基于ARM的电梯轿厢环保节能系统设计

胡静波，王 欢

（1.宝鸡文理学院电子电气工程学院，陕西宝鸡721016；2.宝鸡文理学院计算机学院，陕西宝鸡721016）

基于ARM的电梯轿厢环保节能系统设计

胡静波1，王 欢2

（1.宝鸡文理学院电子电气工程学院，陕西宝鸡721016；2.宝鸡文理学院计算机学院，陕西宝鸡721016）

随着城市建设速度的加快，高层建筑的数量也在日益增加，电梯已经成为当代民生不可或缺的重要工具。为了避免传统电梯高能耗的缺陷，本文实现了一种电梯轿厢环保节能运行方式，避免电梯空载时的电梯轿厢能源浪费，设计了基于ARM处理器实现的电梯轿厢环保节能系统。系统以ARM处理器为主控制器，视频采集电路模块、电源及复位模块、显示和照明模块，接口与控制模块。实现对电梯轿厢显示和照明模块控制。系统通过仿真调试，运行可靠、控制准确，具有一定的推广价值。

电梯轿厢；ARM处理器；嵌入式；休眠模式

随着国民经济的高速发展，现代化进程步伐的加快，电梯已经越来越多的进入到我们的日常工作和生活当中，据相关资料2015年底我国电梯总量已经突破500万台，每年几乎还以70到80万台的速度进入市场，全国每天有超过43.36亿人次乘坐电梯。电梯已经成为人们社会生活中不可缺少的垂直或水平运输工具；然而，随着电梯保有量急剧增长，电梯的总能耗也在迅猛的增长。为了响应国家能源政策对耗能产品提出的要求，电梯作为高层建筑及厂矿的主要能耗设备之一，如何减少电梯能耗已成为一个值得深入研究的问题。

对于现有部分民用电梯在运行过程中，即使轿厢内无人，轿厢内部光源和显示装置也会处于工作状态，尤其夜晚的使用频率过低的情况下，造成能源不必要的浪费，因此需要对现有设备加以改进，达到节约电能的效果。

文中提出了一种通过视频模块检测电梯轿厢是否空载的判定方法来实现轿厢节能控制，设计功耗小、成本低、可靠性高的特点，符合当下低碳、环保的主旋律。

1 控制系统总体结构及工作原理

1.1 控制系统总体结构

本系统选用三星公司的Samsung S3C2440处理器和移植Linux2.6.32操作系统内核的基础上构建嵌入式系统软硬件平台。硬件系统以ARM公司ARM9构架下的S3C2440处理器为核心，辅助以存储芯片、JTAG、网卡、串口摄像头等外围设备，设计了包括视频图像采集模块、电源与复位模块、处理器外围内存与存储电路等系统的硬件模块；而系统软件则由移植的开发板引导程序BootLoader、操作系统Linux内核、构建的文件系统和应用程序智能图像分析判定算法等构成，建立起交叉编译环境，实现在开发板上的Linux操作系统运行，总体实现对电梯是否空载耗能检测与控制。

如图1所示，自上而下系统构架由应用层的智能图像分析判定算法、操作系统Linux内核、ARM处理器及其外围模块3部分构成，而智能图像判定算法和操作系统内核则构成整个系统的软件部分，剩下的ARM处理器及其外围电路则构成了系统的硬件部分。

图1 系统结构原理框图

1.2 硬件系统

系统硬件选用ARM公司的ARM9架构的S3C2440处理器作为硬件核心，这款ARM处理器是三星公司生产设计的 16位/32位 RISC处理器Samsung S3C2440，采用了ARM920T哈佛架构内核，内部具有独立大小为 16 kB的高速指令缓存和16 kB的高速数据缓存，支持MMU，使用了AMBA（Asvanced Micro controller Bus Architecture，AMBA）总线构架，主频400 MHz，最高533 MHz，板载了很多常用的外设，如Flash、LCD、按键、以太网卡和蜂鸣器等，除此以外底板资源还包括：2 MB的Nor Flash，256 MB的Nand Flash，100 M以太网RJ-45接口网卡，2个RS232串口，3个USB Host和一个USB Slave，一个S卡存储接口，一个LCD接口，JTAT接口等。

