基于物联网的电梯实时监测系统设计.pdf

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1、基于物联网的电梯实时监测系统设计张敏，陈春俊，黄海莲（西南交通大学机械学院，四川 成都 610031）摘要：针对目前电梯监测方法繁杂、工作效率低等问题，引入惯性捷联系统，并介绍了基于物联网的电梯实时监测系统的硬件结构和软件流程。运用惯性捷联原理，提出判断电梯运行状态的算法；引入物联网，实时获取、保存、查询及分析电梯运行状态，及时实现电梯与人的信息交互；引入无线射频系统，准确获取电梯特殊标志信息；选用MC52I无线模块，远程语音安抚被困人员情绪。现场调试证明系统工作稳定可靠，各项指标均达到设计要求。关键词：惯性捷联；物联网；实时；算法；无线射频中图分类号：TU976.3；TN926+.21文献标

2、志码：A文章编号：1674-5124（2012）01-0101-05Design of elevator real-time monitoring system based on internet of thingsZHANG Min，CHEN Chun-jun，HUANG Hai-lian（School of Mechanical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）Abstract:Aimed at the problem that elevator monitoring methods are co

3、mplex and inefficient，thestrapped-down system was applied，and the hardware circuit and the software flow of the designof elevator real-time monitoring system based on the internet of things were introduced.Using theinertial principle of strapped-down system，the elevator monitoring method was propose

4、d，and thealgorithm for judging the running state of the elevator was put forward.People could obtain，save，search and analyze the running state of the elevator in real-time by the internet of things，at the same time，the state information of the elevator was exchanged in real-time.For accuratelygettin

5、g the special symbol information of the elevator，the radio frequency identification systemwas applied.MC52I wireless module was selected to comfort the trapped persons by remote voice.It is proved that the system is reliable and stable and meets the design requirements.Key words:inertial principle o

6、f strapped-down system；internet of things；real-time；algorithm；radiofrequency identification收稿日期：2010-12-01；收到修改稿日期：2011-03-07作者简介：张敏（1985-），女，四川邛崃市人，硕士研究生，专业方向为微机测控技术与信号处理。0引言由于城市土地资源紧张，建筑物向高空发展，电梯成了人们工作和生活中必不可少的垂直交通工具。因此，电梯运行安全、平稳、舒适成为人们关注的焦点。近年来，电梯伤人事件时有发生，人民的生命财产遭受损失。究其原因，电梯的运行管理存在漏洞是关键。所以，为确保电梯安

7、全、平稳、舒适运行，该系统采用无线传感网与物联网技术相结合的监测与管理模式。在这种管理模式下，可以实时监测电梯的运行状态，并将状态信息发送到电梯管理与维修中心，及时实现人与电梯的信息交互与处理。其检测监测原理：采用 DSP、USB 和无线 GPRS，运用惯性捷联原理，实时检测电梯轨道不平顺，采集三维运动加速度和三维旋转角速度等信号，经过算法处理，将得到的电梯状态参数、信息发送到监测中心供查询、分析和处理。一方面，可实现故障预警和报警，降低电梯故障发生率，提高故障电梯的修复速度；另一方面，实时获得电梯运行平稳性情况，确保电梯安全与舒适运行1。1系统组成系统由主控模块、采集模块、USB 模块、无线

8、传输和数据存储模块组成，如图 1 所示。采集信号经算法处理得到电梯的运行状态，电梯正常运行，状态参数保存到计算机；否则，通过中国测试CHINA MEASUREMENT&TESTVol.38No.1January，2012第 38 卷第 1 期2012 年 1 月中国测试2012 年 1 月USB 保存状态参数的同时，通过网络将短消息发送到监测中心或手机终端2，及时实现电梯与人的信息交互。2系统硬件设计2.1主控（算法）模块主控芯片采用 TMS320F28335，由 TPS767D301产生 3.3V 和 1.8V 供电，主要完成控制与信号的算法处理3-4：（1）惯性捷联原理算法实现；（2）轿箱

