（检测技术与自动化装置专业论文）基于linux和图像处理的节电控制系统研究设计.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 近年来我国的电力工业发展很快，但是电力消费市场发展速度更是惊人，“缺电 已 是2 0 0 3 年大幅度拉闸限电以来的热门话题。高等学校集教学、科研和生活于一体，现已 成为重要的用电大户，其照明用电量已占总用电量的4 0 - - - 5 0 以上。而在高校中，照明 用电浪费现象严重，长明灯现象非常普遍。 为了解决当今高校教室的电能浪费问题，本系统以华恒的h h r a m 2 4 1 0 s t u d y 为开 发平台，结合嵌入式l i n u x 技术和图像处理技术，开发一套嵌入式照明及用电设备节电 控制系统。在客户端完成视频图像采集，对采集到的图像进行图像处理，采取灰度阈值 分割法，分离出教室内的学生目标，使用面积法对教室内学生计数，根据教室内人数和 照度控制照明；并通过i n t e r a c t 传输图像到主机端，主机端可以对图像处理如解压显示、 实时监控，也可通过i n t e m e t 对客户端进行远程控制。 本课题主要完成客户端的设计，包括硬件设计和软件设计两大部分。主要研究内容 包括以下几个方面： 综合论述选题的背景和意义，以及照明控制系统的现状和发展情况，提出了基 于3 2 位a r m 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式操作系统l i n u x 的平台设计方案，并 采用图像处理的方法实现人数检测。 设计系统的总体方案，并以华恒h h a r m s t u d y 开发板为硬件平台，扩展光敏 电路，搭建系统硬件平台。 搭建本系统的交叉编译环境，完成n f s 和t f t p 服务器的配置、嵌入式l i n u x 系统移植、文件系统的移植以及p p c b o o t 的移植。 实现l i n u x 操作系统下u s b 摄像头的驱动，完成v e d i 0 4 l i n u x 下的图像采集。 对采集到的图像进行预处理，采取灰度阈值分割法分离出学生目标，使用面积 法对学生人数进行计数。 实现照明节电控制系统的网络通信功能。 关键词：节电，人数检测，图象处理，a r m ，l i n u x 操作系统，网络 山东建筑大学硕士学位论文 r e s e a r c ha n dd e s i g no f e l e c t r i c i t ys a v i n gc o n t r o ls y s t e m e m b e d d e do nl i n u xa n d i m a g ep r o c e s s i n g z h a il i h n a ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g y & a u t o m a t i o ne q u i p m e n t ) d i r e c t e db yz h a ox i u z h e n a b s t r a c t t h ep o w e ri n d u s t r yo f c h i n ah a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，h o w e v e rt h ed e m a n d f o re l e c t r i c i t yh a sb e e ni n c r e a s i n gi nam u c hm o r ef a s t e rs p e e d l e c t t i c i t yi n a d e q u a c y h a s b e c o m eah o tt o p i ce v e rs i n c et h ee l e c t r i c i t yu s a g er e s t r i c t i o ni n2 0 0 3 t h ec o m p r e h e n s i v e n a t u r eo fu n i v e r s i t i e s f u n c t i o n s ，w h i c hi n c l u d eb o t ha c a d e m i ca n dr e c r e a t i o n a lf u n c t i o n , h a s m a d et h e mb e c o m em a j o rp o w e rc o r l s u m c r s i nt h em e a n w h i l e ，t h ee l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nf o r l i g h t i n ga c c o u n t sf o ra p p r o x i m a t e l y4 0 t o5 0 o fu n i v e r s i t i e s t o t a le l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n w a s t eo fl i g h t i n ge l e c t r i c i t yi nu n i