基于無線通信的電梯節(jié)能化運(yùn)行控制系統(tǒng)的研制

1、基于無線通信的電梯節(jié)能化運(yùn)行控制系統(tǒng)的研制王帥，齊云松，永亮，張淼電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院指導(dǎo)教師：魏國 教授1、課題研究目的經(jīng)過幾十年的發(fā)展，電梯的性能不斷完善，已成為人們生活中不可或缺的工具，但傳統(tǒng)的電梯控制策略對人性化和節(jié)能方面的考慮不夠充分，造成了電梯使用中的時(shí)間和電能的浪費(fèi)。本項(xiàng)目擬對傳統(tǒng)轎廂式電梯進(jìn)行探索性改造，實(shí)現(xiàn)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)開發(fā)，提出了一種省時(shí)、節(jié)電的電梯優(yōu)化控制策略，通過增加電梯內(nèi)和電梯外的指令取消功能、測試梯內(nèi)人數(shù)并在梯外顯示功能、滿載測試與直駛功能等，減少不必要的電梯啟停次數(shù)，實(shí)現(xiàn)電梯運(yùn)行的優(yōu)化控制，從而達(dá)到節(jié)電、省時(shí)的目的。2、課題背景雖然電梯從誕生到現(xiàn)在已經(jīng)歷了

2、無數(shù)次的改進(jìn)，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和人們生活習(xí)慣的變化，對電梯的功能又提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電梯缺少一套省時(shí)、節(jié)電的電梯優(yōu)化控制策略，不具備錯(cuò)誤指令取消功能、候梯人又無法知道電梯內(nèi)的人數(shù)情況，這些造成了的電梯不必要啟停，使電梯運(yùn)行的優(yōu)化控制得到限制。其運(yùn)轉(zhuǎn)模式將大量的時(shí)間浪費(fèi)在無意義的等待中，也造成了能源的浪費(fèi)。對電梯的相關(guān)功能進(jìn)行改造，使之不斷進(jìn)步，勢在必行。3、課題研究主要內(nèi)容3.1位置檢測本模型的位置檢測是通過霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)的。轎廂內(nèi)安裝霍爾傳感器，每層的停止位置安裝薄片磁鐵。當(dāng)電梯到達(dá)指定位置時(shí)，霍爾傳感器與磁鐵靠近，輸出電壓變化，將該電壓輸入單片機(jī)的內(nèi)部ADC進(jìn)行采樣，以此判斷

3、電梯位置并控制電機(jī)，電梯控制系統(tǒng)和梯外指令系統(tǒng)之間用無線通信芯片實(shí)現(xiàn)信息的交換。3.2人數(shù)檢測與顯示功能在每層樓的叫梯按鈕旁邊增加一個(gè)小顯示屏，顯示電梯內(nèi)人數(shù)。在電梯滿員或接近滿員時(shí)，可以給各樓層的候梯者適當(dāng)?shù)奶崾?，避免多?shù)人的長時(shí)間等待和電梯的無意義停靠。依托紅外對管測出是否有人從下面經(jīng)過。將兩個(gè)紅外對管安裝在電梯頂部向下發(fā)射，一個(gè)靠近外側(cè)，一個(gè)靠近內(nèi)側(cè)。裝置的示意圖如圖所示：圖1 紅外對管計(jì)算人數(shù)裝置示意圖如果將左右兩個(gè)對管分別計(jì)為1，2：如1先感知人通過，2后感知：表示有人進(jìn)入電梯；如2先感知人通過，1后感知：表示有人走出電梯。利用單片機(jī)中的時(shí)鐘，判斷出兩個(gè)信號的先后順序，最終計(jì)算出電梯

4、內(nèi)人數(shù)的結(jié)果，并將其用LED屏在各個(gè)樓層實(shí)時(shí)輸出。3.3 信號處理與通信方式各層樓的LED顯示屏，上下按鈕與單片機(jī)相連，這個(gè)單片機(jī)接收上下按鈕的信號后通過處理把控制電梯開啟或停止的信號通過低頻無線射頻芯片發(fā)射出去，兩者通過TTL串口相連；同時(shí)在電梯轎廂的內(nèi)部，傳感器把檢測出包含電梯內(nèi)部人數(shù)信息的信號也輸入到一個(gè)單片機(jī)中，這個(gè)單片機(jī)也通過TTL接口與RF低頻射頻芯片相連，使得這個(gè)單片機(jī)可以通過無線通信的方式把人數(shù)信息發(fā)送到每層樓的單片機(jī)中，這樣每個(gè)樓層的單片機(jī)就可以通過調(diào)用顯示模塊的程序在LED顯示屏上顯示出目前電梯內(nèi)的人數(shù)?？梢赃x擇低頻433Hz作為系統(tǒng)的通信頻段，這種RF低頻無線通信芯片的成

5、本低，體積小，可以很好地應(yīng)用在這種場合，無線通信也省去了布線的麻煩，具體的系統(tǒng)框圖如圖2所示：TTLTTL單片機(jī)單片機(jī)低頻RF無線通信芯片低頻RF無線通信芯片LED顯示屏包含人數(shù)信息的信號取消信號圖2 信號處理與通信方式系統(tǒng)框圖3.4系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)圖5 電梯控制系統(tǒng)電路原理圖我們設(shè)計(jì)的電梯控制系統(tǒng)和梯外選擇系統(tǒng)的電路原理圖分別如圖3、圖4所示：圖3 電梯控制系統(tǒng)電路原理圖12圖4 梯外選擇系統(tǒng)電路原理圖 電路包括：單片機(jī)，按鍵及指示燈，數(shù)碼管（顯示梯內(nèi)人數(shù)），L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，LM2576穩(wěn)壓芯片，紅外對管（計(jì)算進(jìn)出人數(shù)），線性霍爾UGN3503(判斷電梯位置)3.5軟件設(shè)計(jì)將系統(tǒng)