9、坐标系转换到惯性空间坐标系算法实现；（3）判断电梯运行状态算法实现。2.2数据采集转换AD 采集模块选用 8 通道、14 位的同步采集芯片 MAX1316，其采集频率为 150 Kb。MAX1316 与DSP 接口电路中，AIN0+、AIN0-AIN3+、AIN3-为8路模拟信号输入端口；D0D13 为 DSP 接受 AD 转换的 14 位数据；AD-CONVST 由 DSP 的 PWM 信号提供，启动开始转换；AD-EOC 一个通道转换结束输出，低电平有效，一个时钟周期后恢复高电平；AD-EOLC最后一次转换输出；AD-RD 读信号输入，低电平有效时，读并行数据线上的 AD 转换结果。2.3

10、USB 通信模块选用 USB2.0 控制器 CY7C68013。通过 USB 模块将实时获取的状态参数保存到计算机，供查询和进一步分析。FIFOADR0、FIFOADR1 为端点选择管脚，输入，用于选择 CY7C68013 内部 EP2、EP4、EP6和 EP8 4 个端点中的一个；SLRD、SLWD 分别是读、写控制，用于控制端点为读或写；FLAGA、FLAGB、FLAGC 是可编程的端点满、空标志，FLAGA 连接到DSP 的 GPIO24，设置为端点的满标志，FLAGB 连接到 DSP 的 GPIO25，设置为端点的空标志；SLOE 是输出使能，连接到 DSP 的 GPIO22，使其一直

11、拉高5；SCL1、SDA1 是与 EEPROM 接口的时钟和数据线；SLCS 为片选；IFCLK 为接口时钟；CLKOUT-12MHz、24MHz 或 48MHz 的时钟输入。该设计中，FIFOADR0、FIFOADR1 分别连接到 DSP 的 XA5 和 XA7 地址线，将 CY7C68013 的端点 6（输入）和端点 2（输出）映射到 DSP 的 Zone7 的 0 x20FC80 和 0 x20FC00 地址，通过 XINTF 总线方式实现数据传输。片选和读写控制线 SLCS、SLRD、SLWD 分别连接到 DSP 的XZCS7、XRD 和 XWE06。2.4GPRS 模块该 GPRS

12、无线传输模块主要由 SIM 卡和 MC52I模块组成，电路设计包括串口电路、启动电路和 SIM卡电路7-8，接口电路如图 2 所示。（1）串口电路。DSP 通过 SCI 串口与 MC52I 进行AT 命令和数据的传输，DSP 的输出 SCITXDA 与MC52I 的输入 TXD0 相连接，DSP 的输入 SCIRXDA与 MC52I 的输出 RXD0 相连接。（2）启动电路。一方面，IGF 引脚保持高阻，给MC52I 供电，当 BATT+引脚电压大于 3V 后，将 IGF拉低至少 100ms；另一方面，始终保持 BATT+引脚电压不小于 3V。该设计采用 GPIO12 脚来控制启动。（3）SI

13、M 卡电路。选择 8 脚的 SIM 卡，只需将 8 个管脚对应连接到 MC52I 上即可，CCCLK 和 CCIO2 路信号不相邻，CCGND 与 GND 不相连。（4）其他辅助电路。MC52I 的 40 脚 EMERGOFF表示紧急关机，模块启动后，不停地给这个脚长度为2s 左右的高低电平；31 脚的 VDD 输出接一个 LED，用于判断模块是否正常启动。3系统软件设计系统软件设计采用 CCS3.3 开发工具，主程序、中断子程序流程图分别如图 3、图 4 所示。传感器陀螺仪电源、按键、复位电路EEPROM外部RAM监测中心手机终端AD采集主控DSP芯片（算法）状态、短消息AT命令USB模块G