v e r s i t i e si sv e r ys e v e r ea n dt h ep h e n o m e n o no fl o n g - t i m e d a y l i g h t i n gi sv e r yc o m m o n i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f e l e c t t i c i 哆w a s t ei nu n i v e r s i t y ，t h ee n e r g ys a v i n gs y s t e m f o rl i g h t n i n ga n do t h e re l e c t r i c i t y - c o n s u m i n ge q u i p m e n t sh a sb e e nd e s i g n e db yu sb a s e do n h u a h e n gc o m p a n y sh h r a m 2 4 1 0 一s t u d yp l a t f o r mu s i n ge m b e d d e dl i n u xt e c h n o l o g ya n d i m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y t h es y s t e mc a l lc a p t u r ec l a s s r o o m s v i d e os i g n a lf r o mu s b d i g i t a l c b l n e r aa n dj u d g et h en u m b e ro fs t u d e n t si nt h ec l a s s r o o mb yi m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y t h e nc o m b i n i n gav a r i e t yo fo t h e rr e l a t e d f a c t o r ss u c h 嬲i n d o o ri l l u m i n a t i o na n d i n t e g r a t e dc o n t r o ls t r a t e g yi d e n t i f i e da tt h i st i m e ，t h es y s t e mi sc a p a b l eo f d e t e r m i n i n gw h e t h e r o rn o tt ot u r no nt h el i g h t si nt h ec l a s s r o o m ，a sw e l l 嬲t h en u m b e ro f l i g h t s i nt h i sp a p e rw em a i n l yf o c u so nt h ed e s i g no fe m b e d d e dc l i e n ti n c l u d i n gb o t hh a r d w a r e d e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h et o p i ca r es u m m a r i z e di nt h i st h e s i s ，a sw e l l 如t h es t a t u sa n dd e v e l o p m e n to fl i g h t i n gc o n t r o ls y s t e m w ep r o p o s et h ep l a t f o r m d e s i g nb a s e do n3 2 - b i ta r mm i c r o p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 1 0a n de m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，a n du s ei i n a g ep r o c e s s i n gm e t h o dt od e t e c tt h en u m b e ro f p e o p l ei n l i 山东建筑大学硕士学位论文 t h ec l a s s r o o m t h eo v e r a l ls y s t e md e s i g ns c h e m ei si n c l u d e di nt h i st h e s i s w ee x p a n dt h e p h o t o s e n s i t i v em o d u l ea n de s t a b l i s h e dp l a t f o r mo fh a r d w a r es y s t e mo nt h eb a s i so f h a r d w a r ep l a t f o r mh u a h e n gh h a r m s t u d yd e v e l o p m e n tb o a r d t h ec