（通信与信息系统专业论文）高校楼宇智能节电系统的研究与sopc实现.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 为了解决当今高校教室的电能浪费问题，本文应用s o p e ( 片上可编程系统) 技 术设计开发了智能照明控制系统。通过图像处理技术判断教室内是否有人，并根据 多种因素影响下的控制策略综合判定此时是否需要开灯，做到教室没有人时关闭电 灯，节约电能。此设计以n i o s 软核作为核心处理器，通过s o p c 的设计方法进行硬 件和软件联合开发，应用v h d l 完成f p g a 的编程，并用c 语言完成图像处理程序的 设计。上位机采用v c + + 编程完成显示控制界面的设计并实现和下位机的通信，接收 下位机的结果及图像。经测试，系统能够达到设计要求，完成智能控制教室灯光的 功能。 整个系统的核心部分在一片f p g a 上实现，辅以少量的外围硬件，真正做到了低 成本和高灵活性，为以后的进一步研究奠定了良好的基础。本文在s o p c 上实现图 像识别并将其应用于智能节电系统中在现今具有创新意义。 关键词：节电，s o p c ，控制策略，图像处理 i no r d e rt os o l y et h ep r o b l e mo fw a s t i n ge l e c t r i cp o w e ri nu n i v e r s i t i e s ，a i n t e l l i g e n t i z e dl i g h t c o n t r o ls y s t e mw a sd e s i g n e di nt h i sa r t i d eb yu s i n gt h es y s t e mo f p r o g r a m m a b l ec h i p ( s o p c 、t h et e c h n o l o g yo fi m a g i u ep r o c e s s i n gi st oj u d g ew h e t h e r t h e r ei sap e r s o ni nt h ec l a s s r o o m ，a n dt od e t e r m i n ei fi ti sn e c e s s a r yt ot u r no nt h el i g h t s u n d e rt h em u l t i f o l dc a u s e sb a s e do nt h ee f f e c t i v ec o n t r o ls t r a t e g y f o rt h er e a s o no f s a v i n ge n e r g y , t h es y s t e mt u r n st h el i g h t so f fw h e nn o b o d yi si nt h ec l a s s r o o m 1 1 l c w h o l ed e s i g nu s e st h en 1 0 sc o r ea si t sc p u a n di tu s e st h em e t h o do fs o p ct oc o m b i n e t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e v h d lw a su s e dt oc o d et h ef p g aa n dc l a n g u a g ew a s u s e dt oc o d et h es o f t w a r ef o ri m a g ep r o c e s s i n g i no r d e rt oc o m m u n i c a t ew i t ht h es i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ra n ds h o wt h ep i c t u r e t h eu p p e ru n i tw a sc o d e dw i t hv c + + t od e s i g n t h ec o n t r o la n dd i s p l a yt h ei n t e r f a c e b yt e s t i n g , t h es y s t e mm e e t st h ed e s i g n r e q u i r e m e n t sa n dc o n t r o l st h el i g h t si n t e l l i g e n t l y t h ew h o l es y s t e mw a sd e s i g n e di nas i n g l ef p g ac h i pa n da s s i s t e dw i t ht h e p e r i p h e r a le q u i p m e n tb yal o w c o s ta n dh i i g h - f l e x i b l