基于Linux/QTE的塔機(jī)防撞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)

盧揚(yáng)　章紅

摘 要：本文針對(duì)塔機(jī)駕駛艙內(nèi)駕駛員視野狹小，導(dǎo)致塔機(jī)碰撞事故多發(fā)的弊病，提出了一個(gè)基于QTE開發(fā)嵌入式系統(tǒng)GUI的解決方案。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)工地塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并直觀地模擬在LCD屏上運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)異常狀態(tài)的發(fā)生。通過觸屏界面響應(yīng)用戶各項(xiàng)操作，提升了系統(tǒng)的靈活性。經(jīng)過嵌入式Linux內(nèi)核以及QTE基本庫(kù)的裁剪，使系統(tǒng)保證了較低的內(nèi)存占用率以及優(yōu)良的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)塔機(jī)狀態(tài)與防碰撞監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：塔機(jī)監(jiān)測(cè)；嵌入式Linux；QTE；GUI；實(shí)時(shí)性

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國(guó)建筑業(yè)一直持續(xù)高速增長(zhǎng)，與此同時(shí)，建筑作業(yè)的密集化導(dǎo)致同一工作區(qū)域往往存在多臺(tái)塔機(jī)同時(shí)作業(yè)。由于駕駛員或地面指揮人員誤判，現(xiàn)場(chǎng)塔機(jī)相互碰撞、倒塔、碰撞周圍障礙物的事故時(shí)有發(fā)生，如何有效地監(jiān)測(cè)塔機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)，并提供給駕駛員一個(gè)明確的外部狀態(tài)信息，成為解決問題的關(guān)鍵?？紤]到駕駛艙有限的環(huán)境限制，本設(shè)計(jì)采用基于Linux平臺(tái)以及QTE庫(kù)設(shè)計(jì)的嵌入式GUI，其交互界面友好，操作簡(jiǎn)便。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（Scheme design）

（1）硬件平臺(tái)選擇

ARM處理器在嵌入式領(lǐng)域具有領(lǐng)先的性能/功耗比，并且隨著ARM公司的發(fā)展，該處理器擁有廣泛的第三方支持，使得基于ARM的開發(fā)更為靈活。搭載ARM1176JZF-S內(nèi)核的S3C6410處理器采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，使得其在32位處理器的功耗上能夠達(dá)到64位處理器的速度。同時(shí)該處理器強(qiáng)大的硬件加速器提供了優(yōu)秀的視頻、音頻與二維圖形的處理速度?；诖?，選擇使用S3C6410作為本系統(tǒng)核心處理器。

（2）操作系統(tǒng)選擇

作為實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)，穩(wěn)定性是對(duì)操作系統(tǒng)的基本要求。而Linux則具有良好的穩(wěn)定性[1]，借助Linux優(yōu)秀的跨平臺(tái)能力，可以在PC虛擬機(jī)上搭建Linux平臺(tái)環(huán)境，交叉編譯ARM平臺(tái)上運(yùn)行的程序，提升開發(fā)效率。通過對(duì)Linux內(nèi)核的裁剪，可進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積，減少不必要的資源占用[2]。構(gòu)建最適合塔機(jī)監(jiān)測(cè)界面的系統(tǒng)平臺(tái)。

（3）嵌入式圖形庫(kù)QTE

Linux桌面GUI系統(tǒng)一般都基于X Window系統(tǒng)，但X Window本身并不是一個(gè)直接的圖形操作界面，它只是作為圖形環(huán)境與UNIX系統(tǒng)內(nèi)核溝通的中間橋梁[3]。而龐大臃腫的X Window并不適合在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行，因此本系統(tǒng)采用Qt的嵌入式版本QTE圖形庫(kù)。QTE直接取代了X Server及X Library等角色，僅采用Framebuffer作為底層圖形接口，從而大大減少了系統(tǒng)開銷[4]。并由于QTE良好的可移植性，可裁剪的模塊化設(shè)計(jì)，使得其十分適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Qt/X11與QTE系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架（Design framework）