r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n ta b o u te m b e d d e dd e v e l o p m e n tw a sb u i l ti nt h i s p r o j e c t w eh a v ea c c o m p l i s h e dt h en f sa n dt f t p s e r v e rc o n f i g u r a t i o n , e m b e d d e d l i n u xs y s t e mm i g r a t i o na n dt h et r a n s p l a n t a t i o no ff i l es y s t e ma n dp p c b o o t w es t u d i e de x p l o i t a t i o no fu s be q u i p m e n td r i v e ru n d e rt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ， a n dc o m p l e t e dt h ei m a g ea c q u i s i t i o nu n d e rv e d i 0 4 l i n u x w e p r e t r e a t e dt h ei m a g e st h a th a db e e nc o l l e c t e d ，t h e ng o tt h eb i n a r yi m a g e so ft h e c l a s s r o o mw i t ht h ei n l a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t h m ，a n dc o u n t e dt h en u m b e ro ft h e s t u d e n t s 、访t l lt h em e t h o do fp r o p o r t i o n t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o no ft h ee n e r g ys a v i n gs y s t e mf o rl i g h t n i n g w a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs a v i n g ，p e o p l ec o u n t i n gd e t e c t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ， i l l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而 使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人承担本声明的法律责任。 学位论文作者签名 避tf 呐幽吐i f 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：山东建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、 汇编学位论文。 保密论丈在解密后遵守此声明 学位论文作者签名： 导师签 名： 日期地区! ) ! 匹 日期巡正! ! 垡： 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 l ，1 研究背景及意义 随着能源的日益紧张，以及燃烧煤炭等资源带来的社会和环境问题的日渐突出，党 和国家对节能工作的重视程度不断提高，已经将其列入十一五工作重点，提出了建设节 约型社会的号召。教育部也积极响应，提出了建设节约型高校的口号，高校节能工作也 在全国各地蓬勃开展起来。高校作为培养高素质人才的摇篮，提倡节约的意义也就显得 更加重大而深远。 相对商业楼宇而言，大学校园里的大功率动力和制冷设备比重较少，照明灯具则相 对比重更多。因此，选择合理的照明方案，配置先进的控制系统，不仅体现在节约能源， 降低学校运行费用，提高学校的科学管理水准，而且具有极大的经济意义和社会效益。 在一些欧美发达国家，照明系统的智能化控制已成为现代化学校不可分割的组成部分， 而且应用范围越来越广。因此，很有必要对学校教室照明进行智能控制管理。 1 1 1 高校电能浪费现象分析 根据我们不完全统计，教学楼存在着在白天光照良好的情况下，教室灯具开启和在 午休时间长明灯的现象。一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但从整个学校来看的话， 却是一个不小的数字。 以我校某一教学楼为例，由于每个教学楼的教室大小不一，我们取中等教室，该教 室总共有2 4 盏日光灯，每个目光灯为4 0 瓦，每层楼有2 0 个教室，共有六层，则整个教 学楼教室内照明灯具负荷共计约为1 1 5 k w ，再加上走廊照明和线路损耗，整个大学教学 楼照明灯具负荷约为1 8 0 k w ，每天如果按长明灯2 小时计算( 这是保守的估计) ，一天 就浪费电能3 6 0 千瓦时，以山东地区电费o 5 5 元千瓦时计算，折合电费1 9 8 元。