ew a y t h i ss t u d ye s t a b l i s h e sas o u n d f o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h i ti si n n o v a t i v et oi m p l e m e n ti m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g i e st os o p ca n da p p l yi ti nt h ei n t e l l i g e n tp o w e rs a v i n gs y s t e m y a n gz h e n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c i e db va s s o c i a t ep r o f e s s o r ：l i a n gg u a n g s h e n g k e yw o r d s ：e l e c t r i cp o w e r s a v i n g ，s o p cc o n t r o ls t r a t e g i e s ，i m a g ep r o c e s s i n g 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文高校楼宇智能节电系统的研 究与s 0 p c 实现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名。辣日期：2 业了 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名 日 期：趔2 ：垒：j 孑 日期：型2 ：! ：! 华北电力大学硕士学位论文 1 1 选题背景与意义 1 1 1 现今能源面临危机 第一章绪论 面对飞涨的石油价格以及不断上涨的原煤价格，全世界正处在一场巨大的能源 危机中。根据美国能源信息署( e i a ) 最新预测结果，随着世界经济和社会的发展， 未来世界能源需求量将继续增加。预计2 0 1 0 年世界能源需求量将达到1 0 5 9 9 亿吨 油当量，2 0 2 0 年达到1 2 8 8 9 亿吨油当量，2 0 2 5 年达到1 3 6 5 0 亿吨油当量，年均 增长率为1 2 。这更将带来严重的环境问题。欧洲和北美洲两个发达地区能源消费 占世界总量的比例将继续星下降趋势，而亚洲、中东、中南美洲等地区将保持增长 态势。随着世界能源储量分布集中度的日益增大，对能源资源的争夺将日趋激烈， 争夺的方式也更加复杂，由能源争夺而引发冲突或战争的可能性依然存在。“1 自改革开放以来，我国的电力工业蓬勃发展。截至2 0 0 6 年底，全国发电装机容 量达到6 2 2 0 0 万千瓦，同比增长2 0 3 ，全国发电量共计2 8 3 4 4 亿度，同比增速为 1 3 5 。2 0 0 6 年全国平均发电设备年利用小时数下降到5 2 2 1 小时，与0 5 年相比降 低2 0 3 小时，明显低于2 0 0 4 年5 4 6 0 小时和2 0 0 3 年的5 2 5 0 小时。1 从1 9 9 7 年开始， 我国结束了长达2 6 年的缺电局面，实现了初步电气化。但与发达国家相比，尚有 很大差距。我国人均装机只有0 2 4 3 千瓦，人均用电量只有1 0 3 8 千瓦时，仅为世 界平均水平的1 1 3 ，还不到发达国家用电水平的1 1 0 。我国的用电水平和效率不高， 一些地区的高峰用电依然十分紧张，电网峰谷差不断拉大，电力供应告急。 中国科学院的资料显示，中国在经济高速增长的同时，万元g d p 能耗水平超过 发达国家3 1 1 倍，按美元计算，中国现在每百万美元g d p 所消耗的能源数量是美 国的3 倍、德国的5 倍、日本的近6 倍。而且随着重化工业的发展，能源特别是电 力消费额还会有上升趋势，因此如何善用能源是迫在眉睫的事情。我国目前能源形 势极其严峻，尤其是到达夏季用电高峰的时候，电能更是显得供不应求。 缺电的原因，主要是电力的发展满足不了国民经济高速增长的需求。某些产业 发展势头过猛，打破了国民经济的综合平衡，超出了资源的支撑能力，这是缺电的 关键原因。国家已经预见到未来几年可能出现的电力紧张状况，自2 0 0 1 年开始， 连续两年新开工电站建设规模超过2 2 0 0 万千瓦，两年累计开工规模相当于“九五” 期间的总和。可以说，我国电力工业的发展速度，是世界罕见的。装机容量从l 亿 1 华北电力大学硕士学位论文 千瓦迈上2 亿千瓦用了7 年时间，从2 亿千瓦到3 亿千瓦只用了5 年时间。虽然我 国电力装机容量已位居世界第二，但国家仍然加大电力建设力度，这对缓解今后用 电紧张会起到决定性作用。但是，电厂的设计和建设一般需要3 5 年时间，建设 电厂并不能缓解眼下的供需矛盾。 在能源日趋紧张的同时，由于节能节电意识淡薄造成的电能浪费也占相当的比 重。一边是电力资源十分紧张，一边是浪费现象极其严重，所以在短时期内乃至今 后相当长的时间里，节约用电将成为解决缺电问题的有效办法。 