考慮到嵌入式系統(tǒng)的限制性，本系統(tǒng)內(nèi)部使用輕量級(jí)的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，并優(yōu)化了線程間的調(diào)度與防碰撞算法。系統(tǒng)分別對(duì)接收到的WiMi-net無線模塊與傳感器數(shù)據(jù)做分包提取與模數(shù)轉(zhuǎn)換，在得到系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)據(jù)后將用戶輸入信息（本地塔機(jī)高度，前后臂長(zhǎng)，坐標(biāo)位置，工地大小，形狀，障礙物信息等）一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將得到的數(shù)據(jù)送入防碰撞算法模塊進(jìn)行分析，并模擬運(yùn)行狀態(tài)顯示到LCD上。

GUI的設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)與駕駛員的接口，主要的交互在于駕駛員對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，無線通訊的管理，以及系統(tǒng)反饋給駕駛員塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的清晰顯示。其中又包括了系統(tǒng)工作狀態(tài)報(bào)告，塔機(jī)正常運(yùn)行報(bào)告，危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警，界面調(diào)節(jié)功能等。由此設(shè)計(jì)塔機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用例圖如圖2所示。

系統(tǒng)主界面如圖3所示，右側(cè)狀態(tài)欄用來提示系統(tǒng)工作狀態(tài)與塔機(jī)危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警，包括碰撞預(yù)警，異常狀態(tài)預(yù)警等。同時(shí)當(dāng)前塔機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)在下方實(shí)時(shí)顯示，方便駕駛員清楚地了解當(dāng)前塔機(jī)運(yùn)行情況。左側(cè)是工作區(qū)域模擬運(yùn)行區(qū)，系統(tǒng)允許同時(shí)監(jiān)測(cè)最多16個(gè)塔機(jī)，本塔機(jī)為藍(lán)色，其他塔機(jī)為綠色，當(dāng)有大概率碰撞危險(xiǎn)產(chǎn)生時(shí)，以紅色間斷閃爍為警示?？梢允褂没瑮l縮放該區(qū)域，方便監(jiān)視整個(gè)工地或是單個(gè)塔機(jī)，方向鍵控制平移，也可以使用觸摸筆在屏幕上進(jìn)行拖動(dòng)。

4 系統(tǒng)核心技術(shù)（Key technology）

（1）Linux內(nèi)核裁剪

基于Linux-3.12.7版本的內(nèi)核而言，我們不需要也不應(yīng)該將其完整地運(yùn)行到受到資源限制的嵌入式系統(tǒng)中去。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，我們只需要保留網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、各通信口相關(guān)驅(qū)動(dòng)、10.4寸觸屏驅(qū)動(dòng)、UDA1341音頻芯片驅(qū)動(dòng)、顯卡驅(qū)動(dòng)、聲卡驅(qū)動(dòng)以及其他保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的后臺(tái)服務(wù)。在虛擬機(jī)中進(jìn)入Linux-3.12.7源碼包，輸入make xconfig進(jìn)入內(nèi)核配置。在選擇相應(yīng)的配置時(shí)，有三種選擇方式，Y表示將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；N表示不將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；M表示將該功能編譯成可以在需要時(shí)動(dòng)態(tài)插入到內(nèi)核中的模塊[5]。

在Makefile文件中修改硬件平臺(tái)ARCH = arm以及交叉編譯器CROSS_COMPILE = arm-linux。輸入make dep編譯相關(guān)依賴文件，然后采用gzip壓縮方式編譯，執(zhí)行make zImage，得到內(nèi)核壓縮鏡像文件zImage并下載到S3C6410運(yùn)行適合本系統(tǒng)的Linux內(nèi)核。

