基于A(yíng)VR單片機的節能機器人電梯，軟硬件協(xié)同

一、項目概述

1.1 引言

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，高層建筑和智能化建筑的不斷出現，作為垂直運輸工具的電梯得到了越來(lái)越廣泛的應用，人們對電梯服務(wù)質(zhì)量及可靠運行提出了越來(lái)越高的要求。在2010年4月22日電梯行業(yè)“節能·安全·智能”技術(shù)交流會(huì )上中國電梯協(xié)會(huì )副秘書(shū)長(cháng)張樂(lè )祥提出節能、安全、智能已成為電梯技術(shù)發(fā)張的主流，驅動(dòng)與控制系統仍存在改善空間，遠程監控維修技術(shù)成為焦點(diǎn)。

本文在節能方面運用電梯群控分配控制技術(shù)，以能量消耗作為主要指標把侯梯和乘梯時(shí)間作為模型約束建立數學(xué)模型，另外如果持續3 分鐘沒(méi)有轎廂、層站召喚，電梯將自動(dòng)關(guān)閉照明及風(fēng)扇，并降低梯廳位置顯示器的亮度，從而大幅度減少待機電力消耗；在安全和智能方面通過(guò)對電梯的各種狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，同時(shí)對電梯運行過(guò)程中可能出現的各種故障進(jìn)行預測、診斷和報警。

因此，此項目開(kāi)發(fā)是基于 AVR處理器的智能電梯控制器，并融合CAN總線(xiàn)技術(shù)、多媒體技術(shù)、智能控制技術(shù)、優(yōu)化調度技術(shù)、故障預測與診斷等技術(shù)。在硬件上，選用32位AVR處理器作為電梯控制器的核心CPU，在軟件上，選用Linux操作系統作為電梯核心控制器的軟件平臺。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

隨我國城市化建設的迅猛發(fā)展和物質(zhì)文化生活質(zhì)量迅速提高，建筑業(yè)日益發(fā)展壯大。為建筑物內提供上下交通運輸的電梯工業(yè)也迅速發(fā)展起來(lái)。電梯不僅是生產(chǎn)運輸的主要設備，更是人們生活和工作中必備的交通工具。和汽車(chē)一樣、已成為人們頻繁使用的交通運輸設備。

近年來(lái)，我國每年新增電梯均在15%以上，因此我國的電梯節能有許多潛力可挖。我國的電梯生產(chǎn)量、需求量已經(jīng)占到全球50%以上，而電梯節能技術(shù)的研究基礎比較薄弱。電梯要實(shí)現整體節能，與樓宇的電梯配置方案也密切相關(guān)。目前我國有許多樓宇都存在電梯的無(wú)效耗能。例如，一棟樓配置了多臺電梯但卻沒(méi)有采用普通的并聯(lián)、群控技術(shù)或目的選層群控技術(shù)，導致多臺電梯向同方向運行的無(wú)效耗能。因此為了提高高層建筑中多部電梯的運行效率和服務(wù)質(zhì)量，需要用電梯群控管理系統來(lái)進(jìn)行合理的調度和管理。

然而近些年電梯安全事故時(shí)有發(fā)生，整個(gè)行業(yè)不得不深入分析。就電梯事故的原因，我們需要對電梯故障及時(shí)檢測，就能有效地預防電梯事故的發(fā)生，減少對人們造成的危害。

為了實(shí)現上述功能，我們融入了“節能環(huán)保”的理念，設計了“基于AVR單片機的節能機器人電梯”。

二、需求分析

2.1 功能要求

（1）當電梯3分鐘沒(méi)有接收呼梯信號時(shí)，電梯自動(dòng)關(guān)閉照明及風(fēng)扇。

（2）當電梯運行速度超過(guò)一定值時(shí)，發(fā)送報警信號到遠程控制系統

（3）當電梯斷電時(shí)，發(fā)送斷電信號到遠程控制系統

（4）當轎廂內報警按鈕按下時(shí)發(fā)送信號至遠程控制系統，遠程控制系統接收到信息后由遠程控制系統端的工作人員發(fā)送信號到轎廂點(diǎn)亮報警指示燈。

（5）當電梯的重量超過(guò)一定值時(shí)，電梯停止啟動(dòng)，并發(fā)出報警聲音

（6）電梯轎廂外顯示屏上能夠顯示電梯目前所在層數、所呼叫電梯等待時(shí)間

（7）電梯轎廂內顯示屏上能夠顯示電梯當前運行方向（電梯向上運行時(shí)，向上運行指示燈點(diǎn)亮；電梯向下運行時(shí)，向下運行指示燈點(diǎn)亮）、當前所在層數、電梯到達目的層的的時(shí)間