1 1 2 高校电畿浪费情况分析 由于大学开放型的管理模式和全员节能意识淡薄，目前全国各个高校的教室普 遍存在着严重的电能浪费现象。在白天室内照度很高或即使室内无人或人数很少的 情况下，也是全部开启室内照明。夜间许多教室，即使仅有几个学生在教室自习， 室内照明也全部开启，绝不会有师生因为只有少数人而仅开几盏灯。长明灯比比皆 是，人走不熄灯的现象处处存在。这种有形和无形的浪费，造成了电能不必要的流 失，同时也给校方的电费支出带来了沉重的负担。 在对高校的调查中我们发现，各学校对于教室的照度都非常重视。依照国家相 关标准规定，目前我们所设计的大学教室平均照度为4 0 0 l u m ( 流明) 左右，。1 为让 学生有一个好的学习环境，大部分高校的教室照度都高于标准。现今，高校教学楼 照明用电基本处于一种粗放式管理状态，一般有以下三种模式：一是无专人管理， 由学生自行控制开启，再由值日学生在自习后关闭灯具；二是利用定时开关，根据 作息时间开启和关闭整个教学楼的照明电源；三是由专人负责，即管理人员根据作 息时间和天气情况分楼或分层送电。“1 一个教室的长明灯，看起来耗能不大，但从整个学校乃至全国的高校来看，却 是一个不小的数字。根据对北京某高校的实际调查，一个教学楼约有1 0 0 0 套双管 4 0 w 的日光灯，即每小时消耗电能( 1 0 0 0 2 ) x o 0 4 = 8 0 度，按北京o 4 8 元k w h 电费计算，侣1 每个教学楼每小时的电费支出将达到3 8 4 元。如今灯具每天工作时间 普遍达1 6 小时，日间为1 1 小时左右，夜间为5 小时左右，那么仅一个楼一天常明 灯的电费支出就将达到6 1 4 4 元按一般2 万人的高校拥有相当于此规模的6 栋教 学楼为例，一天的电费总支出将达到3 6 8 6 4 元。简单计算一下，若每天能够关闭 两个小时，一天就将节约4 6 0 8 元；再以学生一年在校9 个月计算，一年将节约电 费开支1 2 4 4 1 6 元。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，依此类推，每年的电费浪费高达1 2 4 4 1 6 1 6 8 4 = 2 0 9 5 1 6 5 4 4 元，2 亿多元的 电能浪费量是何等的惊人l 2 华北电力大学硕士学位论文 若我们能够更智能、更有效地控制灯的开启与关闭，既不影响学生的视力与学 习，又节约电能与学校的电费支出，这将是一个多赢的局面。节约电能的空间和潜 力还很大，为此多所高校都曾发出了。杜绝长明灯”的号召。因此，从整个学校的 发展大局和全社会能源短缺现状来看，高校教学楼照明灯的智能化设备研发与应用 迫在眉睫。 1 1 3 节约用电的意义及途径 节约用电，是国家发展经济的一项长期战略方针，是一项利国利民的事业。它 有利于提高资源利用率，减少环境污染，符合环保和社会可持续发展的原则”1 ；有 利于减轻我国电网的负荷压力，缓解能源短缺状况；有利于提高经济增长和取得较 好的经济效益和社会效益。在电能资源紧缺的当今，节约用电非同小可，很有必要。 国务院办公厅于2 0 0 4 年发布关于开展资源节约活动的通知，强调充分认识开 展资源节约活动的重要意义并提出“走资源消耗低、环境污染少、经济效益好的新 型工业化道路的要求，把节约资源、降低消耗放在突出位置”，抓好节约用电、合 理用电工作，提高能源综合利用效率。 每个公民都应该增强节电意识，养成良好的节电习惯。如：人走灯灭、在照明 亮度达标的情况下尽量不开灯或少开灯、不让电视等电器处于待机状态而是随手关 掉电源等，这些都是一些简单易行而效果显著的节电方法。政府在此之中也应该起 到积极作用，制定相应的政策法规，可以对于节约用电给予一定的奖励，提高各企 事业单位节约用电的积极性，达到节电目的。同时，科技人员更应该积极行动起来， 开发节电产品，采用技术手段缓解电力供需矛盾。应推广高效照明节电产品，如采 用t 8 、t 5 、紧凑型荧光灯( c f l ) 等节能灯管，充分利用天然采光，实现白天完全 或部分利用自然光，从而大大节省电能，提高室内环境品质。采用先进的照明控制 系统，用先迸的照明控制器具和开关对照明系统进行智能控制。 1 2 研究现状 1 2 1 国内外关于节电的研究 由于全世界面临越来越严峻的能源问题，国内外目前在此问题上对于智能建筑 的研究有着极高的热情。智能大厦或智能建筑物( i n t e l l i g e n tb u i i d i n g ) 是楼宇自 动化系统( b a s ：b u i l d i n gm a n a g e m e n ta u t o m a t i o ns y s t e m ) 、通信自动化系统 ( c a s ：c o m m u n i c a t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ) 和办公自动化系统( o a s ：o f f i c e 3 华北电力大学硕士学位论文 a u t o m a t i o ns y s t e m ) 三者的有机结合，其中建筑环境是智能大厦的支持平台。