（2）QTE基本庫(kù)裁剪

（3）Qt與SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)連接

5 結(jié)論（Conclusion）

本文提出了一種基于Linux平臺(tái)與QTE庫(kù)的塔機(jī)監(jiān)測(cè)防撞系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)方法，在減少系統(tǒng)體積的同時(shí)提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并采用LCD觸摸屏加強(qiáng)了系統(tǒng)的交互能力。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)各項(xiàng)工作指標(biāo)的功能，并在系統(tǒng)處于危險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)及時(shí)警告駕駛員，將事故發(fā)生率降到最低。后續(xù)的工作將在進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)存管理與防碰撞算法方面展開。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 李亞鋒，歐文盛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 韓少云，奚海蛟，諶利.ARM嵌入式系統(tǒng)移植開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[3] 周利.用Qt編制Linux中X-windows下的應(yīng)用程序[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2000（1）：17-19.

[4] Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++ GUI Programming with Qt4. Second Edition[M].Prentice Hall，2008.

[5] 徐晨輝.嵌入式Linux內(nèi)核裁剪及移植的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：東華大學(xué)，2009.

[6] 游燕珍，趙國(guó)峰，徐川.基于Qt/E的嵌入式GUI的研究及其移植[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（14）：120-123.

[7] Grant Allen，Mike Owens[美].楊謙，等，譯.SQLite權(quán)威指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：

盧 揚(yáng)（1990-），男，研究生.研究領(lǐng)域：復(fù)雜系統(tǒng)理論與應(yīng)用.

章 紅（1969-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師. 研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)，群體控制，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)等.endprint

摘 要：本文針對(duì)塔機(jī)駕駛艙內(nèi)駕駛員視野狹小，導(dǎo)致塔機(jī)碰撞事故多發(fā)的弊病，提出了一個(gè)基于QTE開發(fā)嵌入式系統(tǒng)GUI的解決方案。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)工地塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并直觀地模擬在LCD屏上運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)異常狀態(tài)的發(fā)生。通過觸屏界面響應(yīng)用戶各項(xiàng)操作，提升了系統(tǒng)的靈活性。經(jīng)過嵌入式Linux內(nèi)核以及QTE基本庫(kù)的裁剪，使系統(tǒng)保證了較低的內(nèi)存占用率以及優(yōu)良的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)塔機(jī)狀態(tài)與防碰撞監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：塔機(jī)監(jiān)測(cè)；嵌入式Linux；QTE；GUI；實(shí)時(shí)性

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國(guó)建筑業(yè)一直持續(xù)高速增長(zhǎng)，與此同時(shí)，建筑作業(yè)的密集化導(dǎo)致同一工作區(qū)域往往存在多臺(tái)塔機(jī)同時(shí)作業(yè)。由于駕駛員或地面指揮人員誤判，現(xiàn)場(chǎng)塔機(jī)相互碰撞、倒塔、碰撞周圍障礙物的事故時(shí)有發(fā)生，如何有效地監(jiān)測(cè)塔機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)，并提供給駕駛員一個(gè)明確的外部狀態(tài)信息，成為解決問題的關(guān)鍵?？紤]到駕駛艙有限的環(huán)境限制，本設(shè)計(jì)采用基于Linux平臺(tái)以及QTE庫(kù)設(shè)計(jì)的嵌入式GUI，其交互界面友好，操作簡(jiǎn)便。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（Scheme design）

（1）硬件平臺(tái)選擇

ARM處理器在嵌入式領(lǐng)域具有領(lǐng)先的性能/功耗比，并且隨著ARM公司的發(fā)展，該處理器擁有廣泛的第三方支持，使得基于ARM的開發(fā)更為靈活。搭載ARM1176JZF-S內(nèi)核的S3C6410處理器采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，使得其在32位處理器的功耗上能夠達(dá)到64位處理器的速度。同時(shí)該處理器強(qiáng)大的硬件加速器提供了優(yōu)秀的視頻、音頻與二維圖形的處理速度?；诖?，選擇使用S3C6410作為本系統(tǒng)核心處理器。