14、PRS模块计算机GSM网络图1系统组成框图图2MC52I与DSP的接口电路DSP148145521SCITXDASCIRXDADSPEMEDSPIGFR5647k47kQ547kR8347kR572N930A2N930AQ4R58TXD0RXD0IGFEMERGOFFMC52I1718154241314013100FC519R82300L2LEDR81Q12N930R52L3LEDVDD3.3SYNCVDDAGND300300102第 38 卷第 1 期3.1惯性捷联原理算法空间运行的电梯，主要通过各个坐标系之间的关系来实时确定其导航参数，捷联惯性系统常用到地心惯性坐标系、地球坐标系、地理坐标

15、系、导航坐标系和机体坐标系9。地理坐标系简称为惯性坐标系，该设计中用惯性坐标系作为电梯运动的参照物。惯性坐标系 Oxyz 选取东北天坐标系：Ox 指东，Oy 指北，Oz 指天，原点 O 取为轿箱的质量中心。轿箱坐标系 Ox3y3z3的 Oy3沿轿箱纵轴指向前，Ox3沿轿箱横轴指向右，Oz3轴垂直于 Ox3y3z3平面，并沿轿箱的竖轴向上9。轿箱坐标系相对于惯性坐标系所确定的状态用姿态角表示，它是轿箱首向角、纵摇角、横摇角的统称。如图 5，表示首向角，以顺时针方向计量；为轿箱纵摇角；为轿箱横摇角。由轿箱坐标系到地理坐标系的变换按下列顺序分 3 次转动得到9，如图 5按箭头方向进行。首先，沿 Oz

16、 轴转动-，得到 Ox1y1z1，如图 5（a）所示；然后沿 Ox1轴转动-，得到 Ox2y2z2，如图 5（b）所示；最后沿 Oy2轴转动-，即得到轿箱坐标系Ox3y3z39，如图 5（c）所示。（1）轿箱坐标系转换到惯性空间坐标系算法实现轿箱坐标系与惯性坐标系的关系为xy3333333333333333333333z=（C3）-1x3y3z33333333333333333333333（1）式中：C3=C01C12C23，C01、C12、C23分别表示绕 Oz 轴转动-、然后沿Ox1轴转动-、最后沿Oy2轴转动-。启动电源？中断子程序电梯运行状态正常？N切断电梯电源保存参数并分析舒适性退出

17、采集、AD转换算法处理设置GPIO口中断使能初始化系统开 始YNY图3系统主程序流程图张敏等：基于物联网的电梯实时监测系统设计图5坐标变换原理图（a）坐标系沿Oz轴转动xx1zz1yy1O（b）坐标系沿Ox1轴转动z1z2x1x2y1y2O（c）坐标系沿Oy2轴转动x2y2z2z3y3x3O图4中断报警子程序流程图中断子程序入口故障或潜在故障？中断退出故障？监测中心、手机终端预报警监测中心、手机终端报警启动语音，安抚被困人员情绪启动语音延时延时NNYY103中国测试2012 年 1 月所以C3=C23C12C01=cos0sin010-sin 0 cos1000 cos-sin0sincosc

18、ossin0-sin cos 0001（2）设 T3为坐标变换矩阵，T3=（C3）-1=（C3）T，则有T3=coscos+sinsinsinsincoscossin-sinsincoscossinsin-sincoscoscos-sinsin-cossincos-cossinsincoscos（3）可见，T3的元素为轿箱的、的函数，由此，单值地计算出它们的大小。其中，首向角 定义域为（0，2），纵摇角 定义域（-/2，/2），横摇角 定义域为（-，），由此可得、的真值。求解捷联矩阵：轿箱坐标系相对惯性坐标系的转动用转动四元数法来表示，四元数微分方程的矩阵形式为m觶0m觶1m觶2m觶3=120