智能 建筑共有空调及通风系统、冷热水系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、 电梯系统、防盗系统、巡更对讲系统、消防系统等9 大系统，本文研究的高校教室 智能节电控制系统就属于智能建筑中的照明监控系统。”1 一些发达国家纷纷制定法律法规，规范能源的使用，对于节约行为给予一定的 奖励，同时对于浪费及不合理使用进行制裁。例如日本从1 9 7 9 年开始实施节约 能源法，对能源消耗标准作了严格的规定。2 0 0 2 年修改的节约能源法还提高 了汽车、空调、冰箱、照明灯、电视机、复印机、计算机、录像机等产品的节能标 准。美国在过去十年间共出台了( 2 1 世纪清洁能源的能源效率与可再生能源办公室 战略计划、国家能源政策等1 0 多个政策或计划来推动节能。 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。 1 2 2 国内高校节电的研究 电费支出作为各高校成本支出中重要的组成部分，各大院校纷纷制定相应规章 制度以期达到节约用电的目的。 对教学楼照明管理的要求是在充分保证教室照度的前提下，尽可能地节约电 能。通常有“无专人管理”、“利用定时开关”、“专人负责”三种管理模式，它们都 不同程度地存在着缺陷，也就造成了大量电能的浪费。 第一种模式看似最为简单，但也是最为浪费的一种方式，因为在强光下人眼对 弱光不敏感，在自然光照大于灯具光照的情况下，难以觉察到灯光的存在，这是造 成白天长明灯的主要原因。如果值日人员责任心不强，还会造成休息时间和夜晚的 长明灯。第二种模式比上一种模式在节能方面有很大的提高，但其致命缺点是无法 及时地保证各个教室的照度，因为自然光照不仅受时间、季节等已知因素的影响， 而且还要受天气等具体因素的影响。因此这种模式难以满足管理要求，极有可能达 不到照度要求或者节能效果不明显。第三种模式在照度和节能两方面都大为提高， 但需要有专门人员负责，而且控制的准确程度因人而异，难以做到科学和准确。因 此，这些方法远远不能满足各高校的要求，亟需一种智能的多功能节电产品。 目前，扬州大学、山东大学等高校也试运行了相对智能的节电产品，收到了一 4 华北电力大学硕士学位论文 定的效果，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 2 3 关于s o p c 的研究 下一代可编程逻辑器件在硬件上有四大发展趋势：( 1 ) 最先进的a s i c 生产工 艺将更广泛地应用于以f p g a 为代表的可编程逻辑器件；( 2 ) 越来越多的高端f p g a 产品将包含d s p 或c p u 等处理器内核，从而使f p g a 由传统的硬件设计手段逐步过 渡为系统级设计平台；( 3 ) f p g a 将包含功能越来越丰富的硬核，与传统a s i c 进一 步融合，并通过结构化a s i c 技术加快占领部分a s i c 市场；( 4 ) 低成本f p g a 的密 度越来越高，价格越来越合理，将成为f p g a 发展的中坚力量。这4 个发展趋势可 简称为先进工艺、处理器内核、硬核与结构化a s i c 、低成本器件。嘲 s o p c 是美国a l t e r a 公司提出的灵活高效的s o c 解决方案，符合下一代可编程 逻辑器件的发展趋势。它将处理器、存储器、i o 口等系统实际需要的功能模块集 成到一个p l d 器件上，构建成一个可编程的片上系统，有着灵活的设计方式，可裁 减、可扩充、可升级，并具备在系统可编程的功能。s o p c 是p l d 和a s i c 技术融合 的结果，目前0 1 3 微米的a s i c 产品制造价格仍然相当昂贵，而集成了硬核或软核 c p u 、i ) s p 、存储器、外围i o 及可编程逻辑的s o p c 芯片在应用的灵活性和价格上 有极大的优势。s o p c 被称为“半导体产业的未来”，已成为各国e d a 研究的热点。 而应用s o p c 的方法并结合n i o s 软核处理器就能达到更好的效果。 n i o s 是基于f p g a 的软核处理器，是一种面向用户的、采用流水线技术的、可 以灵活定制的通用r i s c ( 精简指令集构架) 嵌入式c p u 。它以软核的方式提供给用 户，并专为在a l t e r a 的f p g a 上的实现做了优化，用于s o p c 集成。3 2 位n i o s 处理 器软核，结合外部闪存以及大容量存储器，可构成一个功能强大的3 2 位嵌入式处 理系统，高效便捷。n i o s 现今的应用很广泛，可以说是未来嵌入式系统的发展方向， 应用领域可涵盖汽车、广播、消费类产品、无线通信、有线通信和军事等。1 1 3 研究意义 开发高校楼宇智能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 5 华北电力大学硕士学位论文 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。 5 探讨s o p c 的开发与使用方法 s o p c 技术采用软硬件结合的设计方式，是现今主流的e d a 设计方法。