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摘要: 隨著科技的發(fā)展與電梯的普及，為解決傳統(tǒng)電梯舒適性與安全性不足的問題，智能電梯管理系統(tǒng)解決方案應(yīng)運(yùn)而生。介紹了以STC89C52RC單片機(jī)為核心，使用數(shù)碼管和LED、矩陣鍵盤、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、WiFi、語音播報(bào)、I/O口拓展、報(bào)警等模塊組成的智能電梯控制系統(tǒng)。結(jié)合機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計(jì)出在電梯緊急情況下的維護(hù)模式，以及實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度的預(yù)約模式。與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，使實(shí)時(shí)記錄上傳電梯的運(yùn)行日志成為可能；使用遠(yuǎn)程控制算法，將節(jié)約用戶時(shí)間成本變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，成為當(dāng)下電梯升級改造的重要研究方向，對實(shí)際電梯的設(shè)計(jì)有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞: 單片機(jī) 智能電梯 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 語音播報(bào) I/O口拓展 機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺 Android
作者簡介： 隗東平，本科，主要研究方向?yàn)殡娮有畔⒖茖W(xué)與技術(shù)。E*古麗米拉·克孜爾別克（通信作者），碩士，副教授，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化。
引言
文中以傳統(tǒng)電梯系統(tǒng)的技術(shù)升級為立足點(diǎn)，從電梯使用的安全性、穩(wěn)定性、人性化等角度考慮，結(jié)合在物聯(lián)網(wǎng)的大環(huán)境下，探討智能電梯的發(fā)展的方向，設(shè)計(jì)了一款可行、成本低、可靠性高、舒適性強(qiáng)的智能電梯控制系統(tǒng)[3]。
本文創(chuàng)新點(diǎn)如下：1）使用本地控制與遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的模式；2）可將系統(tǒng)運(yùn)行日志上傳至云端，用做運(yùn)行狀態(tài)分析或備份[4];3）在盡量保證成本的同時(shí)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可操作性；4）電梯維護(hù)人員在緊急情況下第一時(shí)間遠(yuǎn)程管控設(shè)備端。 1 電梯控制系統(tǒng)的組成
以STC89C52RC單片機(jī)為核心的智能電梯控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求，如基礎(chǔ)電梯的運(yùn)行邏輯、樓層信息的輸入與輸出、語音播報(bào)、遠(yuǎn)程控制、運(yùn)行日志上傳以及報(bào)警功能組成，如圖1所示。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在硬件設(shè)計(jì)開始之前，將使用的器件在程序中仿真，劃分模塊依次實(shí)施，完成基礎(chǔ)的電梯功能之后，在基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)上進(jìn)行升級[5]。 2.1 系統(tǒng)主要模塊概述 1）單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊
本文MCU選用STC89C52RC單片機(jī)，最小系統(tǒng)使用11.059 2MHz晶振的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成[6]，將各模塊程序初始化，也可用于擺脫互鎖，防止程序跑飛。其內(nèi)置有中央處理內(nèi)核CPU、時(shí)鐘電路和中斷系統(tǒng)，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等，具有成本低、功耗低、可靠性高的特點(diǎn)[7]，可以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。
2)8155I/O口拓展模塊
8155拓展模塊額外增加了系統(tǒng)的接口，8155與單片機(jī)相同，具有40腳雙列直插式封裝，共有4組I/O口。AD口與單片機(jī)PO口作為數(shù)據(jù)與地址總線，解決單片機(jī)使用的過程中I/O口不足的問題。使用外部硬件對系統(tǒng)進(jìn)行拓展，強(qiáng)化單片機(jī)I/O口，滿足了復(fù)雜操作的需求。
