基于Raspberry Pi的電梯彩屏顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：本文針對多媒體彩屏電梯顯示的需求，在ARM群聳鬏派平臺和單片機(jī)接口板雙處理器架構(gòu)的硬件支持下，利用485/CAN總線傳輸技術(shù)、Linux應(yīng)用編程、Qt5用戶界面編程，提出并實(shí)現(xiàn)了一種雙處理器架構(gòu)的電梯彩屏顯示系統(tǒng)。此彩屏顯示系統(tǒng)與傳統(tǒng)顯示系統(tǒng)相比，界面更美觀，功能更豐富，且具有低成本、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)。實(shí)際測試結(jié)果表明，此電梯彩屏顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

引言

近年來，隨著高層建筑數(shù)量的與日俱增，電梯的需求量也在增加。現(xiàn)階段我們廣泛使用的電梯都是基于LED點(diǎn)陣列的顯示系統(tǒng)，顯示狀態(tài)信息比較簡單，顯示方式比較單調(diào)。此外，現(xiàn)在的一些電梯里的廣告機(jī)，雖然改善了電梯轎內(nèi)的乘坐環(huán)境，良好的廣告效果也給商家?guī)砹瞬恍〉慕?jīng)濟(jì)效益。但是這種顯示裝置沒有和電梯控制系統(tǒng)融為一體，只是單純的視頻播放而已。

為了使顯示和電梯控制系統(tǒng)相融合，打造舒適的乘坐環(huán)境，針對現(xiàn)有的電梯系統(tǒng)提出一種由單片機(jī)完成不同廠商適配、由ARM/X86統(tǒng)一顯示的雙核處理方法。該方法中ARM/X86處理器專注于統(tǒng)一通用格式電梯狀態(tài)信息解碼、樓層圖片切換或視頻播放，從而提高整個系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性與可靠性。針對不同廠商的電梯通信協(xié)議，只需要更改單片機(jī)的編解碼程序便可使整個系統(tǒng)重新工作。

Raspberry Pi(中文名為“樹莓派”)是一款由英國的樹莓派基金會所開發(fā)，以低價(jià)硬件及自由軟件為學(xué)生計(jì)算機(jī)編程教育而設(shè)計(jì)的卡片式電腦。其配備一枚700 MHz博通出產(chǎn)的ARM架構(gòu)BCM2835處理器，256 MB內(nèi)存(B型已升級到512 MB內(nèi)存)的微型電腦主板。Raspberry Pi以SD卡為內(nèi)存硬盤，主板周圍有兩個USB接口和一個網(wǎng)口，可連接鍵盤、鼠標(biāo)和網(wǎng)線，同時(shí)擁有視頻模擬信號的電視輸出接口和HDMI高清視頻輸出接口。以上部件全部整合在一張僅比信用卡稍大的主板上，具備所有PC的基本功能。其操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)，比如Debian、Arch Linux，自帶的Iceweasel、KOffice等軟件能夠滿足基本的網(wǎng)絡(luò)瀏覽、文字處理以及計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)的需要。

Qt是一個1991年由奇趣科技開發(fā)的跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。Qt具有優(yōu)良的跨平臺特性，Qt支持下列操作系統(tǒng)：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 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)的硬件部分主要由接口轉(zhuǎn)接板和顯示板組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 子系統(tǒng)功能介紹

1.2.1 接口轉(zhuǎn)接板

接收RS-485/CAN總線上的電梯通信協(xié)議，并完成協(xié)議的解析;承載溫度傳感設(shè)備和掛在I2C總線上的時(shí)鐘電路，供顯示板讀取溫度和時(shí)間信息，完成用戶按鍵的檢測與編碼。

1.2.2 顯示板

接收接口轉(zhuǎn)接板譯碼后的電梯數(shù)據(jù);讀取溫度和時(shí)間信息;實(shí)現(xiàn)界面應(yīng)用程序。

2 接口轉(zhuǎn)接板子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接口轉(zhuǎn)接板子系統(tǒng)硬件主要包括ATmega8單片機(jī)、DS18B20溫度傳感器、PCF8563時(shí)鐘芯片、MAX485芯片等。其接口轉(zhuǎn)接板框圖如圖2所示。

電梯的通信協(xié)議有多種，本文以NICE3000通信協(xié)議為例實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)。

2.1 NICE3000通信協(xié)議的通信設(shè)定

通信方式：RS-485標(biāo)準(zhǔn)、異步、半雙工。

數(shù)據(jù)格式：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無校驗(yàn)位。

通信波特率：9 600 bps。

通信地址定義：廣播地址為0，外接節(jié)點(diǎn)地址為1～31(外招板撥碼開關(guān)確定)，地址同時(shí)也表示外招所在樓層;顯示板只是接收顯示，地址設(shè)定為0(撥碼)，無需通信回復(fù)。

