基于Raspberry Pi的电梯彩屏显示系统设计

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近年来，随着高层建筑数量的与日俱增，电梯的需求量也在增加。现阶段我们广泛使用的电梯都是基于LED点阵列的显示系统，显示状态信息比较简单，显示方式比较单调。此外，现在的一些电梯里的广告机，虽然改善了电梯轿内的乘坐环境，良好的广告效果也给商家带来了不小的经济效益。但是这种显示装置没有和电梯控制系统融为一体，只是单纯的视频播放而已。
       
        为了使显示和电梯控制系统相融合，打造舒适的乘坐环境，针对现有的电梯系统提出一种由单片机完成不同厂商适配、由ARM/X86统一显示的双核处理方法。该方法中ARM/X86处理器专注于统一通用格式电梯状态信息解码、楼层图片切换或视频播放，从而提高整个系统的实时性与可靠性。针对不同厂商的电梯通信协议，只需要更改单片机的编解码程序便可使整个系统重新工作。
       
        Raspberry Pi（中文名为“树莓派”）是一款由英国的树莓派基金会所开发，以低价硬件及自由软件为学生计算机编程教育而设计的卡片式电脑。其配备一枚700 MHz博通出产的ARM架构BCM2835处理器，256 MB内存（B型已升级到512 MB内存）的微型电脑主板。Raspberry Pi以SD卡为内存硬盘，主板周围有两个USB接口和一个网口，可连接键盘、鼠标和网线，同时拥有视频模拟信号的电视输出接口和HDMI高清视频输出接口。以上部件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能。其操作系统采用开源的Linux系统，比如Debian、Arch Linux，自带的Iceweasel、KOffice等软件能够满足基本的网络浏览、文字处理以及计算机学习的需要。
       
        Qt是一个1991年由奇趣科技开发的跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。Qt具有优良的跨平台特性，Qt支持下列操作系统：Microsoft Windows 95/98、Microsoft Windows NT、Linux、Solaris、SunOS、HP-UX、Digital UNIX（OSF/1、Tru64）、FreeBSD、BSD/OS，SCO、AIX、OS390、QNX等等。
       
        1系统整体设计
       
        1.1系统框架
       
        本系统的硬件部分主要由接口转接板和显示板组成，系统框图如图1所示。
         

       
       
        图1系统框图

         
        1.2子系统功能介绍
       
        1.2.1接口转接板
       
        接收RS-485/CAN总线上的电梯通信协议，并完成协议的解析；承载温度传感设备和挂在I2C总线上的时钟电路，供显示板读取温度和时间信息，完成用户按键的检测与编码。
       
        1.2.2显示板
       
        接收接口转接板译码后的电梯数据；读取温度和时间信息；实现界面应用程序。
       
        2接口转接板子系统设计
       
        接口转接板子系统硬件主要包括ATmega8单片机、DS18B20温度传感器、PCF8563时钟芯片、MAX485芯片等。其接口转接板框图如图2所示。
         

       
        图2接口转接板框图

         
        电梯的通信协议有多种，本文以NICE3000通信协议为例实现本系统。
       
        2.1 NICE3000通信协议的通信设定
       
        通信方式：RS-485标准、异步、半双工。
       
        数据格式：1位起始位、8位数据位、1位停止位、无校验位。
       
        通信波特率：9600 bps.
       
        通信地址定义：广播地址为0，外接节点地址为1~31（外招板拨码开关确定），地址同时也表示外招所在楼层；显示板只是接收显示，地址设定为0（拨码），无需通信回复。
       
        数据校验：采用两位异或校验。
       
        数据帧分类：共有两种形式，其中广播帧用于外招显示内容的信息，不需要返回帧，另外还有一种是普通帧，主要完成主控制板与外招之间的控制信息交换。
       
        2.2帧格式
       
        数据帧采用固定长度，5个字节，结构为帧头、用户数据、帧尾。
       
        帧头：包括1个字节地址，即主控制板发送给外招的标识，从机（外招）根据帧头判断本机是否响应当前通信。如果地址是广播地址，则从机接收信息，但是不用返回。
       
        用户数据包括：数据2个字节，根据发送方向（主到从或是从到主）以及帧形式定义不同的用户数据。
       
        帧尾：包括2个字节校验数据，先发低位，后发高位。
       
        电梯系统接收到的数据帧不能直接显示，需要根据数据帧格式，对数据进行校验，然后解析，最后提取有用的数据给显示系统进行显示。本系统的操作如下：
       
       
        3显示板子系统设计
       
        对于彩屏电梯显示系统而言，液晶屏的显示效果对客户的影响是至关重要的。因此，应用层的程序开发相当重要。考虑到图形界面控件的丰富程度、漂亮程度以及开源免费的持续升级等因素，选择了QTE/Qt5图形开发平台。显示板子系统的架构如图3所示。

       
       
        图3子系统的架构图

         
        3.1 Qt的移植
       
        3.1.1 Qt的移植条件
       
        Qt for Embedded Linux是用于嵌入式Linux所支持设备的领先应用程序架构。Qt可以在任何支持Linux的平台上运行，创建具有独特用户体验的具备高效内存效率的设备和应用程序。Qt的移植需要满足以下几个基本条件：
       
        ①开发环境：Linux内核2.4或更高；GCC版本3.3或更高；用于MIPS，其GCC版本3.4或更高。
       
        ②占用存储空间：存储空间取决于配置，压缩后为1.7~4.1 MB；未压缩为3.6-9.0MB.
       