3)L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
esp8266模塊通過燒錄機(jī)智云固件GAgent，鏈接互聯(lián)網(wǎng)與云端通信，使設(shè)備端接入機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，上傳電梯運(yùn)行狀態(tài)并可以通過手機(jī)APP下達(dá)設(shè)備端控制指令，控制流程如圖2所示。結(jié)合機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計(jì)出節(jié)省時(shí)間的電梯樓層預(yù)約模式，以及出現(xiàn)特殊情況時(shí)電梯的維護(hù)模式，并將電梯的指令記錄下來便于后期維護(hù)。ESP8266需要3.3V供電，在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要針對ESP8266設(shè)計(jì)相應(yīng)供電電路。
 機(jī)智云控制流程圖
在單片機(jī)STC89C52RC中采用協(xié)議來接入機(jī)智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，比特率為9 600b/s，采用一問一答，數(shù)據(jù)包上報(bào)、下發(fā)的通信交互形式[9-10]。在平臺中創(chuàng)建8個(gè)布爾類型數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)用戶端使用機(jī)智云APP，通過簡單的開關(guān)選擇，即可修改數(shù)據(jù)包內(nèi)容并對設(shè)備端進(jìn)行控制，進(jìn)行指令的下達(dá)，數(shù)據(jù)包格式如表1所示。
表1 通信數(shù)據(jù)包格式 
5)ISD1820語音模塊
ISD1820語音模塊作為人性化元素，通過錄制科大訊飛合成語音，在電梯到達(dá)預(yù)選樓層提示乘客電梯已達(dá)。ISD1820語音模塊連接單片機(jī)引腳，選擇I/O上升沿觸發(fā)模式，由單片機(jī)引腳的高電平觸發(fā)語音模塊放音，即可放出整段語音。
蜂鳴器報(bào)警模塊
在緊急情況下報(bào)警，程序應(yīng)首先響應(yīng)，故將報(bào)警控制寫在外部中斷0當(dāng)中，外部中斷0在中斷系統(tǒng)中占有最高優(yōu)先級，報(bào)警模塊使用蜂鳴器，通過三級管放大電路由按鍵觸發(fā)，在程序中設(shè)計(jì)相應(yīng)算法，以便當(dāng)乘客遇到緊急情況時(shí)，發(fā)出求救信號能夠及時(shí)傳達(dá)到保障人員，確保在程序運(yùn)行中也可以迅速響應(yīng)[11]。使用硬件消抖的方式，在按鍵兩端并聯(lián)0.2μF的瓷片電容，通過電容的充電與放電延時(shí)抵消機(jī)械抖動(dòng)，保證報(bào)警按鍵工作正常。
7)LED與數(shù)碼管顯示模塊
顯示模塊完成7位LED燈顯示觸發(fā)樓層數(shù)與開關(guān)門延時(shí)功能，電梯外部按鍵中任意樓層觸發(fā)請求，相應(yīng)的LED燈亮起，表示樓層呼叫請求成功。以一位紅色LED燈亮滅模擬電梯開關(guān)門狀態(tài)。4位共陽極數(shù)碼管顯示當(dāng)前所在樓層和上下行狀態(tài)，段選信號線與8155的PB口連接，位選與PA0-PA3口連接。第一位以“U”代表電梯上行或“d”代表電梯下行，第4位顯示“1-4”代表當(dāng)前電梯所在位置，維護(hù)模式下數(shù)碼管顯示“StOP”，電梯不響應(yīng)任何樓層呼叫請求。
8）矩陣鍵盤模擬電梯內(nèi)部與樓層內(nèi)的按鍵，通過逐行逐列掃描的方式確認(rèn)觸發(fā)樓層，矩陣控制模塊與WiFi模塊的云端指令作為輸入信號[12]，完成設(shè)備的樓層的呼叫請求。 2.2 系統(tǒng)Protues仿真
在進(jìn)行實(shí)物設(shè)計(jì)之前，先進(jìn)行Protues仿真，在仿真當(dāng)中模擬出設(shè)備端的運(yùn)行狀態(tài)，使用Keil C51編寫程序，生成HEX文件，在仿真當(dāng)中運(yùn)行，檢驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)與運(yùn)行邏輯的正確性，仿真中的接線可以給實(shí)物的焊接提供一定的參考，系統(tǒng)Protues仿真如圖3所示。
2.3 硬件實(shí)現(xiàn)
在硬件搭建的過程當(dāng)中，盡可能模擬出電梯的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)；合理使用延時(shí)函數(shù)以防過多的CPU占用；實(shí)物的焊接應(yīng)避免虛焊漏焊，影響設(shè)備運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，完成硬件實(shí)物如圖4所示。