19、-dxtd-dytd-dztddxtd0dztd-dytddytd-dztd0dxtddztddytd-dxtd0m0m1m2m3（4）捷联矩阵和四元数的关系为T3=m02+m12-m22-m322（m1m2-m0m3）2（m1m3+m0m2）2（m1m2+m0m3）m02-m12+m22-m322（m2m3-m0m1）2（m1m3-m0m2）2（m2m3+m0m1）m02-m12-m22+m32（5）对式（4）四元数的微分方程实时求解，便可以得到 m0、m1、m2、m3的值，代入式（5）便得到捷联矩阵。再根据、与真值的关系得到轿箱的姿态角、。（2）电梯运行状态判断算法实现确定轿箱的姿态角、，

20、分析其运动轨迹，即得判断电梯运行状态的算法：1）电梯停止时 SZ=Ln（n=0，1，2，3，n），L 为测得楼层高度，电梯运行正常；2）SZLn（n=0，1，2，3，n）电梯停在楼层间，故障；3）电梯运行时 z 轴 aZ1m/s，电梯不稳定；4）电梯在 x、y 轴的运行状态 S1XSX，电梯在 x 轴振动；S1YSY时电梯在 y 轴振动；S1XSX且 S1YSY时运行正常。其中，SX、SY、SZ分别为 x、y、z 方向位移。3.2USB 通信实现USB 开发包括固件开发、DSP 控制通信程序开发。（1）固件开发。在 Keil 环境下，对 periph.c 文件中 TD_Init 函数里的时钟、

21、工作方式、端点方向、缓冲区大小、自动指针等进行设置。该设计中，设置CY7C68013 工作于 slave fifo 异步方式，内部 48MHz时钟，端点 6 为 512 字节的双缓冲自动输入、批量传输，端点 2 为 512 字节的双缓冲自动输出、批量传输，并使能双向自动指针。（2）DSP 控制通信程序开发。通过 EZ-USB 控制面板的 download 键将编译好的.hex 文件下载到CY7C68013，即可进行 CCS3.3 中的程序开发。DSP与CY7C68013 的数据传输，关键是对 CY7C68013 内部端点的读写。对于 DSP，其内部端点相当于外部RAM3。该设计选用端点 6（输

22、入）和端点 2（输出），分别将它们映射到 Zone 7 的 0 x20FC80 和 0 x20FC00，SLOE 输出使能一直拉高。3.3无线射频识别系统无线射频识别系统主要由阅读器和电子标签两部分组成10，主要完成对电梯特殊标志信息的自动获取，并提供给主控芯片来完成相关后续处理。3.4无线通信实现无线通信的软件设计是在 CCS3.3 环境中编写对 AT 指令进行收发的程序，传输的 AT 指令主要包括电话号码、DNS 服务的 IP 地址、GPRS 服务商提供的密码、接入 GPRS 服务的 APN 以及 TCP 通信等2。（1）模块初始化。通信前，需要使用 AT 指令对MC52I 模块进行初始化

23、设置，包括连接方式、服务类型、接入点名称、服务器地址及端口。初始化完成后开启网络服务，MC52I 会自动登陆到服务器的相应端口11。以下是初始化所用的部分 AT 指令：atsics=0，contype，gprs0；/网络连接方式atsics=1，apn，cmnet；atsiss=1，srvtype，socket；atsiss=2，conid，1；atsiss=2，address，socktcp：/219.238.229.74:1200；/设置服务器地址及端口atsiso=2；/打开端口atsisw=0，10；（2）发送短消息。先将接收短消息的电话存好，使用“atcsca”设置短消息中心，如“a

