基于Raspberry Pi的電梯彩屏顯示系統設計

摘要：本文針對多媒體彩屏電梯顯示的需求，在A(yíng)RM群聳鬏派平臺和單片機接口板雙處理器架構的硬件支持下，利用485/CAN總線(xiàn)傳輸技術(shù)、Linux應用編程、Qt5用戶(hù)界面編程，提出并實(shí)現了一種雙處理器架構的電梯彩屏顯示系統。此彩屏顯示系統與傳統顯示系統相比，界面更美觀(guān)，功能更豐富，且具有低成本、高穩定性等特點(diǎn)。實(shí)際測試結果表明，此電梯彩屏顯示系統設計的可行性和有效性。

引言

近年來(lái)，隨著(zhù)高層建筑數量的與日俱增，電梯的需求量也在增加?，F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，顯示狀態(tài)信息比較簡(jiǎn)單，顯示方式比較單調。此外，現在的一些電梯里的廣告機，雖然改善了電梯轎內的乘坐環(huán)境，良好的廣告效果也給商家帶來(lái)了不小的經(jīng)濟效益。但是這種顯示裝置沒(méi)有和電梯控制系統融為一體，只是單純的視頻播放而已。

為了使顯示和電梯控制系統相融合，打造舒適的乘坐環(huán)境，針對現有的電梯系統提出一種由單片機完成不同廠(chǎng)商適配、由ARM/X86統一顯示的雙核處理方法。該方法中ARM/X86處理器專(zhuān)注于統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(gè)系統的實(shí)時(shí)性與可靠性。針對不同廠(chǎng)商的電梯通信協(xié)議，只需要更改單片機的編解碼程序便可使整個(gè)系統重新工作。

Raspberry Pi(中文名為“樹(shù)莓派”)是一款由英國的樹(shù)莓派基金會(huì )所開(kāi)發(fā)，以低價(jià)硬件及自由軟件為學(xué)生計算機編程教育而設計的卡片式電腦。其配備一枚700 MHz博通出產(chǎn)的ARM架構BCM2835處理器，256 MB內存(B型已升級到512 MB內存)的微型電腦主板。Raspberry Pi以SD卡為內存硬盤(pán)，主板周?chē)袃蓚€(gè)USB接口和一個(gè)網(wǎng)口，可連接鍵盤(pán)、鼠標和網(wǎng)線(xiàn)，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。其操作系統采用開(kāi)源的Linux系統，比如Debian、Arch Linux，自帶的Iceweasel、KOffice等軟件能夠滿(mǎn)足基本的網(wǎng)絡(luò )瀏覽、文字處理以及計算機學(xué)習的需要。

Qt是一個(gè)1991年由奇趣科技開(kāi)發(fā)的跨平臺C++圖形用戶(hù)界面應用程序開(kāi)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：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 系統整體設計

1.1 系統框架

本系統的硬件部分主要由接口轉接板和顯示板組成，系統框圖如圖1所示。

1.2 子系統功能介紹

1.2.1 接口轉接板

接收RS-485/CAN總線(xiàn)上的電梯通信協(xié)議，并完成協(xié)議的解析;承載溫度傳感設備和掛在I2C總線(xiàn)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(hù)按鍵的檢測與編碼。

1.2.2 顯示板

接收接口轉接板譯碼后的電梯數據;讀取溫度和時(shí)間信息;實(shí)現界面應用程序。

2 接口轉接板子系統設計

接口轉接板子系統硬件主要包括ATmega8單片機、DS18B20溫度傳感器、PCF8563時(shí)鐘芯片、MAX485芯片等。其接口轉接板框圖如圖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)現本系統。

2.1 NICE3000通信協(xié)議的通信設定

通信方式：RS-485標準、異步、半雙工。

數據格式：1位起始位、8位數據位、1位停止位、無(wú)校驗位。

通信波特率：9 600 bps。

通信地址定義：廣播地址為0，外接節點(diǎn)地址為1～31(外招板撥碼開(kāi)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，地址設定為0(撥碼)，無(wú)需通信回復。

數據校驗：采用兩位異或校驗。

數據幀分類(lèi)：共有兩種形式，其中廣播幀用于外招顯示內容的信息，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

數據幀采用固定長(cháng)度，5個(gè)字節，結構為幀頭、用戶(hù)數據、幀尾。

幀頭：包括1個(gè)字節地址，即主控制板發(fā)送給外招的標識，從機(外招)根據幀頭判斷本機是否響應當前通信。如果地址是廣播地址，則從機接收信息，但是不用返回。