（2）操作系統(tǒng)選擇

作為實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)，穩(wěn)定性是對(duì)操作系統(tǒng)的基本要求。而Linux則具有良好的穩(wěn)定性[1]，借助Linux優(yōu)秀的跨平臺(tái)能力，可以在PC虛擬機(jī)上搭建Linux平臺(tái)環(huán)境，交叉編譯ARM平臺(tái)上運(yùn)行的程序，提升開發(fā)效率。通過對(duì)Linux內(nèi)核的裁剪，可進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積，減少不必要的資源占用[2]。構(gòu)建最適合塔機(jī)監(jiān)測(cè)界面的系統(tǒng)平臺(tái)。

（3）嵌入式圖形庫(kù)QTE

Linux桌面GUI系統(tǒng)一般都基于X Window系統(tǒng)，但X Window本身并不是一個(gè)直接的圖形操作界面，它只是作為圖形環(huán)境與UNIX系統(tǒng)內(nèi)核溝通的中間橋梁[3]。而龐大臃腫的X Window并不適合在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行，因此本系統(tǒng)采用Qt的嵌入式版本QTE圖形庫(kù)。QTE直接取代了X Server及X Library等角色，僅采用Framebuffer作為底層圖形接口，從而大大減少了系統(tǒng)開銷[4]。并由于QTE良好的可移植性，可裁剪的模塊化設(shè)計(jì)，使得其十分適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Qt/X11與QTE系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架（Design framework）

考慮到嵌入式系統(tǒng)的限制性，本系統(tǒng)內(nèi)部使用輕量級(jí)的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，并優(yōu)化了線程間的調(diào)度與防碰撞算法。系統(tǒng)分別對(duì)接收到的WiMi-net無線模塊與傳感器數(shù)據(jù)做分包提取與模數(shù)轉(zhuǎn)換，在得到系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)據(jù)后將用戶輸入信息（本地塔機(jī)高度，前后臂長(zhǎng)，坐標(biāo)位置，工地大小，形狀，障礙物信息等）一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將得到的數(shù)據(jù)送入防碰撞算法模塊進(jìn)行分析，并模擬運(yùn)行狀態(tài)顯示到LCD上。

GUI的設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)與駕駛員的接口，主要的交互在于駕駛員對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，無線通訊的管理，以及系統(tǒng)反饋給駕駛員塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的清晰顯示。其中又包括了系統(tǒng)工作狀態(tài)報(bào)告，塔機(jī)正常運(yùn)行報(bào)告，危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警，界面調(diào)節(jié)功能等。由此設(shè)計(jì)塔機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用例圖如圖2所示。

系統(tǒng)主界面如圖3所示，右側(cè)狀態(tài)欄用來提示系統(tǒng)工作狀態(tài)與塔機(jī)危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警，包括碰撞預(yù)警，異常狀態(tài)預(yù)警等。同時(shí)當(dāng)前塔機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)在下方實(shí)時(shí)顯示，方便駕駛員清楚地了解當(dāng)前塔機(jī)運(yùn)行情況。左側(cè)是工作區(qū)域模擬運(yùn)行區(qū)，系統(tǒng)允許同時(shí)監(jiān)測(cè)最多16個(gè)塔機(jī)，本塔機(jī)為藍(lán)色，其他塔機(jī)為綠色，當(dāng)有大概率碰撞危險(xiǎn)產(chǎn)生時(shí)，以紅色間斷閃爍為警示。可以使用滑條縮放該區(qū)域，方便監(jiān)視整個(gè)工地或是單個(gè)塔機(jī)，方向鍵控制平移，也可以使用觸摸筆在屏幕上進(jìn)行拖動(dòng)。

