示。

4 结 论

本文提出了一种利用WIFI无线通信形式来完成两种速度采集的方法，并对加速度计和脉冲速度编码器分别进行了研究，分析了两种不同类型电梯速度信号的处理，通过下位机及上位机的程序设计完成了仪器的信号采集功能。

实验结果表明，该仪器能够很好地完成电梯速度信号的采集及传输，两种方式均得到了相似的试验结果。

参考文献：

[1] 陈国庆.曳引式电梯振动测试与状态监测系统开发 [D].石家庄：河北科技大学，2016.

[2] 孙玉国，勾灿.安卓手机在电梯加速度测量中的应用 [J].上海计量测试，2016，43（5）：5-6+11.

[3] 郑伟峰.基于加速度传感器的电梯健康监测系统 [J].计量与测试技术，2016，43（9）：18-20.

[4] 胡伟，冯朝辉，史锦耀，俞冬强，等.电梯振动加速度监测装置的设计 [J].机械与电子，2012（10）：32-35.