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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)運而生。介紹了以STC89C52RC單片機為核心，使用數(shù)碼管和LED、矩陣鍵盤、電機驅(qū)動、WiFi、語音播報、I/O口拓展、報警等模塊組成的智能電梯控制系統(tǒng)。結(jié)合機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計出在電梯緊急情況下的維護模式，以及實現(xiàn)遠程調(diào)度的預(yù)約模式。與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，使實時記錄上傳電梯的運行日志成為可能；使用遠程控制算法，將節(jié)約用戶時間成本變?yōu)楝F(xiàn)實，成為當下電梯升級改造的重要研究方向，對實際電梯的設(shè)計有一定的參考意義。
關(guān)鍵詞: 單片機 智能電梯 系統(tǒng)設(shè)計 語音播報 I/O口拓展 機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺 Android
作者簡介： 隗東平，本科，主要研究方向為電子信息科學與技術(shù)。E*古麗米拉·克孜爾別克（通信作者），碩士，副教授，主要研究方向為農(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，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)計了一款可行、成本低、可靠性高、舒適性強的智能電梯控制系統(tǒng)[3]。
本文創(chuàng)新點如下：1）使用本地控制與遠程控制相結(jié)合的模式；2）可將系統(tǒng)運行日志上傳至云端，用做運行狀態(tài)分析或備份[4];3）在盡量保證成本的同時，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可操作性；4）電梯維護人員在緊急情況下第一時間遠程管控設(shè)備端。 1 電梯控制系統(tǒng)的組成
以STC89C52RC單片機為核心的智能電梯控制系統(tǒng)，設(shè)計應(yīng)滿足以下幾點要求，如基礎(chǔ)電梯的運行邏輯、樓層信息的輸入與輸出、語音播報、遠程控制、運行日志上傳以及報警功能組成，如圖1所示。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
在硬件設(shè)計開始之前，將使用的器件在程序中仿真，劃分模塊依次實施，完成基礎(chǔ)的電梯功能之后，在基礎(chǔ)的設(shè)計上進行升級[5]。 2.1 系統(tǒng)主要模塊概述 1）單片機最小系統(tǒng)模塊
本文MCU選用STC89C52RC單片機，最小系統(tǒng)使用11.059 2MHz晶振的時鐘電路和復位電路組成[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、時鐘電路和中斷系統(tǒng)，3個16位定時器/計數(shù)器等，具有成本低、功耗低、可靠性高的特點[7]，可以滿足本次設(shè)計的要求。
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PO口作為數(shù)據(jù)與地址總線，解決單片機使用的過程中I/O口不足的問題。使用外部硬件對系統(tǒng)進行拓展，強化單片機I/O口，滿足了復雜操作的需求。
3)L298N電機驅(qū)動模塊
esp8266模塊通過燒錄機智云固件GAgent，鏈接互聯(lián)網(wǎng)與云端通信，使設(shè)備端接入機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺，上傳電梯運行狀態(tài)并可以通過手機APP下達設(shè)備端控制指令，控制流程如圖2所示。結(jié)合機智云物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計出節(jié)省時間的電梯樓層預(yù)約模式，以及出現(xiàn)特殊情況時電梯的維護模式，并將電梯的指令記錄下來便于后期維護。ESP8266需要3.3V供電，在設(shè)計電路時需要針對ESP8266設(shè)計相應(yīng)供電電路。
 機智云控制流程圖
在單片機STC89C52RC中采用協(xié)議來接入機智云物聯(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、下發(fā)的通信交互形式[9-10]。在平臺中創(chuàng)建8個布爾類型數(shù)據(jù)節(jié)點用戶端使用機智云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)備端進行控制，進行指令的下達，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，在電梯到達預(yù)選樓層提示乘客電梯已達。ISD1820語音模塊連接單片機引腳，選擇I/O上升沿觸發(fā)模式，由單片機引腳的高電平觸發(fā)語音模塊放音，即可放出整段語音。
蜂鳴器報警模塊
在緊急情況下報警，程序應(yīng)首先響應(yīng)，故將報警控制寫在外部中斷0當中，外部中斷0在中斷系統(tǒng)中占有最高優(yōu)先級，報警模塊使用蜂鳴器，通過三級管放大電路由按鍵觸發(fā)，在程序中設(shè)計相應(yīng)算法，以便當乘客遇到緊急情況時，發(fā)出求救信號能夠及時傳達到保障人員，確保在程序運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抵消機械抖動，保證報警按鍵工作正常。
