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 楼主| 发表于 2021-4-30 16:14:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
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本帖最后由 Kara 于 2021-4-30 16:30 编辑

基于机智云物联网平台的智能电梯管理系统

摘要: 随着科技的发展与电梯的普及,为解决传统电梯舒适性与安全性不足的问题,智能电梯管理系统解决方案应运而生。介绍了以STC89C52RC单片机为核心,使用数码管和LED、矩阵键盘、电机驱动、WiFi、语音播报、I/O口拓展、报警等模块组成的智能电梯控制系统。结合机智云物联网平台设计出在电梯紧急情况下的维护模式,以及实现远程调度的预约模式。与物联网的结合,使实时记录上传电梯的运行日志成为可能;使用远程控制算法,将节约用户时间成本变为现实,成为当下电梯升级改造的重要研究方向,对实际电梯的设计有一定的参考意义。

关键词: 单片机 智能电梯 系统设计 语音播报 I/O口拓展 机智云物联网平台 Android

作者简介: 隗东平,本科,主要研究方向为电子信息科学与技术。E*古丽米拉·克孜尔别克(通信作者),硕士,副教授,主要研究方向为农业信息化。

引言

文中以传统电梯系统的技术升级为立足点,从电梯使用的安全性、稳定性、人性化等角度考虑,结合在物联网的大环境下,探讨智能电梯的发展的方向,设计了一款可行、成本低、可靠性高、舒适性强的智能电梯控制系统[3]

本文创新点如下:1)使用本地控制与远程控制相结合的模式;2)可将系统运行日志上传至云端,用做运行状态分析或备份[4];3)在尽量保证成本的同时,提升系统的稳定性与可操作性;4)电梯维护人员在紧急情况下第一时间远程管控设备端。
1 电梯控制系统的组成

以STC89C52RC单片机为核心的智能电梯控制系统,设计应满足以下几点要求,如基础电梯的运行逻辑、楼层信息的输入与输出、语音播报、远程控制、运行日志上传以及报警功能组成,如图1所示。
2 系统硬件设计

在硬件设计开始之前,将使用的器件在程序中仿真,划分模块依次实施,完成基础的电梯功能之后,在基础的设计上进行升级[5]。
1.jpg
2.1 系统主要模块概述
1)单片机最小系统模块

本文MCU选用STC89C52RC单片机,最小系统使用11.059 2MHz晶振的时钟电路和复位电路组成[6],将各模块程序初始化,也可用于摆脱互锁,防止程序跑飞。其内置有中央处理内核CPU、时钟电路和中断系统,3个16位定时器/计数器等,具有成本低、功耗低、可靠性高的特点[7],可以满足本次设计的要求。

2)8155I/O口拓展模块

8155拓展模块额外增加了系统的接口,8155与单片机相同,具有40脚双列直插式封装,共有4组I/O口。AD口与单片机PO口作为数据与地址总线,解决单片机使用的过程中I/O口不足的问题。使用外部硬件对系统进行拓展,强化单片机I/O口,满足了复杂操作的需求。

3)L298N电机驱动模块

esp8266模块通过烧录机智云固件GAgent,链接互联网与云端通信,使设备端接入机智云物联网平台,上传电梯运行状态并可以通过手机APP下达设备端控制指令,控制流程如图2所示。结合机智云物联网平台设计出节省时间的电梯楼层预约模式,以及出现特殊情况时电梯的维护模式,并将电梯的指令记录下来便于后期维护。ESP8266需要3.3V供电,在设计电路时需要针对ESP8266设计相应供电电路。

2.jpg 机智云控制流程图

在单片机STC89C52RC中采用协议来接入机智云物联网平台,比特率为9 600b/s,采用一问一答,数据包上报、下发的通信交互形式[9-10]。在平台中创建8个布尔类型数据节点用户端使用机智云APP,通过简单的开关选择,即可修改数据包内容并对设备端进行控制,进行指令的下达,数据包格式如表1所示。

表1 通信数据包格式
3.jpg

5)ISD1820语音模块

ISD1820语音模块作为人性化元素,通过录制科大讯飞合成语音,在电梯到达预选楼层提示乘客电梯已达。ISD1820语音模块连接单片机引脚,选择I/O上升沿触发模式,由单片机引脚的高电平触发语音模块放音,即可放出整段语音。

蜂鸣器报警模块

在紧急情况下报警,程序应首先响应,故将报警控制写在外部中断0当中,外部中断0在中断系统中占有最高优先级,报警模块使用蜂鸣器,通过三级管放大电路由按键触发,在程序中设计相应算法,以便当乘客遇到紧急情况时,发出求救信号能够及时传达到保障人员,确保在程序运行中也可以迅速响应[11]。使用硬件消抖的方式,在按键两端并联0.2μF的瓷片电容,通过电容的充电与放电延时抵消机械抖动,保证报警按键工作正常。

