基于ARM的電梯超載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡靜波, 王歡, 孫曉娟

(寶雞文理學(xué)院 a. 電子電氣工程學(xué)院; b. 計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 寶雞 721016)

基于ARM的電梯超載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡靜波a, 王歡b, 孫曉娟a

(寶雞文理學(xué)院 a. 電子電氣工程學(xué)院; b. 計(jì)算機(jī)學(xué)院,陜西 寶雞 721016)

為實(shí)現(xiàn)電梯轎廂的安全運(yùn)行，避免電梯超載判定單一依靠重力傳感器所引發(fā)的安全事故，研究設(shè)計(jì)了基于ARM處理器實(shí)現(xiàn)的轎廂人數(shù)檢測(cè)結(jié)合重力傳感器的雙重判定控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以ARM Cortex A8處理器為主控制器，視頻采集電路模塊、語(yǔ)音報(bào)警電路模塊、Linux2.6.32內(nèi)核及智能識(shí)別算法等軟硬件構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯轎廂人數(shù)檢測(cè)、雙重判定、語(yǔ)音報(bào)警和電梯運(yùn)行等控制。系統(tǒng)通過仿真調(diào)試，運(yùn)行可靠、控制準(zhǔn)確，具有一定的推廣價(jià)值。

電梯轎廂；ARM處理器；嵌入式；計(jì)數(shù)算法；重力傳感器

0 引 言

電梯超載報(bào)警是電梯日常維護(hù)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容[1]。目前電梯的超載保護(hù)裝置均為重力傳感器,對(duì)電梯轎廂內(nèi)的超載狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警以保障乘梯安全[2]。然而,由于電梯長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行、高頻度操作、外界環(huán)境因素、設(shè)備老化或維護(hù)人員誤操作等原因,可能會(huì)造成超載保護(hù)裝置失靈或精度偏移等問題,一旦因此引發(fā)事故,將產(chǎn)生難以挽回的損失。因此目前僅僅依靠重力控制電梯的安全措施和裝置是不夠完備的，需要加以改進(jìn)。

1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用三星公司的ARM Cortex A8處理器作為主控制器，它由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，視頻圖像采集電路、電源及接口電路、處理器外圍內(nèi)存與存儲(chǔ)電路等構(gòu)成了系統(tǒng)的硬件部分，而操作系統(tǒng)Linux2.6.32內(nèi)核和應(yīng)用軟件智能檢測(cè)算法則等成系統(tǒng)的軟件部分，總體實(shí)現(xiàn)對(duì)電梯是否超載判定及其運(yùn)行控制。

如圖1所示，自上而下基本構(gòu)架由應(yīng)用軟件層、操作系統(tǒng)層和硬件層三部分構(gòu)成，而應(yīng)用軟件層和操作系統(tǒng)層構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的軟件部分。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖

1.2 硬件系統(tǒng)

如圖2所示，系統(tǒng)硬件系以ARM Cortex A8處理器作為硬件核心，連接圖像采集電路模塊及必要的外圍設(shè)備，如存儲(chǔ)設(shè)備、語(yǔ)音提示電路模塊、電源和串并接口等模塊。

處理器ARM Cortex A8處理器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的管理和控制，是基于ARMv7架構(gòu)，支持高性能低耗電技術(shù)，處理速度從600 MHz提高到1 GHz以上，128位SIMD引擎支持高性能媒體處理，復(fù)雜的流水線架構(gòu)基于雙對(duì)稱的，順序發(fā)射的，13級(jí)流水線，帶有先進(jìn)的動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)2.0 DMIPS/MHz ，支持智能能源管理技術(shù)的ARM Artisan庫(kù)以及先進(jìn)的泄漏控制技術(shù)使得Cortex-A8處理器實(shí)現(xiàn)了非凡的速度和功耗效率，完整的MMU使Cortex A8可以在各種應(yīng)用程序中運(yùn)行富操作系統(tǒng)[3-4]；圖像采集電路模塊實(shí)現(xiàn)圖像采集、編解碼和幀圖的預(yù)處理；語(yǔ)音報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)轎廂超載語(yǔ)音提示電源及接口模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)串、并和USB等接口功能；存儲(chǔ)模塊主要保證高效穩(wěn)定的運(yùn)行和存儲(chǔ)環(huán)境。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.3 軟件系統(tǒng)

軟件部分操作系統(tǒng)層移植滿足應(yīng)用并經(jīng)裁剪的Linux2.6.32內(nèi)核，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)軟硬件的管理、協(xié)調(diào)、調(diào)度與控制，而應(yīng)用軟件層則是燒寫的圖像采集和智能處理等算法鏡像文件。圖3所示為操作系統(tǒng)層Linux內(nèi)核軟件開發(fā)流程，主要在交叉編譯系統(tǒng)下完成，實(shí)現(xiàn)Linux內(nèi)核的裁剪與移植[5-6]。圖4所示為圖像采集與處理流程，展現(xiàn)視頻幀圖的采集與處理的具體流程，實(shí)現(xiàn)轎廂人數(shù)智能識(shí)別的過程。