實(shí)物圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)備端層面上，完成電梯的基本功能，完善電梯轎廂調(diào)度運(yùn)行算法，區(qū)分上下行的逐層切換電梯狀態(tài)，保證了電梯上行時(shí)可以響應(yīng)高樓層上行請求，下行時(shí)響應(yīng)低樓層下行請求，當(dāng)本次上（下）行請求完成后才會(huì)去響應(yīng)對向行駛的樓層請求，運(yùn)行調(diào)度邏輯如圖5所示。
設(shè)計(jì)電梯內(nèi)外按鍵模擬電梯的呼叫請求，L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)模擬電梯轎廂的上下行，語音模塊在電梯到達(dá)預(yù)選樓層后提示乘客到達(dá)，報(bào)警模塊使用到了外部中斷，確保在緊急情況下報(bào)警的請求優(yōu)先響應(yīng)，數(shù)碼管模塊顯示電梯的上下行以及當(dāng)前樓層的位置，LED燈在產(chǎn)生外部按鍵請求時(shí)亮起，提示用戶呼叫請求已經(jīng)成功。
在云端層面上，接入物聯(lián)網(wǎng)平臺后，電梯的可操作性增強(qiáng)，拓展出電梯的預(yù)約模式，在手機(jī)端下發(fā)指令即可對電梯進(jìn)行調(diào)度，維護(hù)模式適用于電梯特殊情況的處理，模式開啟后設(shè)備端的呼叫請求將不被響應(yīng)。在云端對電梯設(shè)備進(jìn)行監(jiān)管，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步，在保證安全性的前提下提高電梯使用的效率和穩(wěn)定性[13]。
在本程序設(shè)計(jì)中使用C語言編程，完成設(shè)計(jì)的功能目標(biāo)，軟件設(shè)計(jì)中包含主程序以及各個(gè)子程序的相互協(xié)作，調(diào)用相應(yīng)的I/O口，對輸入信號邏輯進(jìn)行判斷，做出響應(yīng)。系統(tǒng)上電以后，先進(jìn)行初始化，主程序不斷地執(zhí)行鍵盤掃描程序，當(dāng)有鍵盤輸入時(shí)，主程序調(diào)用定時(shí)器中斷程序，并通過行列掃描方式讀取鍵盤輸入信息，調(diào)用顯示子程序和電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序，將電梯樓層的上下行信息和當(dāng)前樓層的位置信息傳遞給操作人員，流程如圖6、圖7所示。 4 系統(tǒng)測試
1） 手機(jī)端控制測試，設(shè)備上電后，自動(dòng)接入配置網(wǎng)絡(luò)，在手機(jī)APP中下達(dá)樓層指令，設(shè)備端做出響應(yīng)，在維護(hù)模式狀態(tài)下，不響應(yīng)設(shè)備端的樓層輸入請求，報(bào)警按鍵正常工作，測試效果如圖8、9所示。
電梯調(diào)度邏輯圖
主程序流程圖
定時(shí)器流程圖
2） 設(shè)備端的運(yùn)行邏輯測試，電梯在工作中，可以響應(yīng)同向行駛對應(yīng)的低（高）樓層的請求[14]，在完成當(dāng)前呼叫請求之后，響應(yīng)逆向的樓層請求；報(bào)警測試，在程序運(yùn)行的任意時(shí)刻可以響應(yīng)報(bào)警請求，測試結(jié)果如表2所示。
3） 測試結(jié)果表明，手機(jī)端控制對網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)較高的要求，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不好的情況下可能會(huì)造成傳輸數(shù)據(jù)的丟失，對設(shè)備端并不影響，絕大部分情況可以正確及時(shí)的響應(yīng)樓層呼與報(bào)警叫請求，達(dá)成了本文設(shè)計(jì)的預(yù)期。針對網(wǎng)絡(luò)信號問題亦可根據(jù)使用場景與用途的不同，因地制宜的使用GSM模塊或是WiFi模塊作為信息傳輸裝置[15]，以保證設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)。
云端控制測試
維護(hù)模式測試圖
測試結(jié)果數(shù)據(jù)表
5結(jié)論
本文設(shè)計(jì)以STC89C52RC為基礎(chǔ)，加以配備一系列外設(shè)，模擬了4層電梯的運(yùn)行，在傳統(tǒng)電梯的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，分析了物聯(lián)網(wǎng)帶來安全性與舒適性的提升，對智能控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，在系統(tǒng)框架形成的基礎(chǔ)上對設(shè)計(jì)進(jìn)行完善，加入了智能化與人性化的設(shè)計(jì)。與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合提高了設(shè)備的安全性，創(chuàng)新性的融入了電梯的工作模式與維護(hù)模式，使遠(yuǎn)程監(jiān)管大大降低后期維護(hù)的難度，滿足便捷的響應(yīng)需求，節(jié)省了時(shí)間與資源。
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