4 系統(tǒng)核心技術(shù)（Key technology）

（1）Linux內(nèi)核裁剪

基于Linux-3.12.7版本的內(nèi)核而言，我們不需要也不應(yīng)該將其完整地運(yùn)行到受到資源限制的嵌入式系統(tǒng)中去。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，我們只需要保留網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、各通信口相關(guān)驅(qū)動(dòng)、10.4寸觸屏驅(qū)動(dòng)、UDA1341音頻芯片驅(qū)動(dòng)、顯卡驅(qū)動(dòng)、聲卡驅(qū)動(dòng)以及其他保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的后臺(tái)服務(wù)。在虛擬機(jī)中進(jìn)入Linux-3.12.7源碼包，輸入make xconfig進(jìn)入內(nèi)核配置。在選擇相應(yīng)的配置時(shí)，有三種選擇方式，Y表示將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；N表示不將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；M表示將該功能編譯成可以在需要時(shí)動(dòng)態(tài)插入到內(nèi)核中的模塊[5]。

在Makefile文件中修改硬件平臺(tái)ARCH = arm以及交叉編譯器CROSS_COMPILE = arm-linux。輸入make dep編譯相關(guān)依賴文件，然后采用gzip壓縮方式編譯，執(zhí)行make zImage，得到內(nèi)核壓縮鏡像文件zImage并下載到S3C6410運(yùn)行適合本系統(tǒng)的Linux內(nèi)核。

（2）QTE基本庫(kù)裁剪

（3）Qt與SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)連接

5 結(jié)論（Conclusion）

本文提出了一種基于Linux平臺(tái)與QTE庫(kù)的塔機(jī)監(jiān)測(cè)防撞系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)方法，在減少系統(tǒng)體積的同時(shí)提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并采用LCD觸摸屏加強(qiáng)了系統(tǒng)的交互能力。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)各項(xiàng)工作指標(biāo)的功能，并在系統(tǒng)處于危險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)及時(shí)警告駕駛員，將事故發(fā)生率降到最低。后續(xù)的工作將在進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)存管理與防碰撞算法方面展開。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 李亞鋒，歐文盛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

[2] 韓少云，奚海蛟，諶利.ARM嵌入式系統(tǒng)移植開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.

[3] 周利.用Qt編制Linux中X-windows下的應(yīng)用程序[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2000（1）：17-19.

[4] Jasmin Blanchette，Mark Summerfield.C++ GUI Programming with Qt4. Second Edition[M].Prentice Hall，2008.

[5] 徐晨輝.嵌入式Linux內(nèi)核裁剪及移植的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：東華大學(xué)，2009.

[6] 游燕珍，趙國(guó)峰，徐川.基于Qt/E的嵌入式GUI的研究及其移植[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008（14）：120-123.

[7] Grant Allen，Mike Owens[美].楊謙，等，譯.SQLite權(quán)威指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：

盧 揚(yáng)（1990-），男，研究生.研究領(lǐng)域：復(fù)雜系統(tǒng)理論與應(yīng)用.

章 紅（1969-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師. 研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)，群體控制，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)等.endprint

摘 要：本文針對(duì)塔機(jī)駕駛艙內(nèi)駕駛員視野狹小，導(dǎo)致塔機(jī)碰撞事故多發(fā)的弊病，提出了一個(gè)基于QTE開發(fā)嵌入式系統(tǒng)GUI的解決方案。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)工地塔機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并直觀地模擬在LCD屏上運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)測(cè)異常狀態(tài)的發(fā)生。通過觸屏界面響應(yīng)用戶各項(xiàng)操作，提升了系統(tǒng)的靈活性。經(jīng)過嵌入式Linux內(nèi)核以及QTE基本庫(kù)的裁剪，使系統(tǒng)保證了較低的內(nèi)存占用率以及優(yōu)良的實(shí)時(shí)性。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠很好地實(shí)現(xiàn)塔機(jī)狀態(tài)與防碰撞監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：塔機(jī)監(jiān)測(cè)；嵌入式Linux；QTE；GUI；實(shí)時(shí)性