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”代表當前電梯所在位置，維護模式下數(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
在進行實物設(shè)計之前，先進行Protues仿真，在仿真當中模擬出設(shè)備端的運行狀態(tài)，使用Keil C51編寫程序，生成HEX文件，在仿真當中運行，檢驗程序的設(shè)計與運行邏輯的正確性，仿真中的接線可以給實物的焊接提供一定的參考，系統(tǒng)Protues仿真如圖3所示。
2.3 硬件實現(xiàn)
在硬件搭建的過程當中，盡可能模擬出電梯的真實運行狀態(tài)；合理使用延時函數(shù)以防過多的CPU占用；實物的焊接應(yīng)避免虛焊漏焊，影響設(shè)備運行的安全性與穩(wěn)定性，完成硬件實物如圖4所示。
實物圖
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本系統(tǒng)設(shè)計在設(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)，保證了電梯上行時可以響應(yīng)高樓層上行請求，下行時響應(yīng)低樓層下行請求，當本次上（下）行請求完成后才會去響應(yīng)對向行駛的樓層請求，運行調(diào)度邏輯如圖5所示。
設(shè)計電梯內(nèi)外按鍵模擬電梯的呼叫請求，L298N驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)模擬電梯轎廂的上下行，語音模塊在電梯到達預(yù)選樓層后提示乘客到達，報警模塊使用到了外部中斷，確保在緊急情況下報警的請求優(yōu)先響應(yīng)，數(shù)碼管模塊顯示電梯的上下行以及當前樓層的位置，LED燈在產(chǎn)生外部按鍵請求時亮起，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，拓展出電梯的預(yù)約模式，在手機端下發(fā)指令即可對電梯進行調(diào)度，維護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)備進行監(jiān)管，結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)的進步，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)計中使用C語言編程，完成設(shè)計的功能目標，軟件設(shè)計中包含主程序以及各個子程序的相互協(xié)作，調(diào)用相應(yīng)的I/O口，對輸入信號邏輯進行判斷，做出響應(yīng)。系統(tǒng)上電以后，先進行初始化，主程序不斷地執(zhí)行鍵盤掃描程序，當有鍵盤輸入時，主程序調(diào)用定時器中斷程序，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驅(qū)動子程序，將電梯樓層的上下行信息和當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） 手機端控制測試，設(shè)備上電后，自動接入配置網(wǎng)絡(luò)，在手機APP中下達樓層指令，設(shè)備端做出響應(yīng)，在維護模式狀態(tài)下，不響應(yīng)設(shè)備端的樓層輸入請求，報警按鍵正常工作，測試效果如圖8、9所示。
電梯調(diào)度邏輯圖
主程序流程圖
定時器流程圖
2） 設(shè)備端的運行邏輯測試，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]，在完成當前呼叫請求之后，響應(yīng)逆向的樓層請求；報警測試，在程序運行的任意時刻可以響應(yīng)報警請求，測試結(jié)果如表2所示。
3） 測試結(jié)果表明，手機端控制對網(wǎng)絡(luò)有一個較高的要求，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不好的情況下可能會造成傳輸數(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的響應(yīng)樓層呼與報警叫請求，達成了本文設(shè)計的預(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)備功能的實現(xiàn)。
云端控制測試
維護模式測試圖
測試結(jié)果數(shù)據(jù)表
5結(jié)論
本文設(shè)計以STC89C52RC為基礎(chǔ)，加以配備一系列外設(shè)，模擬了4層電梯的運行，在傳統(tǒng)電梯的基礎(chǔ)上進行創(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)進行研究，在系統(tǒng)框架形成的基礎(chǔ)上對設(shè)計進行完善，加入了智能化與人性化的設(shè)計。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模式，使遠程監(jiān)管大大降低后期維護的難度，滿足便捷的響應(yīng)需求，節(jié)省了時間與資源。
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