基于ARM的電梯轎廂環保節能系統設計

胡靜波，王 歡

（1.寶雞文理學院電子電氣工程學院，陜西寶雞721016；2.寶雞文理學院計算機學院，陜西寶雞721016）

基于ARM的電梯轎廂環保節能系統設計

胡靜波1，王 歡2

（1.寶雞文理學院電子電氣工程學院，陜西寶雞721016；2.寶雞文理學院計算機學院，陜西寶雞721016）

隨著城市建設速度的加快，高層建筑的數量也在日益增加，電梯已經成為當代民生不可或缺的重要工具。為了避免傳統電梯高能耗的缺陷，本文實現了一種電梯轎廂環保節能運行方式，避免電梯空載時的電梯轎廂能源浪費，設計了基于ARM處理器實現的電梯轎廂環保節能系統。系統以ARM處理器為主控制器，視頻采集電路模塊、電源及復位模塊、顯示和照明模塊，接口與控制模塊。實現對電梯轎廂顯示和照明模塊控制。系統通過仿真調試，運行可靠、控制準確，具有一定的推廣價值。

電梯轎廂；ARM處理器；嵌入式；休眠模式

隨著國民經濟的高速發展，現代化進程步伐的加快，電梯已經越來越多的進入到我們的日常工作和生活當中，據相關資料2015年底我國電梯總量已經突破500萬臺，每年幾乎還以70到80萬臺的速度進入市場，全國每天有超過43.36億人次乘坐電梯。電梯已經成為人們社會生活中不可缺少的垂直或水平運輸工具；然而，隨著電梯保有量急劇增長，電梯的總能耗也在迅猛的增長。為了響應國家能源政策對耗能產品提出的要求，電梯作為高層建筑及廠礦的主要能耗設備之一，如何減少電梯能耗已成為一個值得深入研究的問題。

對于現有部分民用電梯在運行過程中，即使轎廂內無人，轎廂內部光源和顯示裝置也會處于工作狀態，尤其夜晚的使用頻率過低的情況下，造成能源不必要的浪費，因此需要對現有設備加以改進，達到節約電能的效果。

文中提出了一種通過視頻模塊檢測電梯轎廂是否空載的判定方法來實現轎廂節能控制，設計功耗小、成本低、可靠性高的特點，符合當下低碳、環保的主旋律。

1 控制系統總體結構及工作原理

1.1 控制系統總體結構

本系統選用三星公司的Samsung S3C2440處理器和移植Linux2.6.32操作系統內核的基礎上構建嵌入式系統軟硬件平臺。硬件系統以ARM公司ARM9構架下的S3C2440處理器為核心，輔助以存儲芯片、JTAG、網卡、串口攝像頭等外圍設備，設計了包括視頻圖像采集模塊、電源與復位模塊、處理器外圍內存與存儲電路等系統的硬件模塊；而系統軟件則由移植的開發板引導程序BootLoader、操作系統Linux內核、構建的文件系統和應用程序智能圖像分析判定算法等構成，建立起交叉編譯環境，實現在開發板上的Linux操作系統運行，總體實現對電梯是否空載耗能檢測與控制。

如圖1所示，自上而下系統構架由應用層的智能圖像分析判定算法、操作系統Linux內核、ARM處理器及其外圍模塊3部分構成，而智能圖像判定算法和操作系統內核則構成整個系統的軟件部分，剩下的ARM處理器及其外圍電路則構成了系統的硬件部分。

圖1 系統結構原理框圖

1.2 硬件系統

系統硬件選用ARM公司的ARM9架構的S3C2440處理器作為硬件核心，這款ARM處理器是三星公司生產設計的 16位/32位 RISC處理器Samsung S3C2440，采用了ARM920T哈佛架構內核，內部具有獨立大小為 16 kB的高速指令緩存和16 kB的高速數據緩存，支持MMU，使用了AMBA（Asvanced Micro controller Bus Architecture，AMBA）總線構架，主頻400 MHz，最高533 MHz，板載了很多常用的外設，如Flash、LCD、按鍵、以太網卡和蜂鳴器等，除此以外底板資源還包括：2 MB的Nor Flash，256 MB的Nand Flash，100 M以太網RJ-45接口網卡，2個RS232串口，3個USB Host和一個USB Slave，一個S卡存儲接口，一個LCD接口，JTAT接口等。

如圖2所示，該處理器主要連接并控制圖像采集電路模塊及必要的外圍設備，如存儲設備、燈光與顯示控制模塊、電源和復位模塊等。圖像采集模塊實現視頻圖像連續采集、編解碼和幀圖的預處理；光源與顯示控制模塊實現在無人判定情況下的光源與顯示控制；電源與復位及接口模塊為整個系統提供電能、系統復位和實現相應串、并及USB等接口功能；存儲模塊主要保證高效穩定的運行和存儲環境。