（8）當多個(gè)呼梯信號同時(shí)發(fā)出時(shí)，電梯能夠通過(guò)群控器進(jìn)行最優(yōu)配置，并且有轎廂外顯示屏顯示所分配電梯

2.2 性能要求

1）現場(chǎng)數據采集器連續采集現場(chǎng)數據，并有效傳輸

2）群控--模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法模型，能耗率低

3) 設備具有數據通信、電源管理和設備監控的功能

4）設備具有視窗化人機界面和綜合監控應用軟件

5）系統工作穩定且兼容性強，核心控制和遠程控制聯(lián)動(dòng)便利，易維護

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

系統架構圖

（一）信息采集系統

該系統主要用于采集電梯的運行狀態(tài)、電梯故障信息、樓層號、呼梯信號、開(kāi)關(guān)門(mén)信號以完成電梯基本控制功能，并將這些信息通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送到?jīng)Q策系統（監視工作站、群控器）進(jìn)行處理及時(shí)作出響應。

關(guān)于信息采集各模塊的信息如下表所示：

（二）通訊系統

由于采用了AVR32單片機作為核心控制器，其開(kāi)發(fā)板上已有兩個(gè)CAN接口，因此通過(guò)使用CAN總線(xiàn)控制器比較方便。

CAN現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)通過(guò)利用現場(chǎng)傳感器用于采集現場(chǎng)電梯各種信號，并通過(guò)CAN通訊卡與決策系統相連。電梯核心控制系統可以通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò )和各個(gè)數據采集節點(diǎn)通訊，實(shí)現各種數據參數的采集及數據的初步分析，并與遠程控制系統通過(guò)Internet技術(shù)進(jìn)行數據傳輸：通過(guò)計算機數據處理中心對現場(chǎng)采集的數據進(jìn)行深層次的綜合分析，另外計算機數據處理中心也可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò )對電梯運行狀態(tài)進(jìn)行遠程監測。

運用Internet技術(shù)和分布在各地的電梯所在的局域網(wǎng)把每臺電梯連接起來(lái)，也就是讓電梯上網(wǎng)，通過(guò)Intertnet實(shí)時(shí)傳送電梯的工作狀態(tài)和工作參數?？梢宰儽粍?dòng)保養為主動(dòng)保養，使用戶(hù)的故障停梯時(shí)間大大縮減。同時(shí)電梯遠程監控系統的故障信息記錄數據庫能夠方便地使維保中心建立起一套電梯運行、故障及維修檔案庫，被保養電梯何時(shí)出現故障、維修人員何時(shí)到現場(chǎng)、電梯如何恢復正常等數據都會(huì )記錄在數據庫中?？梢詫δ撑_電梯，某組群控電梯，或某一特定時(shí)間段的電梯故障及維修情況進(jìn)行統計。維保中心的操作人員可以通過(guò)監控軟件定期對數據庫進(jìn)行數據整理、統計和報表打印等工作。

系統硬件以高性能的嵌入式微處理器AVR32 AT32UC3A，其中的Internet控制器和DSP模塊為核心來(lái)設計通信系統中的以太網(wǎng)模塊，并在A(yíng)VR32單片機中的DSP模塊用軟件實(shí)現TCP/PI協(xié)議棧，使AVR32芯片具備上網(wǎng)功能，從而可以用監控系統服務(wù)器通過(guò)AVR32單片機與遠程終端進(jìn)行大量數據交換。DSP主要完成數據的解包和封裝。當有數據從Internet控制器傳輸過(guò)來(lái)時(shí)，DSP對數據包進(jìn)行分析，如果是ARP數據包，程序轉入ARP處理程序。如果是PI數據包，通過(guò)判斷PI數據包的類(lèi)型，轉入相應的CIMP處理程序和TCP處理程序，數據解包后，將需要的數據保存。當DSP發(fā)送數據時(shí)，則將數據進(jìn)行層層封裝，發(fā)送到AVR Internet模塊緩沖區，Internet控制器將數據封裝成以太網(wǎng)數據幀后通過(guò)以太網(wǎng)接口輸出到局域網(wǎng)中。

通訊系統結構框圖如下：

通訊系統結構框圖

（三）電梯核心控制系統

電梯核心控制系統負責將采集到的電梯各部分數據(包括電梯運行數據、狀態(tài)信息等)進(jìn)行處理以完成電梯基本控制功能，同時(shí)將處理后的相關(guān)信息經(jīng)通訊模塊傳輸給遠程控制系統和人機交互系統。當電梯發(fā)生故障時(shí)，將電梯信息通過(guò)各個(gè)電梯的主控制器的故障診斷算法進(jìn)行現場(chǎng)的電梯故障診斷，并將診斷后的故障信息送給遠程監視系統。當電梯接收到呼梯信號時(shí)，將呼梯信息發(fā)送給群控制器，經(jīng)群控制器分析處理后發(fā)送分梯信號進(jìn)行電梯調度。對于基本控制功能，電梯核心控制系統通過(guò)CAN總線(xiàn)方式從電梯內部控制網(wǎng)絡(luò )上掛接的外呼、操縱盤(pán)和門(mén)機單元采集呼梯、開(kāi)關(guān)門(mén)按鈕和門(mén)狀態(tài)信息，并實(shí)時(shí)點(diǎn)亮應響應的呼梯燈，以實(shí)現對呼梯系統的控制。核心控制器還通過(guò)脈沖接收裝置接收光電編碼器傳輸過(guò)來(lái)的脈沖信息，以實(shí)現對電梯的定位。