再以学 生年在校9 个月计算，一年将浪费电能9 7 万度，折合电费5 3 4 6 0 元。如果加上线路 损耗和灯具长时间使用造成的损坏，费用还要高许多。 以上是对一所大学情况的简单分析，而目前全国各地高校共有1 6 8 4 所( 来源于中国 高校网) ，每所高校不止一幢教学楼，以平均每所高校有3 幢教学楼来算，高校每年的电 能浪费约为4 9 0 0 4 4 万千瓦时，折合电费浪费高达2 6 9 5 2 4 2 万元，电能浪费量非常惊人。 我国是能源短缺大国，电力缺口也很大。虽然各地高校被拉闸限电的现象发生较少，但 随着燃煤和石油价格的年年攀升，势必带来发电成本的增加，因此节约电能不仅有利于 社会，也有利于高校本身。造成电能浪费的现象除了节能意识薄弱以外，另一个更为重 山东建筑大学硕士学位论文 要的原因就是节电的硬件设备跟不上。着眼于整个学校的大局和全社会能源短缺的大环 境，高校教学楼照明灯的智能化管理改革势在必行，也为我们提出了紧迫的课题。 1 1 2 嵌入式l i n u x 操作系统 嵌入式操作系统是一种实时的、支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式 系统极为重要的组成部分。随着信息技术和微电子技术的迅速发展，嵌入式操作系统使 嵌入式系统越来越小，功能却越来越强，不仅实现了平台化的目标，而且众多的应用软 件模块方便了嵌入式系统的开发。嵌入式i n t e m e t 技术正推动着嵌入式操作系统技术快 速发展。 近几年，随着嵌入式系统的广泛应用，嵌入式操作系统也发展飞速，嵌入式操作系 统的发展主要有以下特点【2 l = 嵌入式操作系统自身的结构设计易于移植，支持较多的嵌入式微处理器，并支 持处理器的不断升级变化所产生的需求。 后p c 时代更多的产品使用嵌入式操作系统，他们对实时性要求并不高，如手持 设备等。原来只关注实时操作系统的厂商也纷纷推出各自的解决方案，使嵌入 式操作系统呈现相互融合的趋势。 嵌入式系统的强稳定性、高可靠性以及合适的性价比对嵌入式操作系统提出了 更高的要求。 嵌入式操作系统的网络化和多媒体化趋势明显，各种新技术、新观念正逐步移 植到嵌入式操作系统。 面向定制趋势，可以根据具体应用需要进行裁减，将操作系统的功能和内存需 要定制每个应用所需的系统。 从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上就开始了商用嵌入式操作系统和专用操作系统的开 发，目前国际上的嵌入式操作系统有二百多种，比较成熟的商用操作系统主要有 v x w o r k s 、p s o s 、n e c u l e u s 、q n x 、l i n u x 和w i n d o w sc e 等。这些操作系统一般都经过 非常严格的测试，对系统的安全性、稳定性提供可靠保证。在所有的操作系统里面，l i n u x 操作系统是发展最快、应用最广泛的。l i n u x 操作系统的易开发、免费开放源代码使其 成为嵌入式操作系统开发的首选。 l i n u x 是一个和u n i x 类似、基于宏内核、多用户多任务操作系统。在仅仅几十年的 时间内，l i n u x 已经发展为一个成熟、稳定的网络操作系统，它具有开放源代码、系统 内核小、效率高、模块化设计、内核网络结构完整等特点，不仅集成了t c p i p 协议，还 2 山东建筑大学硕士学位论文 有很丰富的其他网络协议和相关的网络应用软件，例如d h c ps e r v e r 、p p p o e 和w e b s e r v e r 等。目前，各种嵌入式l i n u x 操作系统正迅速发展，其巨大的市场潜力和低成本 的开支吸引了众多的厂商进入这一领域。 嵌入式l i n u x 操作系统的免费开放源代码为嵌入式系统的开发大大节省了成本，并 且调试和维护比较容易。它发展速度非常快，受到全世界开发者的广泛支持，以稳定可 靠的性能运行在各种不同类型的处理器上，兼容性好，具有高度的模块化和扩展性，尤 其是在通信和网络功能方面独特的优势，成为嵌入式照明及用电设备节电系统软件操作 系统开发的首选。 1 1 3 研究意义 开发高校照明及用电设备节电系统适应了现今建设节约型社会的大形势，通过一些 力所能及的手段可以在一定程度上解决电能紧张问题。从小处做起，从现在做起，从高 校做起，节约电力资源，节约高校办学成本，为我国经济发展贡献一份绵薄之力。同时， 系统所采用的开发与设计方法也适应了科技发展潮流，为今后更深入的研究打下良好基 础，还可以将系统进一步完善升级并实用化。具体研究意义如下： ( 1 ) 建立起教学系统楼字节电模型与控制策略 通过分析教学系统的电能使用特点及具体情况，建立起详细完备的灯光控制策略， 为以后的进一步研究做好必要准备。 ( 2 ) 提高教室智能化管理水平 智能节电系统的投入使用使得各间教室的灯光使用情况于主控室一目了然，将大大 提高目前高校的智能化管理水平，使得高校的管理更加现代化、科学化。 ( 3 ) 体现以人为本的照明控制思想，节约电力资源和电费开支 好的照明环境使人心情愉快，效率提高，在以人为本的前提下节约了能源。采用此 系统可以使学校更加合理地使用电能资源，节约电能和电费开支，降低学校运营成本。 而人走灯灭也有利于培养学生良好的节约意识。 ( 4 ) 构成智能化楼宇的一部分 照明系统的自动化是智能化楼宇的重要组成部分。