如图2所示，该处理器主要连接并控制图像采集电路模块及必要的外围设备，如存储设备、灯光与显示控制模块、电源和复位模块等。图像采集模块实现视频图像连续采集、编解码和帧图的预处理；光源与显示控制模块实现在无人判定情况下的光源与显示控制；电源与复位及接口模块为整个系统提供电能、系统复位和实现相应串、并及USB等接口功能；存储模块主要保证高效稳定的运行和存储环境。

图2 硬件系统结构图

1.3 软件系统

软件部分操作系统层选用的是Linux操作系统，Linux符合GUN GPL协议，允许任何人以任何目的的运行此程序并且在发行复制件以改进此程序，并公开发布改进的自由。通过网络可以自由获取Linux内核源代码而无需支付任何费用和担心版权问题，属于开源软件。同时，由于Linux内核的开放性，使其支持的硬件平台极为广泛，具有较强的移植性，内核精简而高效，也可定制、可裁剪，最小可以做到100KB以下，减少了对硬件资源的消耗。还可完美支持TCP/IP协议，模块化设计，可扩展性强，具有良好的安全性和稳定性。

本系统下载Linux2.6.32内核并根据系统应用需求进行内核裁剪，移植镜像烧写到硬件系统，作为整个操作系统的核心，其负责控制所有的硬件部分，并对系统执行的其它软件提供较高级别的硬件抽象，实现了整个系统软硬件的管理、协同、调度与控制，而本系统的应用软件层则是烧写的图像采集和智能处理等算法镜像文件。

图3为图像采集与处理流程，展现视频帧图的采集与处理的具体流程，实现轿厢有人或无人智能识别判定的过程。图4为操作系统层Linux内核软件开发流程，主要在交叉编译系统下完成，经过建立引导程序 Bootloader，Linux系统内核配置，实现Linux内核的裁剪、移植及文件系统建立、应用程序和驱动程序移植等过程，展现了一个嵌入式产品软件系统的全过程。

1.4 工作原理

ARM9的Samsung S3C2440处理器主要实现对整个系统运行的管理和控制。系统在电梯开启后，通过电梯轿厢内的图像采集设备采集视频图像，视频数据经视频电路模块预处理后图像信号传给ARM系统平台，ARM系统平台调用内置智能图像分析判定算法程序，进行识别分析判定电梯轿厢有人与否的判定，如果判定没人，ARM9处理器将给灯光和显示模块一个控制信号，以暂时关闭电梯轿厢内光源和显示系统供电，整个系统进入休眠模式；直到电梯有启动控制信号，将会再次点亮触发供电。存储模块主要保证ARM处理器[17-18]对视频数据处理的高效稳定运行和有效的存储环境；电源模块为整个系统提供电能。

图3 视频图像采集处理流程

图4 Linux内核软件开发流程

2 调试与运行过程

系统软件的移植和编译调试需要借助PC机来完成现，因为嵌入式系统一般资源有限，不能直接编写编译代码，需要在PC机上完成代码编写编译，通过交叉编译环境进行调试运行，运行无误后再将编译的镜像通过交叉编译环境烧写到板子里。

本系统上位机（PC机）主频配置为2.0 GHz，内存4 GHz，ARM平台采用Samsung S3C2440芯片，主频400 MHz，最高533 MHz。文中通过上位机建立Bootload引导程序、文件系统、下载裁剪Linux操作系统内核并在ARM存储器上建立应用程序分区，最后再交叉编译将 Bootload、文件系统、裁剪后的Linux操作系统内核及智能图像分析算法应用程序镜像烧写到ARM存储分区中去。完成以上工作后，ARM系统平台上电运行，仿真轿厢休眠控制信号模拟正常，响应速度理想，电梯信号传递控制灵敏，都能满足实际运行需求，设计合理，符合控制要求。

3 结束语

文中设计了基于ARM的电梯轿厢环保节能系统，介绍了系统的总体构架及软、硬件构成和基本原理，给出了基于ARM的电梯轿厢环保节能系统设计方案，该系统具有软硬件可定制、可移植、可裁剪、低功耗、高可靠性和高实时性等特点，实现了电梯轿厢节约电能的效果，符合当下低碳、环保的主旋律。

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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稿件编号：201603114

陕西省教育厅专项科研计划项目（15JK1040）；宝鸡市科学技术研究与发展计划项目（15RKX-1-5-6）；宝鸡文理学院重点项目（ZK16013）

胡静波（1979—），男，河南郑州人，硕士，讲师。研究方向：机器视觉及嵌入式系统。