通过采用 s o p c 的设计方法完成本课题，使得对于s o p c 的使用和理解会有更深的认识。 6 成果可作为教学实验平台 本设计以a l t e r a 公司的c y c l o n e 器件作为核心载体，通过内嵌n i o s 处理器， 并围绕它可以设计一些教学实验，为学生提供一个良好的实验开发和研究平台。 1 4 论文的主要工作 基于上述分析，本文要设计并建立教学系统的楼宇节电模型和有效的节电控制 策略，提出高校楼宇智能节电系统的总体结构设计方案。采用s o p c 的设计方法， 在一片f p g a 上完成高校楼宇智能节电系统的控制策略、图像处理等模块的设计， 以实现灯光控制、图像采集处理与传输、多因素判决、判决结果上传、时间设置与 显示、手动和自动控制转换等功能，同时还要完成上位机显示和控制界面的设计。 要实现系统设计目标，需要解决核心处理器的选择、图像处理方法的选择、高 效控制策略的制定、软硬件系统实现、系统测试等关键问题。而控制策略的有效制 定与实现、应用带n i o s 软核的f p g a 完成图像的处理与匹配、如何进行各模块间的 整合与测试等问题是本设计的三个难点。 s o p c 作为一种设计与调试f p g a 的高效方法，对它的研究迎合了当今e d a 技 术的潮流。利用s o p c 技术进行图像处理并应用于节能领域，具有一定的探索性。 6 华北电力大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 本章定义和描述了高校楼宇智能节电系统的功能，比较和论证了系统设计方 案，确定了系统的整体结构、开发方法和软硬件开发平台。 2 1 系统功能的定义和描述 本系统具有灯光智能控制、图像采集处理与显示、图像和处理结果的传输、多 因素判决、时间设置与显示、手动与自动控制转换等功能。 1 灯光智能控制功能 照明控制系统的最基本功能就是通过灯光的智能控制，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 图像采集处理与传输功能 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 断出教室是否有人，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，以便进行必要的控制。它还是检验系统是否正常运转的基本方法，因 为通过人眼与大脑能快速、准确地判断和检验系统是否正常工作。若它与教学楼的 监控系统相衔接，还可以同时完成对楼宇的监控功能。“们 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、是否有人、是上课时间还 是自习时间以及是否使用投影设备等。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，得出最合理的是否开灯的结果。 4 时问设置与显示功能 系统应该具有调整和显示当时日期和时间的功能。若置于教室中也可以作为时 钟使用。时间作为前文提到的若干判决因素之一，对它的正确调整及显示也是十分 重要的。 5 上位机结果显示与计算功能 下位机完成了对于是否开灯的判决后，需要将得到的数据正确传输和保存到上 位机，并可以随意调出，计算设定时间段的电能和电费节约情况。上位机完成对下 位机的功能监视和判决结果监视，在上位机上能够观察到教室的灯具使用情况和电 能节约情况。此项功能和教室图像的上传及其显示功能对于检验系统整体功能具有 重要意义。 6 手动和自动控制转换功能 7 华北电力大学硕士学位论文 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。 表2 - 1 系统功能表 基本功能功能描述 灯光控制根据需要控制灯具的开与关 图像采集通过图像采集设备采集教室内的图像 图像处理判断教室内是否有人 图像发送将采集到的图像信号传输到上位机 下位机 多因素判决综合考虑时间段、教室有无人、 亮度是否够、是否使用投影仪等因素来 判决是否需要开灯。 日期和时间设置调整当前的日期和时间 日期和时间显示正确显示当前的日期和时间 手动和自动控制选择选择手动还是自动方式控制灯的开闭 信息发送将灯光使用情况等信息由下位机上传 给上位机 u c o s l i 的移植“” 在系统中移植多任务操作系统u c o s i i 显示下位机传输的教正确显示当时教室中的图像信息 室图像 用户界面提供操作以及显示界面 灯光使用情况统计提供整个教学楼的灯光使用情况统计 上位机 提供整个教学楼的节约电能情况统计 节约电能统计 节约电费统计提供整个教学楼的节约电费情况统计 日期和时间显示显示当前日期和时间 存储调用统计信息保存和调用统计信息的历史记录 控制下位机向下位机发送控制信号，使下位机进行 相应操作 通信上下位机之间的数据将下位机的图像及判决结果上传 和控制命令传输将上位机的控制命令下传 8 华北电力大学硕士学位论文 2 2 设计方案的论证与选择 2 2 1 核心处理器的选择 器件选择是一个综合问题，需要将设计需求、系统成本、规模、速度等级、时 钟资源、i o 特性、封装、专用功能模块等诸多因素综合考虑。