用戶(hù)數據包括：數據2個(gè)字節，根據發(fā)送方向(主到從或是從到主)以及幀形式定義不同的用戶(hù)數據。

幀尾：包括2個(gè)字節校驗數據，先發(fā)低位，后發(fā)高位。

電梯系統接收到的數據幀不能直接顯示，需要根據數據幀格式，對數據進(jìn)行校驗，然后解析，最后提取有用的數據給顯示系統進(jìn)行顯示。本系統的操作如下：

3 顯示板子系統設計

對于彩屏電梯顯示系統而言，液晶屏的顯示效果對客戶(hù)的影響是至關(guān)重要的。因此，應用層的程序開(kāi)發(fā)相當重要?？紤]到圖形界面控件的豐富程度、漂亮程度以及開(kāi)源免費的持續升級等因素，選擇了QTE/Qt5圖形開(kāi)發(fā)平臺。顯示板子系統的架構如圖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所支持設備的領(lǐng)先應用程序架構。Qt可以在任何支持Linux的平臺上運行，創(chuàng )建具有獨特用戶(hù)體驗的具備高效內存效率的設備和應用程序。Qt的移植需要滿(mǎn)足以下幾個(gè)基本條件：

①開(kāi)發(fā)環(huán)境：Linux內核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動(dòng)Linux驅動(dòng)的處理器;支持ARM、x86、MIPS、PowerPC。

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

3.1.2 Qt5的移植準備

在做Qt5移植之前首先做以下移植準備：

①建立一個(gè)文件夾/home/opt來(lái)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庫的應用補丁。

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文件夾執行一個(gè)腳本fixQualifiedLibraryPaths來(lái)修改鏈接和庫路徑。

然后編譯qtbase，配置如下：

當在鏡像中編譯安裝完所有的模塊之后，將其復制到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

本系統通過(guò)讀取掛在I2C總線(xiàn)上的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片來(lái)獲取時(shí)間信息，通過(guò)溫度傳感設備獲取溫度信息。本文以讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的數據為例，操作如下：

這些設備的操作通過(guò)C代碼來(lái)實(shí)現，然后將其編譯成動(dòng)態(tài)鏈接庫的形式，供界面應用程序調用。

3.3 界面應用程序的實(shí)現

圖形界面開(kāi)發(fā)是Qt/Embedded開(kāi)發(fā)的一個(gè)重點(diǎn)，本系統的界面結構包括樓層信息區域、運行方向區域、圖片顯示區域、溫度時(shí)間顯示區域、狀態(tài)顯示區域、本系統涉及到視圖的跳轉、數據的傳遞、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(gè)顯示界面通過(guò)MainWindow類(lèi)實(shí)現，該類(lèi)繼承自QmainWindow，而各顯示區域均通過(guò)繼承QWidget類(lèi)來(lái)實(shí)現。如圖3所示，通過(guò)定時(shí)器1每隔30 ms調用Main-Window的槽函數checkLiftStstus()來(lái)獲取由C函數open_uart485(int data[])解析的串口數據。

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域，運行方向區域，狀態(tài)顯示區域分別進(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

圖片視頻顯示區域是在類(lèi)ShowController中實(shí)現的，當系統需要顯示圖片時(shí)，該類(lèi)調用ImageView類(lèi)的對象負責圖片顯示;當系統需要顯示視頻時(shí)，該類(lèi)調用PlayerWidget類(lèi)的對象負責處理視頻播放。ImageView類(lèi)和PlayerWidget類(lèi)也是繼承自Qwidget。ImageView類(lèi)負責獲取SD卡上的圖片實(shí)例，將其顯示在正確的位置，并通過(guò)定時(shí)器2實(shí)現圖片的切換。PlayerWidget類(lèi)負責啟動(dòng)MPlayer，并控制視頻顯示到正確的位置。

溫度時(shí)間顯示區域是在TimeView類(lèi)和temperatureView類(lèi)中實(shí)現。TimeView類(lèi)的成員函數getCurrentTime()通過(guò)調用動(dòng)態(tài)鏈接庫的C函數getpcf8563Time(pcf8563_time*pTime)來(lái)讀取掛在I2C總線(xiàn)上的時(shí)鐘芯片的時(shí)鐘信息，并將其顯示在正確的區域上。

temperatureView類(lèi)主要用于顯示溫度數據，而真正獲取溫度數據的過(guò)程是在TemperatureHandler類(lèi)中實(shí)現的。開(kāi)辟一個(gè)新的線(xiàn)程，通過(guò)定時(shí)器3每隔500 ms在槽函數readData()中調用一次動(dòng)態(tài)鏈接庫的C函數therm_dsl8b20(long*date)來(lái)讀取溫度傳感器的數據。

temperatureThread=new QThread(this); //開(kāi)辟新線(xiàn)程

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

4 系統調試結果

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

結語(yǔ)

本文對基于Raspberry Pi并利用Qt5編程來(lái)實(shí)現的電梯彩屏顯示系統進(jìn)行了闡述。首先介紹了整個(gè)系統的構架;接著(zhù)在接口轉接板子系統中介紹了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)鐘芯片的數據為例;最后根據解析、讀取的數據利用Qt5編程實(shí)現了電梯彩屏顯示系統。本文對傳統的LED點(diǎn)陣列電梯顯示系統提供了有效的改進(jìn)方法，改變了其單調的顯示方式，成本低廉，更具商業(yè)價(jià)值。