在智能方面，電梯核心控制系統可實(shí)現監視、群控、GPRS報警等功能。其中，以三臺電梯為例，核心控制系統分為一個(gè)群控制器和三個(gè)電梯主控制器，這四個(gè)控制器均由AVR單片機構成，其中三個(gè)電梯主控制器與群控器、監視工作站的通信方式有兩種，一種是三者位于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，我們通過(guò)另一條CAN總線(xiàn)(異于電梯內部的CAN控制網(wǎng)絡(luò ))將群控制器和主控制器掛接在一起；另一種是群控和監視信息分別在不同的網(wǎng)絡(luò )中傳輸，其中核心控制器與群控器通過(guò)CAN總線(xiàn)方式實(shí)現通信，而監視信息可通過(guò)以太網(wǎng)方式由電梯主控制器傳輸給遠程監控系統。為兼容這兩種方式，控制器在設計時(shí)將同時(shí)考慮CAN通信和以太網(wǎng)通信兩種方式。

群控制器除了與三臺電梯主控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)通信，還連接了外呼板模塊、存儲模塊、液晶顯示模塊。存儲模塊存儲大量數據處理信息。外呼板模塊將呼梯信號傳送給群控制器，群控制器經(jīng)過(guò)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法得出最節能的電梯行駛路徑，并將算出結果反饋給液晶顯示模塊，達到人機交互的作用。

GPRS功能可用于向遠程維修服務(wù)器或遠程維修人員以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送報警信號及相關(guān)的故障信息。為方便電梯的管理與配置。我們可以通過(guò)LED段碼管顯示電梯當前位置，通過(guò)鍵盤(pán)輸入對電梯的參數進(jìn)行配置，通過(guò)具有中文顯示功能的LCD顯示屏建立電梯的配置界面，并可用于故障信息的實(shí)時(shí)顯示。

電梯主控制器結構圖如下：

群控系統總體結構圖如下：

（四）遠程控制系統

該系統主要用于遠程監控，專(zhuān)業(yè)人員根據頁(yè)面上顯示的相關(guān)信息及時(shí)處理。

電梯正常情況下處于群控狀態(tài)和休眠狀態(tài)，一旦發(fā)生故障，便會(huì )自動(dòng)報警，并主動(dòng)轉到故障頁(yè)面，顯示故障原因、電梯所在的位置，工作人員及時(shí)聯(lián)系維修人員及其醫護人員。

頁(yè)面顯示圖如下：

（五）人機交互系統

每個(gè)單梯系統安裝一個(gè)24層的電梯操縱盤(pán)。操縱盤(pán)放置在轎廂內門(mén)的右側，轎廂內無(wú)輔助操縱盤(pán)。操縱盤(pán)上的主要功能如下：

1）1-24層指令按鈕及指示燈

2）開(kāi)關(guān)門(mén)、門(mén)保持按鈕

3）電梯運行狀態(tài)顯示（樓層以及據目的樓層的時(shí)間顯示）

4）報警按鈕及指示燈

報警按鈕是乘客被困在轎廂內時(shí)用來(lái)呼救和與外界聯(lián)系的工具，轎廂先將報警信號傳遞給電梯核心控制系統，此信號經(jīng)過(guò)電梯核心控制系統的故障檢測模塊處理后再經(jīng)由通信系統傳至遠程控制系統。遠程控制系統接收到信號后再發(fā)送新信號到轎廂內去點(diǎn)亮指示燈告訴被困人員，工作人員已獲知被困消息來(lái)安撫被困人員。

3. 2 硬件平臺選用及資源配置

（一）硬件平臺選用

EVK1105是一個(gè)基于A(yíng)VR32 AT32UC3A單片機控制器的評估套件和開(kāi)發(fā)系統。它配備一系列豐富的外設、內存，并且可充分開(kāi)發(fā)AVR32設備的全部潛能。其開(kāi)發(fā)板圖如下所示：