智能照明控制系统可以独立运行， 也可以与其他子系统联合起来，共同构成完整的智能化网络系统。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 在此形势下，国内外一些厂商推出了一些针对酒店或小区的灯光控制系统，但其控 制策略一般比较简单，对于灯光的控制只涉及有人开灯与无人闭灯。对于教室这样一个 山东建筑大学硕士学位论文 有着多种因素共同影响灯开闭的环境，其研究力度仍显不足。一些公司也有相应的产品 推出，如济南赛英立德电子科技有限公司推出了一款以红外感应作为核心判别方法的节 电产品，有一定的效果。 目前，应用于高校的照明节电产品，市场上主要有以下几种类型的产品： ( 1 ) 教室远红外电子节能开关 这种产品采用的热释红外技术和专用i c 电路设计而成，是全兼容型吸项式电子开 关，适用于学校教室照明控制。当教室光照充分的情况下，本开关不能开启；当需要照 明时，会根据人员集中程度，开启相对范围内的光源。学生离开教室一段时间后，自动 关断电源。杜绝教室，办公室长明灯现象，夜间不需用人管理。 这种产品控制方式简单，价格较低，但使用上可能存在不便，因为热释红外传感器 探测距离远，反应灵敏，若处理不当在人数判断上会出现误判的情况。 ( 2 ) 基于可见光、声响、热释红外探测的教室照明智能控制器 本控制器设置了三套传感系统和严密的软件控制，其工作方法是：当有光( 自然光) 时，不管教室是否有人和声响，都将关闭电源，所有灯具不会点亮。当无光( 自然光) 时，若有人或者附近有异常声响时。则开启电源，点亮灯具，并使控制程序进入监控状 态，若连续五次探测都无人，则发出熄灯警告，灯具亮灭闪烁，若此时教室内有人静止 不动，在灯具亮灭闪烁的提示下，自然会有所动作，热释红外探测器就会探测到这一变 化，从而结束警告，使灯具继续点亮，控制器回到监控状态。若在警告状态下，仍无人 无声，则关闭灯具电源，从而实现照明灯具无人自熄，有人自启的目的。本系统的缺点 是不能根据进入教室人数的多少来开启相应的灯，另外声控在实际应用中已暴露出了严 重的不足之处，给人们带来很多不便，误报率很高。 ( 3 ) 新型热释电传感器人体感应自动开关 热释电传感器具有被动探测特性，即只有人体处于活动状态、远红外幅射发生急剧 变化时，传感器才有信号输出。为了能满足活动和静止的人体信息均需探测的情况，如 教室、办公室等，一般采取让传感器不断转动( 通过电动机) ，使被动探测变成主动探测 的单主动探测式机型。缺点是能耗大，且会不断地产生机械磨损而严重影响其使用寿命。 而这种新型热释电传感器人体感应自动开关采用被动探测与主动探测交替兼用的模式， 所谓交替兼用，即在人体活动( 含身躯移动或头部、肢体摆动) 相对频繁时，采用被动探 测，而在相对静止时使用主动探测，并由单片机控制，能方便、准确、快捷地检测出人 体信息，实现人来、人在时开关接通，人离后自动断开的控制功能。该自动开关由于对 4 山东建筑大学硕士学位论文 活动人体与静止人体都敏感，主动探测机构只需间断工作，从而大大扩展了应用空间， 减少了能耗和机损。缺点是对硬件设备要求高，不能进行远程控制。 以上节电系统能够收到一定的节电效果，有的节电效率可达到4 0 ，但是仍有很大 的研究与升级空间。 1 3 研究内容 为了解决当今高校教室的电能浪费问题，本系统基于华恒的h h r a m 2 4 1 0 s t u d y 开 发平台，结合嵌入式l i n u x 计数和图像处理技术，开发一套嵌入式照明及用电设备节电 控制系统，即要实现独立的嵌入式智能终端( 本文称为客户端) ，又实现客户端与i n t e r n e t 的直接接入，从而通过网络与主机端进行通信；在嵌入式客户端上要完成视频图像采集、 存储和处理，识别人数，控制现场的照明设备等工作，并通过i n t e m e t 传输图像到远端 主机，主机端可以对图像处理如解压显示，也可通过信息交互对客户端进行远程控制如 通过课程表控制教室灯亮多少：如果教室有课，智能终端不通过人数控制灯亮的多少， 而是指根据室内照度控制：如果教室没课，则通过智能终端判断室内人数和照度，来决 定灯具的开灭；可以实现对教师和学生的动态监控，及时掌握动态信息；还可以完成校 领导对于教师教学环境的监督，提高职员的工作效率。本课题要实现以下功能： ( 1 ) 灯光控制功能 照明控制系统的最基本功能就是通过灯光的控制，达到合理用电、节约能源的目的。 多种影响因素经过系统一系列科学的分析处理后得到一个控制灯开与关的简单信号，进 而由它决定灯的开与关。 ( 2 ) 图像采集与处理 图像采集设备采集到的图像信号即当时教室内的情况经处理与分析后，判断出教室 人数，同时将此时的教室图像传到上位机，使管理人员清楚地了解教室里的情况，以便 进行必要的管理与控制。 ( 3 ) 多因素判决功能 影响教室是否开灯的因素有很多，如光照是否充足、人数多少、是上课时间还是自 习时间以及是否使用多媒体设备等。因此，要求系统能够根据多种外界影响因素进行全 面高效的判决，得出最合理的开灯数量。 可以根据不同场合、不同的人数，进行时间段、工作模式的细分，把不必要的照明 关掉，在需要时自动开启。系统可以实现不同工作场合的多种照明工作模式，在保证必 要照明的同时，有效减少灯具的工作时间，节省不必要的能源开支，延长灯具的寿命。 山东建筑大学硕士学位论文 上课时间，智能照明控制系统自动调节光照度于最合适的水平；在下课或者自习时间， 利用图像处理与模式识别技术探测室内人数来决定灯亮的多少。