圖2 硬件系統結構圖

1.3 軟件系統

軟件部分操作系統層選用的是Linux操作系統，Linux符合GUN GPL協議，允許任何人以任何目的的運行此程序并且在發行復制件以改進此程序，并公開發布改進的自由。通過網絡可以自由獲取Linux內核源代碼而無需支付任何費用和擔心版權問題，屬于開源軟件。同時，由于Linux內核的開放性，使其支持的硬件平臺極為廣泛，具有較強的移植性，內核精簡而高效，也可定制、可裁剪，最小可以做到100KB以下，減少了對硬件資源的消耗。還可完美支持TCP/IP協議，模塊化設計，可擴展性強，具有良好的安全性和穩定性。

本系統下載Linux2.6.32內核并根據系統應用需求進行內核裁剪，移植鏡像燒寫到硬件系統，作為整個操作系統的核心，其負責控制所有的硬件部分，并對系統執行的其它軟件提供較高級別的硬件抽象，實現了整個系統軟硬件的管理、協同、調度與控制，而本系統的應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為圖像采集與處理流程，展現視頻幀圖的采集與處理的具體流程，實現轎廂有人或無人智能識別判定的過程。圖4為操作系統層Linux內核軟件開發流程，主要在交叉編譯系統下完成，經過建立引導程序 Bootloader，Linux系統內核配置，實現Linux內核的裁剪、移植及文件系統建立、應用程序和驅動程序移植等過程，展現了一個嵌入式產品軟件系統的全過程。

1.4 工作原理

ARM9的Samsung S3C2440處理器主要實現對整個系統運行的管理和控制。系統在電梯開啟后，通過電梯轎廂內的圖像采集設備采集視頻圖像，視頻數據經視頻電路模塊預處理后圖像信號傳給ARM系統平臺，ARM系統平臺調用內置智能圖像分析判定算法程序，進行識別分析判定電梯轎廂有人與否的判定，如果判定沒人，ARM9處理器將給燈光和顯示模塊一個控制信號，以暫時關閉電梯轎廂內光源和顯示系統供電，整個系統進入休眠模式；直到電梯有啟動控制信號，將會再次點亮觸發供電。存儲模塊主要保證ARM處理器[17-18]對視頻數據處理的高效穩定運行和有效的存儲環境；電源模塊為整個系統提供電能。

圖3 視頻圖像采集處理流程

圖4 Linux內核軟件開發流程

2 調試與運行過程

系統軟件的移植和編譯調試需要借助PC機來完成現，因為嵌入式系統一般資源有限，不能直接編寫編譯代碼，需要在PC機上完成代碼編寫編譯，通過交叉編譯環境進行調試運行，運行無誤后再將編譯的鏡像通過交叉編譯環境燒寫到板子里。

本系統上位機（PC機）主頻配置為2.0 GHz，內存4 GHz，ARM平臺采用Samsung S3C2440芯片，主頻400 MHz，最高533 MHz。文中通過上位機建立Bootload引導程序、文件系統、下載裁剪Linux操作系統內核并在ARM存儲器上建立應用程序分區，最后再交叉編譯將 Bootload、文件系統、裁剪后的Linux操作系統內核及智能圖像分析算法應用程序鏡像燒寫到ARM存儲分區中去。完成以上工作后，ARM系統平臺上電運行，仿真轎廂休眠控制信號模擬正常，響應速度理想，電梯信號傳遞控制靈敏，都能滿足實際運行需求，設計合理，符合控制要求。

3 結束語

文中設計了基于ARM的電梯轎廂環保節能系統，介紹了系統的總體構架及軟、硬件構成和基本原理，給出了基于ARM的電梯轎廂環保節能系統設計方案，該系統具有軟硬件可定制、可移植、可裁剪、低功耗、高可靠性和高實時性等特點，實現了電梯轎廂節約電能的效果，符合當下低碳、環保的主旋律。

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Design of overloaded elevator control system based on ARM

HU Jing-bo1，WANG Huan2
（1.School of Electronics&Electric Engineering，Baoji University Arts&Science，Baoji 721016，China；2.School of Computer Science and Technology，Baoji University Arts&Science，Baoji 721016，China）

In order to assure the energy conservation of the elevator，and avoid energy waste，the present study designs a energy saving system consisted of human recognition based on ARM processors.The system includes a series of hardwares and softwares，such as ARM processor，video capture module，Linux2.6.32 kernel，recognition algorithms，which were used to control human recognition，interface and control module，display and lighting module.The system has been verified by simulation debugging，and proven to be reliable.Therefore，it is of great practical value.

elevator；ARM processors；embedded；hibernation

TN919.82

：A

：1674－6236（2017）05-0050-03

2016-03-09稿件編號：201603114

陜西省教育廳專項科研計劃項目（15JK1040）；寶雞市科學技術研究與發展計劃項目（15RKX-1-5-6）；寶雞文理學院重點項目（ZK16013）

胡靜波（1979—），男，河南鄭州人，碩士，講師。研究方向：機器視覺及嵌入式系統。