• 支持AT32UC3A

• 以太網(wǎng)端口

• 傳感器：光照、溫度、電位器

• 4x20藍色LCD（PWM變頻背光）

• JTAG連接器、Nexus、USART、USB 2.0接口，TWI接口、SPI。

• SD和MMC讀卡器

AVR32 AT32UC3A單片機控制器硬件結構圖

（二）AVR Studio 5 開(kāi)發(fā)軟件

·智能編譯器

·400個(gè)演示工程

·支持8位或32位AVR

·便捷的用戶(hù)手冊和用戶(hù)指南

3.3系統軟件架構

（1）電梯控制軟件總體結構

一、內核層：操作系統內核和庫提供了各種機制，這些機制包括了內存的管理、線(xiàn)程調度、線(xiàn)程同步等，這些機制是電梯核心控制器嵌入式軟件的核心，所有的任務(wù)都在這些機制的統一管理下有序地實(shí)現各自的功能。

二、接口層（驅動(dòng)程序）：驅動(dòng)程序屬于操作系統的一部分，包括了各模塊中所有設備的驅動(dòng)，例如：以太網(wǎng)驅動(dòng)、SPI驅動(dòng)、CAN節點(diǎn)的驅動(dòng)，GPIO的驅動(dòng)、計數器的驅動(dòng)、人機交互模塊中段碼管、鍵盤(pán)和LCD的驅動(dòng)。它們負責直接與硬件打交道，實(shí)現CPU與各設備的數據交互。

三、應用層：這部分處于整個(gè)結構的頂層，由用戶(hù)直接根據所要實(shí)現的具體功能編寫(xiě)實(shí)現，每個(gè)任務(wù)由一個(gè)線(xiàn)程來(lái)實(shí)現。應用程序的開(kāi)發(fā)可分為三個(gè)模塊：

（1）數據塊模塊：存放歷史數據

（2）通信模塊：分為以太網(wǎng)模塊、CAN通信模塊、SPI通信模塊。以太網(wǎng)模塊采用TCP / IP協(xié)議,通過(guò)Sock2et通信與參數設定板按照自定義的數據格式進(jìn)行通信,完成電梯參數的設定(包括電梯的時(shí)間參數、距離參數、功能性參數等一百多個(gè)參數的設定)；CAN通信模塊,完成與內、外召板直接的通信,主要用來(lái)傳輸樓層信息、樓層字符的顯示、開(kāi)關(guān)門(mén)到位等一系列的控制信息；SP I通信模塊主要用來(lái)作為與輔助MCU的通信,該通信包括:編碼器的值、電梯的狀態(tài)信息、時(shí)鐘數據

（3）控制模塊：控制模塊是整個(gè)系統的核心，該模塊包括電梯的三大模式：正常模式、故障模式、群控模式。正常模式包括電梯單梯運行時(shí)的相關(guān)程序和跑層算法；故障模式包括電梯在出現故障時(shí)做出反應，確保電梯安全運行；群控模式包括多梯運行時(shí)使得耗能最少，達到節能環(huán)保的目的。

軟件架構圖如下：

軟件架構圖

3.4 系統軟件流程

該系統選用Linux操作系統作為電梯核心控制器的軟件平臺。應用層是整個(gè)系統的核心控制層。我們在該層實(shí)現電梯的主要功能，采用優(yōu)先調度的算法，實(shí)現電梯各種運行狀態(tài)間的轉換。一旦出現故障系統便轉換到故障模塊對各種故障進(jìn)行處理；存在呼梯信號時(shí)系統便轉換到群控模塊；長(cháng)時(shí)間沒(méi)有接收到呼梯信號時(shí)系統便轉換到休眠狀態(tài)。

該系統的主程序和故障模塊流程圖如下：

（1）主程序流程圖如下：

（2）故障模塊

故障模塊流程圖

（3）群控模塊：

電梯群控系統派梯調度算法流程如下：

（1）更新呼梯信號序列，通過(guò)交通流模式識別模塊獲取當前交通流模式并確定調度策略。

（2）通過(guò)交通流數據采集模塊獲取當前電梯運行狀態(tài)數據。

（3）對呼梯信號序列中的每一個(gè)呼梯信號計算其每臺電梯響應的可信度。

（4）當電梯發(fā)生客流量或呼梯信號變動(dòng)則跳轉到（1）

電梯群控系統調度圖

3.4 系統預計實(shí)現結果

（1）在遠程控制系統的監視器上能夠準確的顯示每個(gè)電梯的壓力、電流、速度等信號變化圖像

（2）遠程控制系統能夠實(shí)時(shí)監控電梯情況

（3）遠程控制系統能得到電梯的能耗情況

（4）轎廂顯示屏能顯示當前電梯運行狀態(tài)

（5）轎廂顯示屏能顯示電梯運行時(shí)預估計到達目的層的時(shí)間

（6）報警成功時(shí)報警指示燈能成功被點(diǎn)亮