在天晴时，灯光自动调 暗；在天阴时，灯光自动调亮，在满足正常照度的同时节约电能。 ( 4 ) 手动和自动控制转换功能 通过系统的一系列判决自动控制灯的开启与关闭是十分方便的，但是在某些情况下， 需要避开自动系统，手动实现灯的开关。为此设计一个转换开关，完成自动和手动灵活 转换的功能。 ( 5 ) 通过网络实现集中、全自动化的合理控制 通过网络的远程控制，可以根据输入的课表进行照明控制；也可以实现对教师和学 生的动态监控，及时掌握动态信息；还可以完成校领导对于教师教学环境的监督，提高 职员的工作效率。 1 4 论文的主要工作 本系统在华恒h h a r m s t u d y 开发板的基础上，扩展光敏模块，搭建嵌入式开发环 境，移植嵌入式l i n u x 操作系统，并在l i n u x 的平台上实现了u s b 摄像头图像采集，通 过图像处理的方法检测室内人数，并开发网络通信程序实现了网络功能。本系统的主要 应用领域是高校的照明控制，研制这样的照明控制系统具有一定的理论意义，同时具有 良好的市场前景。 全文共分为七章，各章的内容安排如下： 第一章综合论述选题的背景和意义，以及照明控制系统的现状和发展情况，提出基 于3 2 位a r m 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 和嵌入式操作系统l i n u x 的平台设计方案，并采用图像 处理的方法实现人数检测。 第二章设计课题的总体硬件方案，并在硬件平台华恒h h a r m s t u d y 开发板的基础 上扩展光敏模块，搭建系统的硬件平台。 第三章搭建本系统的交叉编译环境，完成了n f s 和t f t p 服务器的配置、嵌入式 l i n u x 系统与文件系统的移植，p p c b o o t 的移植。 第四章研究在l i n u x 操作系统下u s b 摄像头驱动程序的开发，以及摄像头的驱动开 发；介绍基于v 4 l 下摄像头采集编程，视频图像的压缩问题，实现了图像采集。 第五章本章重点介绍了在本系统中采用的图像处理具体方法，这是本文的重点。主 要包括图像的预处理，图像的灰度阈值分割， 并提出人数检测算法一面积法，对学生 人数进行计数，经过实验表明算法合理有效。 6 山东建筑大学硕士学位论文 第六章介绍嵌入式照明及用电设备节电控制系统如何实现网络通信功能。 第七章课题的总结与展望。 7 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章嵌入式硬件系统设计 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 芯片简介 考虑到视频图像的处理，本课题的处理器选用了三星公司生产的a r m 9 内核的 $ 3 c 2 4 1 0 ，它的最高主频为2 0 3 m h z ，是同类处理器中最快的一款，并兼有低功耗、高 度集成性等特性，是当今业内应用最广的嵌入式处理器之一。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核，采用o 1 u m 制造工艺实现的3 2 位微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据 c a c h e ，m m u ，支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路u a r t ，4 路d m a ， 4 路带p w m 的t i m e r ，i o 口，r t c ，8 路1 0 位a d c ，t o u c hs c r e e n 接口，i i c b u s 接 口，i i s b u s 接口，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备，s d 主机和m m c 接口，2 路s p i 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m h z 。采用$ 3 c 2 4 1 0 处理器进行开发具有以下优势【9 】： 处理速度快 a r m 处理器属于精简指令结构，且其内部有多级流水线，时钟频率高。如 $ 3 c 2 4 1 0 就有5 级流水线，主频达2 0 3 m h z 。 超低功耗 a r m 处理器的功耗在同档次的嵌入式处理器中是比较低的，根本不用考虑散热 问题，是嵌入式设备的理想选择。 成本低 a r m 处理器的价格不高，且处理器里一般都集成了许多其他外围设备的控制器， 为用户节省了元器件与设计成本。 应用广泛 目前，各个嵌入式应用领域都出现了a r m 的踪影，从路由器到手机，从工控机 到m p 4 ，无不显示的超强吸引力。 具有丰富的软件资源 目前几乎所有的嵌入式操作系统在a r m 处理器上都有成熟的应用，其中l i n u x 是一种应用广泛的免费操作系统。 