數(shù)據(jù)校驗(yàn)：采用兩位異或校驗(yàn)。

數(shù)據(jù)幀分類：共有兩種形式，其中廣播幀用于外招顯示內(nèi)容的信息，不需要返回幀，另外還有一種是普通幀，主要完成主控制板與外招之間的控制信息交換。

2.2 幀格式

數(shù)據(jù)幀采用固定長度，5個字節(jié)，結(jié)構(gòu)為幀頭、用戶數(shù)據(jù)、幀尾。

幀頭：包括1個字節(jié)地址，即主控制板發(fā)送給外招的標(biāo)識，從機(jī)(外招)根據(jù)幀頭判斷本機(jī)是否響應(yīng)當(dāng)前通信。如果地址是廣播地址，則從機(jī)接收信息，但是不用返回。

用戶數(shù)據(jù)包括：數(shù)據(jù)2個字節(jié)，根據(jù)發(fā)送方向(主到從或是從到主)以及幀形式定義不同的用戶數(shù)據(jù)。

幀尾：包括2個字節(jié)校驗(yàn)數(shù)據(jù)，先發(fā)低位，后發(fā)高位。

電梯系統(tǒng)接收到的數(shù)據(jù)幀不能直接顯示，需要根據(jù)數(shù)據(jù)幀格式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，然后解析，最后提取有用的數(shù)據(jù)給顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)的操作如下：

3 顯示板子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對于彩屏電梯顯示系統(tǒng)而言，液晶屏的顯示效果對客戶的影響是至關(guān)重要的。因此，應(yīng)用層的程序開發(fā)相當(dāng)重要?？紤]到圖形界面控件的豐富程度、漂亮程度以及開源免費(fèi)的持續(xù)升級等因素，選擇了QTE/Qt5圖形開發(fā)平臺。顯示板子系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。

3.1 Qt的移植

3.1.1 Qt的移植條件

Qt for Embedded Linux是用于嵌入式Linux所支持設(shè)備的領(lǐng)先應(yīng)用程序架構(gòu)。Qt可以在任何支持Linux的平臺上運(yùn)行，創(chuàng)建具有獨(dú)特用戶體驗(yàn)的具備高效內(nèi)存效率的設(shè)備和應(yīng)用程序。Qt的移植需要滿足以下幾個基本條件：

①開發(fā)環(huán)境：Linux內(nèi)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占用存儲空間：存儲空間取決于配置，壓縮后為1.7～4.1 MB;未壓縮為3.6—9.0MB。

③硬件平臺：易于載入任何支持帶C++編譯器和幀緩沖器驅(qū)動Linux驅(qū)動的處理器;支持ARM、x86、MIPS、PowerPC。

④Raspberry Pi(B型)滿足以上條件，故可以進(jìn)行Qt5的移植。

3.1.2 Qt5的移植準(zhǔn)備

在做Qt5移植之前首先做以下移植準(zhǔn)備：

①建立一個文件夾/home/opt來存放編譯所需的源碼和文件。

②下載Raspbian Wheezy鏡像，本文采用2012-07-15-wheezy-raspbian.img。

③下載工具鏈，本文采用gcc-4.7-linaro-rpi-gnueabihf。

④下載交叉編譯工具，本文采用cross-compile-tools。

⑤下載Qt5源碼。

⑥下載qtjsbackend庫的應(yīng)用補(bǔ)丁。

然后建立文件夾mnt/rasp-pi-rootfs，將Raspbian Wheezy鏡像掛載到此文件夾下，并進(jìn)入Qt5源碼文件夾執(zhí)行初始化代碼init-reposi tory。

3.1.3 Qt5的編譯

首先進(jìn)入cross-compile-tools文件夾執(zhí)行一個腳本fixQualifiedLibraryPaths來修改鏈接和庫路徑。

然后編譯qtbase，配置如下：

當(dāng)在鏡像中編譯安裝完所有的模塊之后，將其復(fù)制到SDcard。

3.1.4 安裝Qt Creator

從網(wǎng)站http：//qt-project.org/wiki/Crcate#QtonPi_App_SDK上下載Qt Crcator安裝包，并在Linux系統(tǒng)下對其進(jìn)行安裝配置。由于Qt5需要Qtcreator2.6.0以上的版本作為支持，本文采用2.6.1版本。

3.2 外圍部件讀取程序

本系統(tǒng)通過讀取掛在I2C總線上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片來獲取時(shí)間信息，通過溫度傳感設(shè)備獲取溫度信息。本文以讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)為例，操作如下：

