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。
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;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。https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162021baagalchlaipcuc3.jpg.thumb.jpg2.1 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，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，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。
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162038ip3nobo1x1fs1i2n.jpg.thumb.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。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https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162115zgbdqmeqc8cimccm.jpg.thumb.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。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，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。
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162138kj7kuc4dgv74r3mr.jpg.thumb.jpg2.3 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。
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162159v8xhjwa3n2h2288s.jpg.thumb.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。
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。https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162240sjqmfxjzdmmdmjpm.jpg.thumb.jpg
电梯调度逻辑图
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162249wu9ugp9u9hlny2yu.jpg.thumb.jpg
主程序流程图
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162302s3oryd8r82d3fd8a.jpg.thumb.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，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，以保证设备功能的实现。
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162348gufspsgcrrura7au.jpg.thumb.jpg 云端控制测试https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162009rwwqgy7zd1b1sbib.jpg.thumb.jpg
维护模式测试图
测试结果数据表
https://club.gizwits.com/data/attachment/forum/202104/30/162512suldfmzik8lr8k76.jpg.thumb.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。
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