6、在運(yùn)行時(shí)的程序流程圖畫出。如以下各圖所示。3.5.1 下位機(jī)主程序圖5 下位機(jī)主程序流程圖程序主要控制思想：主程序在循環(huán)中不斷掃描電梯內(nèi)按鍵，通過把得到的鍵值排序獲得下一個(gè)目的層數(shù)，然后控制電梯改變運(yùn)動(dòng)方向。例如，電梯現(xiàn)在1樓停止，乘客進(jìn)入電梯，按下2，3，4層的按鍵，那么程序會得到鍵值2，3，4，將這三個(gè)數(shù)從小到大排序?yàn)?<3<4，當(dāng)前層為1，則比1大的最小值為2，那么目的層就是2層，電梯到達(dá)2層時(shí)停止。如果在從一層到2層的行進(jìn)過程中，乘客把2層取消，那么掃描得到鍵值為3，4，再次排序?yàn)?<4，那么目的層為3層，電梯不在2層停止，而是在3層停止，達(dá)到節(jié)省時(shí)間和電能的目的。3

7、.5.2 上位機(jī)主程序圖6 上位機(jī)主程序流程圖3.5.3上位機(jī)串口接收中斷圖7上位機(jī)串口接收中斷流程圖 3.5.4 下位機(jī)外部中斷圖8下位機(jī)外部中斷程序流程圖3.5.5 下位機(jī)串口接收中斷圖9下位機(jī)串口接收程序中斷流程圖 3.5.6 下位機(jī)ADC中斷服務(wù)程序 圖10下位機(jī)ADC中斷服務(wù)程序流程圖如果主程序循環(huán)中沒有掃描到有鍵按下，并且電梯處于停止?fàn)顟B(tài)，說明梯內(nèi)無人控制電梯運(yùn)行。那么檢測串口是否收到有效的叫梯指令，如果有則控制電梯向叫梯層運(yùn)動(dòng)。如果在電梯向叫梯層運(yùn)行過程中叫梯被取消，則電梯會在當(dāng)前層的下一層停止，通過減少電梯的啟停次數(shù)達(dá)到節(jié)能目的。4、結(jié)論經(jīng)過我們小組成員的不懈的努力，電梯實(shí)物基

8、本成型，可以做到上述部分功能的演示。目前可以由電機(jī)控制電梯模擬上下運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)利用紅外線判斷進(jìn)出電梯人數(shù)的功能。下圖是已經(jīng)設(shè)計(jì)好的電梯模型實(shí)物照片（圖11）。圖11 電梯模型實(shí)物照片運(yùn)用整個(gè)電梯控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，經(jīng)過的調(diào)試，驗(yàn)證了方案的可行性，實(shí)驗(yàn)效果良好。電路板實(shí)物照片如圖12，圖13所示：圖12 電梯控制系統(tǒng)電路板實(shí)物照片圖13 梯外選擇系統(tǒng)電路板實(shí)物照片經(jīng)過測試,我們設(shè)計(jì)的簡易電梯模型可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有電梯的全部功能，在梯內(nèi)梯外同時(shí)交替時(shí)行駛路線與現(xiàn)有電梯的相關(guān)功能相吻合。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目所提出的人數(shù)測試與顯示、梯內(nèi)梯外指令取消選擇功能、電梯行駛路線的優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)。完全滿足前面的兩個(gè)例子，也

9、適用于其他類似的情況。無線通信的功能也可以很好的適用于這種場合，實(shí)驗(yàn)圓滿成功！與該項(xiàng)目相配套的論文基于單片機(jī)的電梯優(yōu)化控制單元的研究已定在機(jī)械工程師（中文核心期刊）2009年第9期上發(fā)表。5、問題、體會與收獲在科技創(chuàng)新中，我們的專業(yè)技術(shù)水平也有了很大的提高。從前我們多是從事于課本知識的學(xué)習(xí)。這次的研制過程讓我們真正的走進(jìn)了實(shí)驗(yàn)室，體會到了實(shí)踐的快樂。我們培養(yǎng)出了思考問題的能力以及在遇到新問題時(shí)解決問題的能力。在電梯模型的制作上曾遇到過很多麻煩，在電梯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電梯穩(wěn)定性的實(shí)現(xiàn)，電機(jī)的固定方法與位置上出現(xiàn)了我們沒有預(yù)料到的問題。但我們想辦法克服了這些困難，在這過程中收獲不小，不僅拓寬了我們解決問題的思路，學(xué)到了各種搜集信息的方法，還在查閱資料及向老師、學(xué)長請教的過程中，拓寬了我們的知識面。更為重要的是，這次科技創(chuàng)新計(jì)劃讓我們了解了從一個(gè)想法到一個(gè)產(chǎn)品的過程。自己想法的實(shí)現(xiàn)需要一步一步地走，從易到難，逐步發(fā)現(xiàn)問題，逐步解決問題，