2 2 硬件电路设计 2 2 1 a r m 2 4 1 0 s t u d y 开发板简介 h h a r m 2 4 1 0 s t u d y 开发板核心板上提供l 片4 m x l 6 位数据宽度的f l a s h ，共8 m b 8 山东建筑大学硕士学位论文 f l a s h ( i n t e lt e 2 8 f 6 4 0 j 3 c 1 2 0 ) ，速度1 2 0 n s ； 两片8 m x l 6 位数据宽度的s d r a m ( h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 h c t ) 构成，共3 2 m bs d r a m 。底板提供一( 或两) 个四线r s 2 3 2 接口 ( c o m l ) ；一个u s bl ，一个l c d ，一个触摸屏接口。丌发板如图2 1 所示【1 0 】。 妒氇 图2 1h h a r m 2 4 1 0 s t u d y 开发板 h h a r m 2 4 1 0 一s t u d y 丌发板内存由两片8 m x l 6 位数据宽度的s d r a m 构成，两片拼 成3 2 位模式，公用n g c s 6 。共3 2 m br a m 。起始地址：0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。 n g c s 0 接的是一片4 m x l 6 位数据宽度的i n t e lt e 2 8 f 6 4 0f l a s h ，安装在b a n k 0 ， 起始地址为0 x 0 。其中内核z i m a g e 烧写在地址0 x 4 0 0 0 0 开始处，根文件系统r a m d i s k 烧 在0 x 1 4 0 0 0 0 地址处。 图2 2 是板e 的地址空间分布。 f f s hs d r 0 卫0 0 x 4 0 0 0 0 o x1 4 0 0 0 0 o x 5 4 0 0 0 0 o x t 4 0 0 0 0 o x 8 0 0 0 0 0 o x 3 0 0 0 0 0 0 0 o x 3 0 0 0 8 0 0 0 o x 3 0 8 0 0 0 0 0 o x 3 2 0 0 0 0 0 0 图2 2 板上地址空间分布 2 2 2 系统硬件总体方案 在本系统中，外设主要有网络接口、串1 5 2 1 、键盘、光敏模块和u s b 接口。以太网口 可实现网络视频数据传输，也可作内核和根文件系统下载或n f s 调试用；串口用于系 9 山东建筑大学硕士学位论文 统调试终端：光敏模块用来检测室内照度；u s b 接口用于接u s b 摄像头，实现图像采 集。下面将分别介绍。系统功能框图如图2 3 所示。 图2 3 系统功能框图 1 以太网模块 h h a r m 2 4 1 0 s t u d y 通过外接一块d m 9 0 0 0 以太网芯片扩展了一个1 0 m 1 0 0 m 自适 应的以太网接口，占用板上资源n g c s l e n t 0 。d m 9 0 0 0 是d a v i c o m 公司生产的快速 以太网控制器，合成了m a c 、p h y 、m m u 。该芯片具有标准1 0 m 1 0 0 m 自适应功能， 1 6 k b 大容量f i f o ，4 路多功能g p i o ，掉电处理，全双工等特点。物理层支持以太网协 议。由于数据有时是以突发的形式收到的，因此，d m 9 0 0 0 还集成了接收缓冲区，以便 在收到数据的时候能把数据放到这个缓冲区中，然后由数据链路层直接从该缓冲区取走 数据。链路层通常包括操作系统中的设备驱动程序和计算机中对应的网络接口卡，它们 一起处理与电缆的物理接口细节数据，它的缓冲区可以用来暂时存储要发送或接收的帧。 电路图如图2 4 ，图2 5 所示。其中h 1 1 0 2 为网络隔离变压器。 1 0 山东建筑大学硕士学位论文 r 2 7 47 k | 、 ：霹丰 窖l u i i 凸口 =羔 l 蒿晶b 中i v e ) 1 去25s d l j 3 囊潍。捌s 朝薄毫9 m d l 2 m l i m l 0 ；l 鲨噬； ：m。a10。231 ”“、 h 口 m s3 1 ：=二竺 6 n m 、1 ，霎 i碧量鼍i 7 ”“”r x - r x + 、一 l 3 5 ：= ：。= = ： 2 - - - i 2 v 5 、u ；o 一一k o 而酲 l隐。 岫a c t i l i g 删r 2 4 1 k lj 抖；擀 岫s p d l u g r l 刊r 2 5l k 一 。 i可上 呲。、1品 i g n d33 v i 刊 ：n g c s i ， i 。 - - c 2 92 剐土c 3 0= 2 卸 2 h 图2 4d m 9 0 0 0 模块电路图( a ) 1 1 山东建筑大学硕士学位论文 图2 5 d m 9 0 0 0 模块电路图( b ) 2 串口 $ 3 c 2 4 1 0 的u a r t 提供了3 路独立的异步串行i o 端口，每一路均可基于中断或者 d m a 模式进行操作。u a r t 在系统时钟的驱动下其比特率可以达到。每一路u a r t 包 括两个1 6 字节的f i f o ，一个用于接收另一个用于发送。h h a r m 2 4 1 0 s t u d y 仅实现 了一路串口。串口在系统的开发过程中作用非常重要。由于没有调试器以及调试软件， 调试以及控制系统行为的任务就由串口来完成。在系统移植及驱动编写阶段，通过向串 口打印调试信息，以了解系统的运行状态，根据这些信息提出解决问题的方案。