中圖分類號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，中國(guó)建筑業(yè)一直持續(xù)高速增長(zhǎng)，與此同時(shí)，建筑作業(yè)的密集化導(dǎo)致同一工作區(qū)域往往存在多臺(tái)塔機(jī)同時(shí)作業(yè)。由于駕駛員或地面指揮人員誤判，現(xiàn)場(chǎng)塔機(jī)相互碰撞、倒塔、碰撞周圍障礙物的事故時(shí)有發(fā)生，如何有效地監(jiān)測(cè)塔機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行狀態(tài)，并提供給駕駛員一個(gè)明確的外部狀態(tài)信息，成為解決問題的關(guān)鍵?？紤]到駕駛艙有限的環(huán)境限制，本設(shè)計(jì)采用基于Linux平臺(tái)以及QTE庫(kù)設(shè)計(jì)的嵌入式GUI，其交互界面友好，操作簡(jiǎn)便。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（Scheme design）

（1）硬件平臺(tái)選擇

ARM處理器在嵌入式領(lǐng)域具有領(lǐng)先的性能/功耗比，并且隨著ARM公司的發(fā)展，該處理器擁有廣泛的第三方支持，使得基于ARM的開發(fā)更為靈活。搭載ARM1176JZF-S內(nèi)核的S3C6410處理器采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，使得其在32位處理器的功耗上能夠達(dá)到64位處理器的速度。同時(shí)該處理器強(qiáng)大的硬件加速器提供了優(yōu)秀的視頻、音頻與二維圖形的處理速度。基于此，選擇使用S3C6410作為本系統(tǒng)核心處理器。

（2）操作系統(tǒng)選擇

作為實(shí)時(shí)性要求較高的嵌入式系統(tǒng)，穩(wěn)定性是對(duì)操作系統(tǒng)的基本要求。而Linux則具有良好的穩(wěn)定性[1]，借助Linux優(yōu)秀的跨平臺(tái)能力，可以在PC虛擬機(jī)上搭建Linux平臺(tái)環(huán)境，交叉編譯ARM平臺(tái)上運(yùn)行的程序，提升開發(fā)效率。通過對(duì)Linux內(nèi)核的裁剪，可進(jìn)一步縮小系統(tǒng)體積，減少不必要的資源占用[2]。構(gòu)建最適合塔機(jī)監(jiān)測(cè)界面的系統(tǒng)平臺(tái)。

（3）嵌入式圖形庫(kù)QTE

Linux桌面GUI系統(tǒng)一般都基于X Window系統(tǒng)，但X Window本身并不是一個(gè)直接的圖形操作界面，它只是作為圖形環(huán)境與UNIX系統(tǒng)內(nèi)核溝通的中間橋梁[3]。而龐大臃腫的X Window并不適合在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行，因此本系統(tǒng)采用Qt的嵌入式版本QTE圖形庫(kù)。QTE直接取代了X Server及X Library等角色，僅采用Framebuffer作為底層圖形接口，從而大大減少了系統(tǒng)開銷[4]。并由于QTE良好的可移植性，可裁剪的模塊化設(shè)計(jì)，使得其十分適合嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。Qt/X11與QTE系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比如圖1所示。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架（Design framework）

考慮到嵌入式系統(tǒng)的限制性，本系統(tǒng)內(nèi)部使用輕量級(jí)的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，并優(yōu)化了線程間的調(diào)度與防碰撞算法。系統(tǒng)分別對(duì)接收到的WiMi-net無線模塊與傳感器數(shù)據(jù)做分包提取與模數(shù)轉(zhuǎn)換，在得到系統(tǒng)能識(shí)別的數(shù)據(jù)后將用戶輸入信息（本地塔機(jī)高度，前后臂長(zhǎng)，坐標(biāo)位置，工地大小，形狀，障礙物信息等）一起存入數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)將得到的數(shù)據(jù)送入防碰撞算法模塊進(jìn)行分析，并模擬運(yùn)行狀態(tài)顯示到LCD上。

GUI的設(shè)計(jì)需要考慮系統(tǒng)與駕駛員的接口，主要的交互在于駕駛員對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，無線通訊的管理，以及系統(tǒng)反饋給駕駛員塔機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的清晰顯示。其中又包括了系統(tǒng)工作狀態(tài)報(bào)告，塔機(jī)正常運(yùn)行報(bào)告，危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警，界面調(diào)節(jié)功能等。由此設(shè)計(jì)塔機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用例圖如圖2所示。