7)LED与数码管显示模块

显示模块完成7位LED灯显示触发楼层数与开关门延时功能,电梯外部按键中任意楼层触发请求,相应的LED灯亮起,表示楼层呼叫请求成功。以一位红色LED灯亮灭模拟电梯开关门状态。4位共阳极数码管显示当前所在楼层和上下行状态,段选信号线与8155的PB口连接,位选与PA0-PA3口连接。第一位以“U”代表电梯上行或“d”代表电梯下行,第4位显示“1-4”代表当前电梯所在位置,维护模式下数码管显示“StOP”,电梯不响应任何楼层呼叫请求。

8)矩阵键盘模拟电梯内部与楼层内的按键,通过逐行逐列扫描的方式确认触发楼层,矩阵控制模块与WiFi模块的云端指令作为输入信号[12],完成设备的楼层的呼叫请求。
2.2 系统Protues仿真

在进行实物设计之前,先进行Protues仿真,在仿真当中模拟出设备端的运行状态,使用Keil C51编写程序,生成HEX文件,在仿真当中运行,检验程序的设计与运行逻辑的正确性,仿真中的接线可以给实物的焊接提供一定的参考,系统Protues仿真如图3所示。

4.jpg
2.3 硬件实现

在硬件搭建的过程当中,尽可能模拟出电梯的真实运行状态;合理使用延时函数以防过多的CPU占用;实物的焊接应避免虚焊漏焊,影响设备运行的安全性与稳定性,完成硬件实物如图4所示。

5.jpg
实物图

3 系统软件设计

本系统设计在设备端层面上,完成电梯的基本功能,完善电梯轿厢调度运行算法,区分上下行的逐层切换电梯状态,保证了电梯上行时可以响应高楼层上行请求,下行时响应低楼层下行请求,当本次上(下)行请求完成后才会去响应对向行驶的楼层请求,运行调度逻辑如图5所示。

设计电梯内外按键模拟电梯的呼叫请求,L298N驱动电机正反转模拟电梯轿厢的上下行,语音模块在电梯到达预选楼层后提示乘客到达,报警模块使用到了外部中断,确保在紧急情况下报警的请求优先响应,数码管模块显示电梯的上下行以及当前楼层的位置,LED灯在产生外部按键请求时亮起,提示用户呼叫请求已经成功。

在云端层面上,接入物联网平台后,电梯的可操作性增强,拓展出电梯的预约模式,在手机端下发指令即可对电梯进行调度,维护模式适用于电梯特殊情况的处理,模式开启后设备端的呼叫请求将不被响应。在云端对电梯设备进行监管,结合现代电子技术的进步,在保证安全性的前提下提高电梯使用的效率和稳定性[13]。

在本程序设计中使用C语言编程,完成设计的功能目标,软件设计中包含主程序以及各个子程序的相互协作,调用相应的I/O口,对输入信号逻辑进行判断,做出响应。系统上电以后,先进行初始化,主程序不断地执行键盘扫描程序,当有键盘输入时,主程序调用定时器中断程序,并通过行列扫描方式读取键盘输入信息,调用显示子程序和电机驱动子程序,将电梯楼层的上下行信息和当前楼层的位置信息传递给操作人员,流程如图6、图7所示。
4 系统测试

1)  手机端控制测试,设备上电后,自动接入配置网络,在手机APP中下达楼层指令,设备端做出响应,在维护模式状态下,不响应设备端的楼层输入请求,报警按键正常工作,测试效果如图8、9所示。
6.jpg

     电梯调度逻辑图

7.jpg

                    主程序流程图

8.jpg
       定时器流程图


2)  设备端的运行逻辑测试,电梯在工作中,可以响应同向行驶对应的低(高)楼层的请求[14],在完成当前呼叫请求之后,响应逆向的楼层请求;报警测试,在程序运行的任意时刻可以响应报警请求,测试结果如表2所示。

3)  测试结果表明,手机端控制对网络有一个较高的要求,网络状态不好的情况下可能会造成传输数据的丢失,对设备端并不影响,绝大部分情况可以正确及时的响应楼层呼与报警叫请求,达成了本文设计的预期。针对网络信号问题亦可根据使用场景与用途的不同,因地制宜的使用GSM模块或是WiFi模块作为信息传输装置[15],以保证设备功能的实现。

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                  云端控制测试
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维护模式测试图

测试结果数据表

11.jpg


5结论

本文设计以STC89C52RC为基础,加以配备一系列外设,模拟了4层电梯的运行,在传统电梯的基础上进行创新,分析了物联网带来安全性与舒适性的提升,对智能控制系统进行研究,在系统框架形成的基础上对设计进行完善,加入了智能化与人性化的设计。与物联网相结合提高了设备的安全性,创新性的融入了电梯的工作模式与维护模式,使远程监管大大降低后期维护的难度,满足便捷的响应需求,节省了时间与资源。


原文链接:https://kns.cnki.net/kns8/defaultresult/index



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