24、tcsca=+8613800000280”；使用“atcmgf=1”设置短消息发送格式为文本，使用“atcmgs”发送短消息；使用“atipr”设置波特率，该设计采用 9.6kb/s。104第 38 卷第 1 期7结束语随钻声波测井仪在井下采集的测井数据数据量大，数据结构复杂，通过 USB 或者网线进行数据传输将大大提高传输速度以及传输的准确性，确保井下数据的不失真回显。随钻测井仪的维护问题一直是困扰测井相关项目的难题，该文提出采用维护系统利用单一的串口线对井下仪器进行数据传输和在线升级，避免了对井下仪器的拆卸，直接在上位机端进行必要的操作就可以完成数据的传输以及系统的在线升级等维护工作，极大

25、地提高了测井仪维护人员的工作效率，在实际应用中具有较高的现实意义和应用前景。参考文献1肖红兵，鞠晓东，杨锦舟.随钻声波测井数据存储技术研究J.科学技术工程，2009，6（9）：3065-3068.2成洁，卢紫毅.Linux 窗口程序设计-Qt4 精彩实例分析M.北京：清华大学出版社，2008.3闫婷婷，龙卓群.基于 Linux 的 USB 从设备驱动研究J.电子元器件应用，2009，11（10）：55-57.4Linux 内核 USB 从设备驱动程序-shangshuwuDB/OL.2010-11-20.http：/ Linux 设备驱动开发详解M.北京：人民邮电出版社，2008.6Donah

26、oo M J，Calvert K L，陈宗斌，等.TCP/IP Sockets编程：C 语言实现M.2 版.北京：清华大学出版社，2009.7华清远见嵌入式培训中心.嵌入式 Linux 应用程序开发标准教程M.北京：人民邮电出版社，2009.8韩红霞，耿爱辉.DSP 外部 Flash 烧写的两种方法J.微计算机信息，2009，23（2）：170-171.9孙秋生，陈尚峰.基于 CCS 的 DSP 片外 Flash 直接烧写设计J.电子设计工程，2009，17（1）：93-95.（上接第 100 页）（3）无线发送状态参数。DSP 通过 SCITXDA 串口把数据写入到 MC52I 模块，经 G

27、SM 网络发送到监测中心。以下为部分 AT 指令：写串口：atsisr=0，10/读串口：SISR：0，10/返回实际的数据长度读串口：9999999999/接收的数据读串口：SISW：0，1/接收网络响应接收数据则是DSP使用atsisr命令通过SCIRXDA串口从 MC52I 模块中读取。4结束语引入物联网，运用惯性捷联原理，利用 MC52I的性能稳定、支持数据、语音和短消息等特性设计的监测系统，实用性强，工作稳定、可靠，及时实现用户、相关主管部门与电梯之间的实时信息交互与处理，最大程度保证了乘客的安全性和舒适性。经调试，该系统各项指标均达到设计要求。参考文献1蓝天宇，陈春俊，伍川辉.电梯

28、运行轨迹测试系统标定平台控制算法研究J.计算机测量与控制，2008，16（11）：1545-1546.2浦敏，李云飞，王宜怀.基于物联网的无线照明控制系统J.照明工程学报，2010，21（2）：86-89.3张卫宁.TMS320C28X 系列 DSP 的 CPU 与外设（上、下）M.北京：清华大学出版社，2004.4扈宏杰.DSP 控制系统的设计与实现M.北京：机械工业出版社，2004.5许永和.USB 外围设备设计与应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2002.6苏涛，蔡建隆，何学辉.DSP 接口电路设计与编程M.1 版.西安：西安电子科技大学出版社，2003.7赵望达.高速铁路安全监控系统J.铁路通讯信号，2001，37（5）：6-10.8秦艳敏，张卫华，陈建政.应用 GPS/GPRS 技术的列车检测系统研究J.中国测试技术，2006，32（2）：44-45.9陈哲编.捷联惯导系统原理M.北京：宇航出版社，1986.10 游战清，李苏剑.无线射频识别技术（RFID）理论与应用M.北京：电子工业出版社，2004.11 王峰，林建辉.GSM 短信平台的设计J.中国测试技术，2005，31（3）：101-102.张敏等：基于物联网的电梯实时监测系统设计!105