“” 1 采用8 0 5 1 内核的单片机作为核心处理器 利用f a m e ge 8 0 5 1 d 内核的单片机f s 7 8 2 1 l q 作为核心处理器，完成图像模板匹配 功能。f s 7 8 2 1 l q 嵌入了一个最高运行频率为1 5 m h z 的r i s c8 0 5 1c u p 内核，以达到高 级数据优先传输的优化总线结构。在f s 7 8 2 1 l q 体系结构内，基于e 8 0 5 1 d 微处理器的 u s b 及闪存接口有一定的灵活性。另外它提供了8 3 2 个g p i o 管脚，用于芯片的电源 控制及将来固件特性的扩充，它与工业标准8 0 5 1 软件兼容，指令速度为一般8 0 5 1 的 十倍。 图2 if s 7 8 2 1 l q + f p g a 的系统结构 图2 1 所示的系统结构采用以f s 7 8 2 1 l q 为核心处理器并以f p g a 为重要辅助器件 的设计方案。f p g a 在其中起到预处理的作用。“”在f s 7 8 2 1 上移植1 1c o s i i 操作系统并 利用c 5 1 编写应用程序，通过多任务的协调工作完成图像匹配处理决策并得到相应的 处理结果，对接口的控制和管理、执行统计显示功能。f s 7 8 2 1 与f p g a 协调工作，图 像数据先放在存储器中，经滤波后提供给f s 7 8 2 1 进行图像处理“”，之后再传回f p g a 和其他因素一起按照控制策略进行判决并得到控制灯光开关的信号。 经过实际设计与检验，尽管利用8 0 5 1 内核的f s 7 8 2 1 l q 单片机也能达到预期目的， 9 华北电力大学硕士学位论文 但e 8 0 5 1 d 为8 位处理器，所以在处理速度、存储容量及输入输出接口方面略显不足。 2 采用n i o s 软核处理器 n i o s 是美国a l t e r a 公司的3 2 位软核处理器，其处理速度能够满足设计要求。它 是把c p u 和周边单元结合在一起的r i s e 处理器，具有灵活的设计方式，可裁减、可扩 充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。s o p c 的设计方法方便快捷，市场 上有丰富的i pc o r e 资源可供灵活选择，用户可以构成各种不同的单处理器系统或多 处理器系统。有些可编程器件内还可以包含部分可编程模拟电路。除了系统使用的 资源外，可编程器件内还具有足够的可编程逻辑资源，用于实现其他的附加逻辑。“” 在f p g a 设计中“核”的概念分为三种：( 1 ) 硬核，针对特定的实现技术进行 了优化，具有不能修改的结构和布局布线，可作为库元件使用，且时序稳定，但不 能按设计需要修改和调整时序。( 2 ) 固核，由h d l 源码和与实现技术有关的网表组 成，使用者可按规定增减部分功能。固核的关键路径时序是固定的，但其实现技术 不能更改，即不同厂家f p g a 的固核不能互换使用。( 3 ) 软核，是可综合的硬件描 述语言( h d l ) 源码，与实现技术无关，可按使用者的需要修改，具有最大的使用 灵活性，但软核的关键路径的时序性能无保证，最终性能主要决定于使用者的综合、 布局布线和实现技术。 综上分析，n i o s 在f p g a 上实现具有一系列不同于普通嵌入式c p u 系统的特性， 如：使用软核的费用更低，可以自定制用户逻辑外设，可以允许用户定制自己的指 令集，设计者可以使用n i o s 加上外部的f l a s h 和s r a m 来构成一个嵌入式处理系统。 这也为后续升级留有更大的改进与发挥空间，增大了灵活性和适应性。 3 采用a r m 7 作为核心处理器 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的简称，具有体积小、功耗低、成本低、性能 高等特点，在移动通信、手持设备、工业控制、多媒体数字终端中使用最广。“印采 用r i s c 架构的a r m 微处理器还具有如下特点： ( 1 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 位1 1 6 位器件； ( 2 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 3 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 4 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高； ( 5 ) 指令长度固定。 目前国内使用较广的a r m 芯片是a r m 7 ，例如a t m e l 公司的a t 9 1 r 4 0 0 0 8 ，其原 因是： 华j b 电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 硬件设计方面，a r m 7 主频范围是3 0 一i o o m h z ，易于掌握其设计技术；a r m 9 主频范围是1 0 0 - 2 0 0 m h z ，属高速设计，对于初学者来说具有一定难度。 ( 2 ) 软件设计方面，a r m 7 资源紧凑，适合运行u c o s 和u c l i n u x 等源码开放的操 作系统，能够充分体现嵌入式系统对资源、成本、可靠性有严格要求的特点；a r m 9 是系统集成度更高的s o c ，适合运行w i n c e 、l i n u x 等高级操作系统，这样往往造成 设计时对于成本和可靠性的忽略。 ( 3 ) 应用方面，a r m 7 的芯片价格比a r m 9 低得多，是目前嵌入式产品市场的主流， 很多消费类产品都是基于a r m 7 结构的。 表2 2 三种核心处理器的比较 强掣 f s 7 8 2 1 l q 鹋0 5 l d c y c l o n ee p i c l 2 a t 9 1 r 4 0 0 0 8 a r m 7 比较顽卧n i o s 处理器位数与8 位r i s c1 6 位或3 2 位r i s c3 2 位r i s c 架构 结构 开发工具 k e i lc q u a r t u s ii ，s o p c a d s b u i l d e r 芯片容量内嵌6 k b r a m4 6 0 8 至6 8 4 1 6 个逻 g r e e nh i l1 st o o l s 辑单元，c y c l o n e c r o s st o o lc h a i n e p i c l 2l u t ( 查找 m u l t i 表) 1 2 0 6 0 个， t r a c e 3 2 - i c d 1 7 3 个i l o 管脚等 是否需要其他需要n 7 1不需要需要 主要芯片如d s p 适用性 经过以上比较及实际开发的验证，选择可嵌入n i o s 软核的c y c l o n e 芯片作为核 心处理器最符合系统设计要求，而且便于产品升级并顺应了e d a 的设计潮流。 2 2 2 判断教室有无人员的方法选择 要判断教室中有无人员，有多种可供选择的方案，但必须满足以下三点基本设 计原则：( 1 ) 节约用电更要保证亮度，以确保学生正常的学习；( 2 ) 有效地控制灯光 同时又要避免频繁的开关灯；( 3 ) 控制灯光的同时并尽可能附加更多其它功能。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 方法一：图像识别方法 此方法应用图像采集设备将教室中某一时刻的情况拍摄下来，通过模板匹配 ( 即在图像中找到是否有和模板一致的图像) 等图像处理方法，判断出教室中是否 有人，进而判断是否需要开启照明设备。”钔 方法二：红外感应方法 根据人体温度与环境温度不同的原理，通过红外感应传感器，判断区域内是否 有人。“耵当学生进入教室时，若室内亮度低于国家规定标准，该产品自动开启照明 灯具。当学生离开教室8 - 1 0 分钟后，灯具自动关闭。若室内亮度高于国家标准时， 室内有人，照明灯也不会开启。此方法简单易行，但不易分区处理，即整个教室的 灯光要开启均开启，要关闭均关闭。目前市场上已有此类产品。 表2 - 3 人员判别方法比较 泌竺 图像识别方法红外感应方法 特点、 核心设备视频传感器( 摄像头) 红外传感器 原理在图像中寻找是否有和模根据人体温度与环境温 板一致的图像，来判断教度的差异判断教室内是 室内是否有人否有人 市场上是否有相 无 有 应产品 适用性 综合考虑，采用图像处理方法最能准确地判别出特定区域是否有人员活动，并 且还可以和视频监控系统相融合，有效提高系统效率，丰富系统功能。因此，本文 选用图像处理方法来完成教室内有无人员的判断。 2 3 总体设计 2 3 1 系统总体结构 整个系统以s o p c 为核心，辅以传感器、显示器等外设，完成系统功能，系统 总体结构如图2 2 所示。在图像传感器控制模块的控制下，通过图像采集设备得到 的图像信号送到中值滤波模块进行中值滤波，并保存于存储器中。f p g a 是s o p c 的 核心硬件载体，系统先读取图像信号，再经过内嵌的n i o s 软核处理器执行图像处 1 2 华北电力大学硕士学位论文 理算法完成对于图像的识别，得到教室中是否有人的结论。此信号与从时间模块等 方面得到的若干判决因素一起，按照控制策略综合处理后得到是否需要开关灯的最 终结果。f p g a 通过多种接口与照明开关、显示器、上位机等设备相连接，从而构成 整个系统。 f p g a 部分由n i o s 软核处理器模块、时间模块、策略执行模块、图像采集与存储 模块、中值滤波模块、u a r t 模块、选择模块等组成，完成整个系统下位机的大部分 功能。这些模块应用s o p cb u i l d e r 软件生成和v h d l 语言编程实现。 。辫像俦艟器 2 3 2 软硬件结合的设计方法 图2 - 2 系统总体结构 基于n i o s 的s o p c 系统是一个软硬件结合的系统，开发时分为软件和硬件两个 部分。对于既可以用硬件实现又可以用软件实现的功能，需要综合考虑系统资源、 系统工作速度等多方面因素来确定最终使用哪种方法。