        ③硬件平台：易于载入任何支持带C++编译器和帧缓冲器驱动Linux驱动的处理器；支持ARM、x86、MIPS、PowerPC.
       
        ④Raspberry Pi（B型）满足以上条件，故可以进行Qt5的移植。
       
        3.1.2 Qt5的移植准备
       
        在做Qt5移植之前首先做以下移植准备：
       
        ①建立一个文件夹/home/opt来存放编译所需的源码和文件。
       
        ②下载Raspbian Wheezy镜像，本文采用2012-07-15-wheezy-raspbian.img.
       
        ③下载工具链，本文采用gcc-4.7-linaro-rpi-gnueabihf.
       
        ④下载交叉编译工具，本文采用cross-compile-tools.
       
        ⑤下载Qt5源码。
       
        ⑥下载qtjsbackend库的应用补丁。
       
        然后建立文件夹mnt/rasp-pi-rootfs，将Raspbian Wheezy镜像挂载到此文件夹下，并进入Qt5源码文件夹执行初始化代码init-repository.
       
        3.1.3 Qt5的编译
       
        首先进入cross-compile-tools文件夹执行一个脚本fixQualifiedLibraryPaths来修改链接和库路径。
       
        然后编译qtbase，配置如下：
       
         
          接着再编译其他模块如qtimageformats、qtsvg、qtjsbackend、qtseript、qtxmlpatterns、qtdeelarative、qtsensors、qt3d、qtgraphica1effects、qtjsondb、qtlocation、qtdocgallery等。
       
        当在镜像中编译安装完所有的模块之后，将其复制到SDcard.
       
        3.1.4安装Qt Creator
       
        从网站http://qt-project.org/wiki/Crcate#QtonPi_App_SDK上下载Qt Crcator安装包，并在Linux系统下对其进行安装配置。由于Qt5需要Qtcreator2.6.0以上的版本作为支持，本文采用2.6.1版本。
       
        3.2外围部件读取程序
       
        本系统通过读取挂在I2C总线上的实时时钟芯片来获取时间信息，通过温度传感设备获取温度信息。本文以读取实时时钟芯片的数据为例，操作如下：
       
        这些设备的操作通过C代码来实现，然后将其编译成动态链接库的形式，供界面应用程序调用。
       
        3.3界面应用程序的实现
       
        图形界面开发是Qt/Embedded开发的一个重点，本系统的界面结构包括楼层信息区域、运行方向区域、图片显示区域、温度时间显示区域、状态显示区域、本系统涉及到视图的跳转、数据的传递、控件的使用、布局和事件处理等等。其程序流程如图4所示。

       
       
        图4程序流程图

         
        整个显示界面通过MainWindow类实现，该类继承自QmainWindow，而各显示区域均通过继承QWidget类来实现。如图3所示，通过定时器1每隔30 ms调用Main-Window的槽函数checkLiftStstus（）来获取由C函数open_uart485（int data[]）解析的串口数据。
       
        connect（timer，SIGNAL（timeout（）），this，SLOT（checkLiftStatus（）））；//获取电梯信息
       
        将解析后的信息传递给楼层信息区域，运行方向区域，状态显示区域分别进行显示。
       
        indicatorDirection（data[0]）；//方向信息
       
        indicatorState（data[1]）；//状态信息
       
        liftCurrentFloorNum（data[2]）；//楼层信息
       
        图片视频显示区域是在类ShowController中实现的，当系统需要显示图片时，该类调用ImageView类的对象负责图片显示；当系统需要显示视频时，该类调用PlayerWidget类的对象负责处理视频播放。ImageView类和PlayerWidget类也是继承自Qwidget.ImageView类负责获取SD卡上的图片实例，将其显示在正确的位置，并通过定时器2实现图片的切换。PlayerWidget类负责启动MPlayer，并控制视频显示到正确的位置。
       
        温度时间显示区域是在TimeView类和temperatureView类中实现。TimeView类的成员函数getCurrentTime（）通过调用动态链接库的C函数getpcf8563Time（pcf8563_time*pTime）来读取挂在I2C总线上的时钟芯片的时钟信息，并将其显示在正确的区域上。
       
        temperatureView类主要用于显示温度数据，而真正获取温度数据的过程是在TemperatureHandler类中实现的。开辟一个新的线程，通过定时器3每隔500 ms在槽函数readData（）中调用一次动态链接库的C函数therm_dsl8b20（long*date）来读取温度传感器的数据。
       
        temperatureThread=new QThread（this）；//开辟新线程
       
        connect（temptimer，SIGNAL（timeout（）），this，SLOT（readData（）））；//读取温度
       
        4系统调试结果
       
        根据模拟的NICE3000通信协议、外围部件的操作及Qt5的图形界面编程，实现了电梯彩屏显示系统，其硬件设备图和调试结果图如图5、图6所示。
         

       
       
        图5硬件设备图
       
        图6调试结果
         

       
        结语
       
        本文对基于Raspberry Pi并利用Qt5编程来实现的电梯彩屏显示系统进行了阐述。首先介绍了整个系统的构架；接着在接口转接板子系统中介绍了NICE3000通信协议，并对其进行解析；然后在显示板子系统中介绍了外围部件的操作，以读取实时时钟芯片的数据为例；最后根据解析、读取的数据利用Qt5编程实现了电梯彩屏显示系统。本文对传统的LED点阵列电梯显示系统提供了有效的改进方法，改变了其单调的显示方式，成本低廉，更具商业价值。

李小路

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