圖3 Linux內(nèi)核軟件開發(fā)流程 圖4 圖像采集與處理流程

1.4 工作原理

ARM Cortex A8處理器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的管理和控制。系統(tǒng)在電梯門開啟后，通過電梯轎廂內(nèi)的圖像采集設(shè)備采集視頻圖像，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)視頻電路模塊預(yù)處理后傳給ARM系統(tǒng)平臺(tái)，ARM系統(tǒng)平臺(tái)調(diào)用內(nèi)置智能識(shí)別計(jì)數(shù)算法，如果檢測(cè)超過預(yù)警人數(shù)，語(yǔ)音模塊發(fā)出報(bào)警，同時(shí)發(fā)出指令暫停電梯啟動(dòng)，如果檢測(cè)結(jié)果小于等于預(yù)警人數(shù)，則將電梯轎廂底部重力傳感器發(fā)來的信號(hào)求異或若為1，發(fā)出指令暫停電梯啟動(dòng)，并且語(yǔ)音報(bào)警，若為0，則發(fā)出啟動(dòng)指令電梯正常運(yùn)行。存儲(chǔ)模塊主要保證ARM處理器對(duì)視頻數(shù)據(jù)處理的高效穩(wěn)定運(yùn)行和有效的存儲(chǔ)環(huán)境；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。

2 調(diào)試與運(yùn)行過程

調(diào)試過程需要在交叉編譯環(huán)境下來實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)主頻配置為2.0 GHz，內(nèi)存4 GHz，ARM平臺(tái)采用Samsung Cortex-A8 S5PV210 芯片，運(yùn)行最大頻率1 GHz，處理器自帶 3D 圖形加速引擎(SGX540)， 2D 圖形加速，最大支持8192*8192 分辨率。

本文通過上位機(jī)建立Bootload引導(dǎo)程序、文件系統(tǒng)、下載并裁剪Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核并在ARM存儲(chǔ)器上建立應(yīng)用程序分區(qū)，最后再交叉編譯將Bootload、文件系統(tǒng)、裁剪后的Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核及應(yīng)用程序鏡像燒寫到ARM存儲(chǔ)分區(qū)中去。完成以上工作后，ARM系統(tǒng)平臺(tái)上電運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)視頻圖像采集及智能計(jì)數(shù)，信號(hào)傳遞控制都能滿足實(shí)際運(yùn)行需求，設(shè)計(jì)合理符合控制要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)描述基于ARM的電梯超載控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架及軟、硬件系統(tǒng)的基本原理，給出了基于ARM處理器的電梯人數(shù)控制與重力傳感器雙重超載控制方案，實(shí)現(xiàn)了電梯安全運(yùn)行雙保險(xiǎn)的功能。調(diào)試后，本設(shè)計(jì)可按要求實(shí)時(shí)有效實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制，符合具體環(huán)境工作需求，可直接廣泛應(yīng)用于工企廠礦及民居電梯安全控制及運(yùn)行。

[1] 李書杰，王永強(qiáng). 基于機(jī)器視覺的電梯節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)[J]. 自動(dòng)化與儀器儀表,2015,35(4): 227-229.

[2] 劉松國(guó)，韓樹新，李偉忠,等．電梯運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障遠(yuǎn)程報(bào)警系統(tǒng)研究[J]．自動(dòng)化與儀表, 2011,31(10):42-46．

[3] 賀丹丹，張帆，劉峰．嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)教程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4] 劉波文. ARM Cortex-M3 應(yīng)用開發(fā)實(shí)例詳解[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2011.

[5] 邵建松.基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].石家莊：河北科技大學(xué),2013.

[6] 馬玉敏，張?jiān)氯?，喬?等.網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng),2010,46(22)：53-55.

A Design of the Control System for Overloaded Elevator Based on ARM

Hu Jingboa, Wang Huanb, Sun Xiaojuana

(a. Institute of Electronics & Electric Engineering, b. Institute of Computer Science and Technology, Baoji University Arts & Science, Baoji Shaanxi 721016，China)

For safe operation of the elevator car and avoidance of safety accidents caused by elevator overloading with sole detection of the gravity sensor, a control system with dual sensors is developed and designed based on ARM that could perform both detections of the number of persons in the car and the gravity. This system adopts ARM Cortex A8 processor as the main control and is integrated with a series of hardware and software including video capture circuit module, voice alarm circuit module, Linux2.6.32 kernel and intelligent recognition algorithm etc. to achieve the detection of the number of persons in the elevator car, double determination, voice alarm and elevator control. Through simulation debugging it proves that the system is reliable in operation and accurate in control with certain promotional value.

elevator car；ARM processor；embedding；counting algorithm；gravity sensor

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(15JK1040)；寶雞市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(15RKX-1-5-6)；寶雞文理學(xué)院重點(diǎn)項(xiàng)目(ZK16013)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.032

TP271

A

1000-3886(2016)05-0103-02

胡靜波(1979-)，男，河南鄭州人，碩士，講師，研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺及嵌入式系統(tǒng)。

定稿日期: 2016-04-01