系統(tǒng)主界面如圖3所示，右側(cè)狀態(tài)欄用來提示系統(tǒng)工作狀態(tài)與塔機(jī)危險(xiǎn)狀態(tài)預(yù)警，包括碰撞預(yù)警，異常狀態(tài)預(yù)警等。同時(shí)當(dāng)前塔機(jī)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)在下方實(shí)時(shí)顯示，方便駕駛員清楚地了解當(dāng)前塔機(jī)運(yùn)行情況。左側(cè)是工作區(qū)域模擬運(yùn)行區(qū)，系統(tǒng)允許同時(shí)監(jiān)測(cè)最多16個(gè)塔機(jī)，本塔機(jī)為藍(lán)色，其他塔機(jī)為綠色，當(dāng)有大概率碰撞危險(xiǎn)產(chǎn)生時(shí)，以紅色間斷閃爍為警示。可以使用滑條縮放該區(qū)域，方便監(jiān)視整個(gè)工地或是單個(gè)塔機(jī)，方向鍵控制平移，也可以使用觸摸筆在屏幕上進(jìn)行拖動(dòng)。

4 系統(tǒng)核心技術(shù)（Key technology）

（1）Linux內(nèi)核裁剪

基于Linux-3.12.7版本的內(nèi)核而言，我們不需要也不應(yīng)該將其完整地運(yùn)行到受到資源限制的嵌入式系統(tǒng)中去。根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求，我們只需要保留網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、各通信口相關(guān)驅(qū)動(dòng)、10.4寸觸屏驅(qū)動(dòng)、UDA1341音頻芯片驅(qū)動(dòng)、顯卡驅(qū)動(dòng)、聲卡驅(qū)動(dòng)以及其他保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的后臺(tái)服務(wù)。在虛擬機(jī)中進(jìn)入Linux-3.12.7源碼包，輸入make xconfig進(jìn)入內(nèi)核配置。在選擇相應(yīng)的配置時(shí)，有三種選擇方式，Y表示將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；N表示不將該功能編譯進(jìn)內(nèi)核；M表示將該功能編譯成可以在需要時(shí)動(dòng)態(tài)插入到內(nèi)核中的模塊[5]。

在Makefile文件中修改硬件平臺(tái)ARCH = arm以及交叉編譯器CROSS_COMPILE = arm-linux。輸入make dep編譯相關(guān)依賴文件，然后采用gzip壓縮方式編譯，執(zhí)行make zImage，得到內(nèi)核壓縮鏡像文件zImage并下載到S3C6410運(yùn)行適合本系統(tǒng)的Linux內(nèi)核。

（2）QTE基本庫(kù)裁剪

（3）Qt與SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)連接

5 結(jié)論（Conclusion）

本文提出了一種基于Linux平臺(tái)與QTE庫(kù)的塔機(jī)監(jiān)測(cè)防撞系統(tǒng)GUI設(shè)計(jì)方法，在減少系統(tǒng)體積的同時(shí)提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并采用LCD觸摸屏加強(qiáng)了系統(tǒng)的交互能力。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示塔機(jī)各項(xiàng)工作指標(biāo)的功能，并在系統(tǒng)處于危險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)及時(shí)警告駕駛員，將事故發(fā)生率降到最低。后續(xù)的工作將在進(jìn)一步優(yōu)化內(nèi)存管理與防碰撞算法方面展開。

參考文獻(xiàn)（References）

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[7] Grant Allen，Mike Owens[美].楊謙，等，譯.SQLite權(quán)威指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

作者簡(jiǎn)介：

盧 揚(yáng)（1990-），男，研究生.研究領(lǐng)域：復(fù)雜系統(tǒng)理論與應(yīng)用.

章 紅（1969-），女，副教授，碩士生導(dǎo)師. 研究領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)故障診斷與容錯(cuò)，群體控制，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)等.endprint