這些設(shè)備的操作通過C代碼來實(shí)現(xiàn)，然后將其編譯成動態(tài)鏈接庫的形式，供界面應(yīng)用程序調(diào)用。

3.3 界面應(yīng)用程序的實(shí)現(xiàn)

圖形界面開發(fā)是Qt/Embedded開發(fā)的一個重點(diǎn)，本系統(tǒng)的界面結(jié)構(gòu)包括樓層信息區(qū)域、運(yùn)行方向區(qū)域、圖片顯示區(qū)域、溫度時(shí)間顯示區(qū)域、狀態(tài)顯示區(qū)域、本系統(tǒng)涉及到視圖的跳轉(zhuǎn)、數(shù)據(jù)的傳遞、控件的使用、布局和事件處理等等。其程序流程如圖4所示。

整個顯示界面通過MainWindow類實(shí)現(xiàn)，該類繼承自QmainWindow，而各顯示區(qū)域均通過繼承QWidget類來實(shí)現(xiàn)。如圖3所示，通過定時(shí)器1每隔30 ms調(diào)用Main-Window的槽函數(shù)checkLiftStstus()來獲取由C函數(shù)open_uart485(int data[])解析的串口數(shù)據(jù)。

connect(timer，SIGNAL(timeout())，this，SLOT(checkLiftStatus()));//獲取電梯信息

將解析后的信息傳遞給樓層信息區(qū)域，運(yùn)行方向區(qū)域，狀態(tài)顯示區(qū)域分別進(jìn)行顯示。

indicatorDirection(data[0]); //方向信息

indicatorState(data[1]); //狀態(tài)信息

liftCurrentFloorNum(data[2]);//樓層信息

圖片視頻顯示區(qū)域是在類ShowController中實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)系統(tǒng)需要顯示圖片時(shí)，該類調(diào)用ImageView類的對象負(fù)責(zé)圖片顯示;當(dāng)系統(tǒng)需要顯示視頻時(shí)，該類調(diào)用PlayerWidget類的對象負(fù)責(zé)處理視頻播放。ImageView類和PlayerWidget類也是繼承自Qwidget。ImageView類負(fù)責(zé)獲取SD卡上的圖片實(shí)例，將其顯示在正確的位置，并通過定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)圖片的切換。PlayerWidget類負(fù)責(zé)啟動MPlayer，并控制視頻顯示到正確的位置。

溫度時(shí)間顯示區(qū)域是在TimeView類和temperatureView類中實(shí)現(xiàn)。TimeView類的成員函數(shù)getCurrentTime()通過調(diào)用動態(tài)鏈接庫的C函數(shù)getpcf8563Time(pcf8563_time*pTime)來讀取掛在I2C總線上的時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘信息，并將其顯示在正確的區(qū)域上。

temperatureView類主要用于顯示溫度數(shù)據(jù)，而真正獲取溫度數(shù)據(jù)的過程是在TemperatureHandler類中實(shí)現(xiàn)的。開辟一個新的線程，通過定時(shí)器3每隔500 ms在槽函數(shù)readData()中調(diào)用一次動態(tài)鏈接庫的C函數(shù)therm_dsl8b20(long*date)來讀取溫度傳感器的數(shù)據(jù)。

temperatureThread=new QThread(this); //開辟新線程

connect(temptimer，SIGNAL(timeout())，this，SLOT(readData())); //讀取溫度

4 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

根據(jù)模擬的NICE3000通信協(xié)議、外圍部件的操作及Qt5的圖形界面編程，實(shí)現(xiàn)了電梯彩屏顯示系統(tǒng)，其硬件設(shè)備圖和調(diào)試結(jié)果圖如圖5、圖6所示。

結(jié)語

本文對基于Raspberry Pi并利用Qt5編程來實(shí)現(xiàn)的電梯彩屏顯示系統(tǒng)進(jìn)行了闡述。首先介紹了整個系統(tǒng)的構(gòu)架;接著在接口轉(zhuǎn)接板子系統(tǒng)中介紹了NICE3000通信協(xié)議，并對其進(jìn)行解析;然后在顯示板子系統(tǒng)中介紹了外圍部件的操作，以讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的數(shù)據(jù)為例;最后根據(jù)解析、讀取的數(shù)據(jù)利用Qt5編程實(shí)現(xiàn)了電梯彩屏顯示系統(tǒng)。本文對傳統(tǒng)的LED點(diǎn)陣列電梯顯示系統(tǒng)提供了有效的改進(jìn)方法，改變了其單調(diào)的顯示方式，成本低廉，更具商業(yè)價(jià)值。