在应用 程序开发的时候，串口不仅是调试手段，还是控制系统行为的手段，此时，串口充当着 显示器 与键盘 的角色，宿主机通过串口向目标板键入命令，而目标板通过串口向 宿主机发送命令的运行结果。 串口模块使用一片m a x 3 2 3 2 芯片实现r s 2 3 2 接口传输。电路如图2 6 所示。 1 2 山东建筑大学硕士学位论文 j 1 0 l 司2 3 3 v1 1 2 3 h m d a ， 1 6l v c cc h i j 6 = c b 2士c b 3d b 9 0 1 u10 1 qi 八 l23l6 v + c l 一 2 厂；品i _ 1 1 一t v , q i 什 1 47 、羔圣盟一1 21 婴，坚恐133 ，j 匠 1 封1揣； s ，n m口i t 4 -uuui刷 9 645 v 二c 2 +， i y = c b l = 兰c 酣 l o l n l 0 1 o p 1 55i i u u0 z - l - 籼为2 锄 图2 6m a x 3 2 3 2 模块电路图 3 按键 h h a r m 2 4 1 0 s t u d y 利用g p i o 口，提供了4 个按键。每一个按键占用一路外部中 断，当有键按下时产生中断信号，中断服务程序判断键值。在该系统的成品中，几乎所 有的操作都是通过这四个按键完成的。很明显，4 个按键肯定不能满足系统的操作需求， 因此，需要对键值进行扩展。本文中，由2 次按键确定一个键值，这样，4 个按键就有 1 6 种组合，有个1 6 键值，可以满足系统的需求。 对日光灯、风扇等用电设备的控制方式有两种：一是采用现场按键进行开或关；二 是利用上位机进行远程开或关。 4 光敏传感器设计 教室光照强度是控制教室内用电设备开或关的重要因素，也是节约电能的手段之一， 下面将研究设计光敏传感器。 ( 1 ) 光电探测器在教室中的布局 考虑到教室内距离窗户远近不同，接受的日光强度不同的特点，为避免光电探测器 受光面小的缺点，应在教室合理地安装光电探测器，用于探测自然光的强弱。光电探测 器在教室中的安装则根据此分布情况进行安置，即在远离窗户最远的地方安放一个光电 探测器。日光灯则由安置在教室内的按键或远端的主控上位机来控制。这样，当外界环 境中的自然光能满足所需的光照度时，不管教室是否有人，教室灯都不亮，控制教室日 山东建筑大学硕士学位论文 光灯的自动熄灭。当教室要作特殊使用时如多媒体教学，则拉上窗帘，关闭所有的灯具 或点亮少许微弱的灯具。当教室光强不够，按照教室内人数来控制开灯。这样就完成了 教室照明智能控制，起到了节约电能的作用。 ( 2 ) 硬件电路 通过对光电管、光耦合器、光敏电阻等光电探测器的各种性能进行比较，发现光敏 电阻的光谱响应峰值比较接近人视觉敏感区的波长；其次是当光照强度减弱时，光敏电 阻的响应时间相对增加，这对本系统在光照强度变化时，输出状态保持相对稳定十分重 要，因此本系统选用光敏电阻来测量教室的光照强度，其电路原理如图2 7 所示。图中， r 1 1 为光敏电阻，其阻值随着周围的光线变亮而下降。 图2 7 光敏电路原理图 5 u s b 模块 $ 3 c 2 4 1 0 支持两个u s bh o s t 接口，本课题使用第一个。支持o h c i1 0 和u s b1 1 规范，支持低速和全速u s b 设备。电路如图2 8 所示。 1 4 眦王工ii 山东建筑大学硕士学位论文 1 西扩1 ( 弋菇f 一。 图2 8u s b 模块电路图 2 3 本章小结 本章介绍了课题所使用的a r m 核微处理器$ 3 c 2 4 1 0 芯片，及华恒公司的 h h a r m 2 4 1 0 s t u d y 嵌入式开发板的资源；并介绍了本系统硬件电路总体设计方案， 以及本系统中的主要模块电路，扩展了光敏电路模块。为下面的软件开发提供了基础。 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章嵌入式软件平台设计 3 1 建立宿主机开发环境 交叉编译环境足保证丌发顺利进行的基础。绝大多数的l i n u x 软件丌发都是以 n a t i v e 方式进行的，即本机( h o s t ) 丌发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适 合于嵌入式系统的软件，f ：发，因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机( 即 开发板上系统) 运行开发工具和调试工具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉 编译调试的方式。交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的丌发板 叫做目标板。 翻【 ；j ：li ! 鲤8 1 l i 聊 i ： l l p，h p， _jl_ m ：罐 山东建筑大学硕士学位论文 b i n u t i l s 是二进制文件的处理工具集，主要是一些辅助开发的工具，例如o b j d u m p 是 反汇编工具，它可以产生反汇编代码；n r n 列出程序的符号表；s t r i p 将不必要的代码去 掉以减小可执行文件或者库文件的大小；r e a d e l f 显示e l f 文件信息及段信息。这些工具 在调试过程中对开发者的帮助是非常大的，例如可以n l l l 列出的符号信息得