一般来说，用软件的方法实 现在设计上容易修改，纠错也相对容易，对于系统的硬件资源也几乎没有过多占用， 1 3 华北电力大学硕士学位论文 因此在需要的软硬件代价相当并保证性能的情况下，优先考虑采用软件的方法进行 设计。软硬件结合的设计方法中硬件设计主要指通过硬件描述语言和系统提供的开 发平台完成f p g a 的设计，包括以n i o s 软核处理器为核心的嵌入式系统的硬件配置、 硬件设计、硬件仿真等。而软件设计是指对运行在n i o s 系统上的软件程序的开发， 主要利用c 语言或c + + 语言。 开发n i o s 系统时，要根据系统的功能特点、性能指标、功耗、成本等因素， 确定n i o s 系统的软硬件结构及各个功能模块。 硬件设计流程软件设计流程 2 3 3 软硬件开发平台 图2 - 3 软硬件系统的设计流程 系统开发调试阶段采用杭州康芯公司的g w 4 8 s o p c e d a 实验开发系统作为系统 设计和开发的硬件平台，f p g a 芯片选用a l t e r a 公司的c y c l o n ee p l c l 2 0 2 4 0 c 8 。 e p l c l 2 q 2 4 0 c 8 是一款2 4 0 脚p q f p 封装的f p g a ，拥有1 7 3 个i o 接口、1 2 0 6 0 个逻 辑单元( l e ) 、2 3 9 6 1 6 ( 5 2 4 5 k ) r a m 以及2 个锁相环( p l l ) ，能够满足系统设计 要求。 采用的软件平台有q u a r t u s l i 、s o p cb u i l d e r 和v c 。q u a r t u s l i 是适用于c p l d 、 f p g a 和结构化a s i c 设计的先进软件，使用它可以完成设计流程的所有阶段，因此 能够大大提高设计效率。它也是一个全面的、易于使用的独立解决方案，为目前e d a 设计所广泛使用。s o p cb u i l d e r 是n i o s 嵌入式处理器开发软件包，用于实现n i o s 1 4 华北电力大学硕士学位论文 系统的配置、生成、系统相关监控和软件调试平台的生成。町 以v h d l 和c 为编程语言，在q u a r t u s i i 平台下开发应用f p g a ，通过s o p c 技术 解决课题中的信号处理、指令存储、通讯、控制等方面的问题，从而实现系统所要 求的功能。v i s u a lc + + 平台用来编写上位机的接收与处理程序。 2 4 小结 本章在系统功能定义和需求描述的基础上，对核心处理器和教室里有无人员的 判决方法做出了分析和选择，最终选用了a l t e r ac y c l o n e 芯片嵌入n i o s 软核处理 器的方法，并采用图像识别方法判断教室里是否有人。接着，给出了系统的整体结 构设计和软硬件开发平台。系统采用以s o p c 为核心，辅以传感器、显示器等外设 的结构。以g w 4 8s o p c e d a 实验开发系统为系统设计和开发的硬件平台，以 q u a r t u s i i 、s o p cb u i l d e r 和v c + + 为软件平台，完成初期的设计和测试。 华北电力大学硕士学位论文 第三章硬件系统设计 根据f p g a 和s o p c 的特点，以f p g a 为载体，应用s o p c 技术配置和生成了适合 系统要求的n i o s 软核处理器，制定了节电系统模型和完善的控制策略，采用v h d l 语言设计了若干自定义模块，并设计了f p g a 的外围电路。 3 1f p g a 与s o p o 3 1 1f p g a 可编程逻辑器件( p l d ) 可以完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成 某种特定的逻辑功能。可编程逻辑器件又细分为简单p l d 、c p l d 、f p g a 。 f p g a 是现场可编程门阵列，是作为专用集成电路领域中的一种半定制电路而出 现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 同以往的p a l 和g a l 等相比，f p g a 的规模比较大，它可以代替几十甚至几千块通用 i c 芯片。可以说，f p g a 芯片是小批量系统提高系统集成度、提高可靠性的最佳选 择之一。f p g a 还有诸多优点，如：单一芯片内可以容纳上百万个晶体管，实现的功 能也越来越强；f p g a 芯片出厂前都作过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片 风险和费用；用户可反复编程，或者在相同外围电路的情况下用不同软件即可实现 不同的功能；f p g a 软件包中有各种输入和仿真工具，电路设计人员在很短的时间内 就可以完成电路的输入、编译、优化、仿真直至最后芯片的制作；设计人员使用f p g a 进行电路设计时不需要具备专门的i c 深层次知识，f p g a 软件易学易用。” 一个完整的f p g a c p l d 设计流程包括电路设计输入、功能仿真、综合、综合后 仿真、实现、布线后