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关键词： 智能终端   嵌入式系统   换热站   模糊PID   人机交互  

摘要： 近几年来,集中供热行业蓬勃发展,已经成为我国北方城市主要的供暖方式。但供热行业在造福人类的同时,也在快速地消耗能源和污染环境。换热站作为集中供热的核心部分,承担着热源与热用户的热量交换,换热站控制器的优劣直接影响这个供暖系统的供暖效果和热用户的体验。因此如何实现换热站的自动调节和节能控制并保证供暖系统的高效率,低成本和高可靠性运行成为供热系统的研究重点。本文以小区换热站控制器改造为背景,设计了一款可全面监控小区供热管网运行工况并且能够根据供热管网运行状况,对管网中水泵或阀门等器件进行控制的换热站智能终端。采用嵌入式系统设计主控制器、分控制器、输入输出模块,通信模块和摄像模块,采用组态软件设计人机界面,将主控制器与人机界面集成在一起,实现包括人机交互、参数设定、数据存储、策略控制、数据显示及查询功能。分控制器实现与主控制器和下层采集板通信和配置以及对供热管网的控制。输入输出模块包括数字接口扩展板和模拟接口扩展板,每种扩展板均包括输入和输出,通过RS485总线与主控器通信。通信模块采用以太网和RS-485通信模块实现数据传输。软件设计方面使用功能模块化思维实现主控模块,分控模块,输入输出模块,通信模块以及控制算法的程序设计,并使用组态软件对人机交互界面进行设计。换热站智能终端控制算法采用模糊算法实现对传统PID算法的优化,并使用MATALAB软件中SIMULINK仿真验证优化后的算法相比传统算法的优越性。仿真结果表明系统采用的模糊自整定PID算法对温度变化有较强的适应性和鲁棒性。本文所设计的换热器智能终端基于嵌入式系统实现了对供热机组的智能控制,相对市场上现有产品对控制终端的结构进行了优化设计,增加了远程通信传输及摄像拍照功能,在控制成本的前提下,实现换热站终端的各种功能。本换热站智能终端已投入小区换热站正常使用,该系统经过一个供热季的试运行,经历升温、恒温、调整、降温整个周期,目前运行情况良好,满足换热站实际供热和节能需求。

关键词： 嵌入式系统   光电传感器   溶液浓度检测技术   丁达尔现象   智能仪器  

摘要： 科学技术发展伴随着对自然资源开发,其中浓度检测在水资源勘探、环境监测和科学研究等领域具有重要的意义。目前,国内外液体浓度测量技术已较为成熟,但这些方法及设备因环境限制大都适用于实验室,难以带到野外进行实地考察测量。本课题来源项目中涉及到性质不稳定胶质溶液的浓度测量,实地取样后无法长时间放置携带到实验室进行测量,因此需要设计一款便携式胶体溶液浓度测量仪器,满足野外实地测量需求的基础上,提高户外测量的时效性以及准确性。此研究主要针对野外胶体溶液的浓度测量,胶体溶液具有丁达尔现象,并且丁达尔现象会随胶体溶液浓度的改变而发生变化。光源信号恒定的条件下,丁达尔现象光路光强度与胶体溶液浓度呈现一定的相关性,因此可通过检测丁达尔光路的光学特性计算出丁达尔强度,从而获得胶体浓度参数。项目组前期成员以图像传感器为元件测量丁达尔强度,计算胶体溶液浓度,并取得一定研究成果。为提高仪器测量精度以及实用效果,本文使用光电传感器进行丁达尔强度测量,通过记录大数量不同浓度胶体溶液的丁达尔强度,建立其与胶体溶液浓度之间的关系模型,并使用一定范围内梯度稀释试样对模型系数进行校正确定,最终通过丁达尔强度计算出胶体溶液浓度;根据项目需求设计便携浓度自动测量仪器:仪器可在步进电机的控制下将待测量试样运作到适当测量工位,半导体激光光源在驱动控制电路下,输出波长650nm、功率10m W的红色激光源照射试剂瓶,使用2DU6硅光电池传感器与OV5640图像传感器在与光路垂直方向上采集丁达尔光路信息。此次研究完成了“便携式胶体溶液浓度测量仪器”的设计与制作,使用STM32H743ZIT6为核心处理器,采用USART HMI显示屏,并在STM32H7**库函数支持下独立编写仪器软件。最后,本文利用所设计仪器进行胶体溶液浓度测量实验,验证测量方法的可行性及准确性,并使用两种不同的胶体溶液分别对两种方法测量结果进行比较。实验样本选择浓度为5.518×10-5g/ml的纳米金胶体溶液与浓度为2.230×10-2g/ml的氢氧化铁胶体溶液,定量梯度稀释后得到20种不同浓度试样。针对因操作引起的误差,实际测试时,独立配置5组溶液,分别测量丁达尔强度后利用最小二乘法对数据进行回归分析,建立丁达尔强度与浓度之间的关系模型,并用所建立模型计算浓度。实验结果表明,该仪器能够实现实时胶体溶液浓度的测量,不受外部环境影响,满足实地取样后即取即测需求。并且在所选定浓度范围内,相对于图像传感器,使用光电传感器时测量精度得到提升,测量误差稳定控制在预期范围内。

关键词： 单边带相位噪声   嵌入式系统   快速傅立叶   频谱校正   赤池信息准则   伯格算法  

摘要： 频率源是交通工具雷达系统和卫星导航系统中的关键组件,其性能直接影响雷达、卫星导航各项指标好坏,因此,进行短期频率稳定度(即相位噪声)测量是射频微波设备研究和开发中不可忽视的重要环节。现有相位噪声测量系统存在设备体积较大,成本较高且测量效率较低等问题,针对以上问题,本文设计了一种基于嵌入式技术的相位噪声测量系统,支持多路输入,小型便携,成本较低,满足大工业生产测试需求。主要研究内容如下:(1)相位噪声测量依据。提出时间间隔转化为噪声电压的方法,将相位起伏变化转化为电压信号进行处理,利用噪声电压进行功率谱估计,并根据单边带噪声定义实现相位噪声测量。为验证时间间隔转化为噪声电压方法的可靠性,本文利用MATLAB进行仿真分析,采用快速傅立叶和自回归模型对噪声电压进行功率谱估计,其中,快速傅立叶算法估计功率谱时产生严重的频谱泄露,为提高方法准确度,本文采用FFT+比值法和FFT+FT细化法进行频谱校正,对于100k Hz的输入信号,两种频谱校正方法分别将幅值误差降低了14%和13.87%,频率误差达到0.0049%和0.0072%,分辨率大大提高。用自回归模型进行功率谱估计时,采用赤池信息准则确定模型阶数,避免虚假谱峰影响,并利用伯格算法提取模型参数,实现相位噪声功率谱估计。(2)相位噪声测量系统设计。硬件采用FPGA+ARM结构,对电源模块、时间间隔测量模块、数据传输模块以及显示模块进行设计,实现高速实时数据采集及缓存;软件采用Qt Creator信号与槽机制设计显示界面,通过C++语言编程实现相位噪声测量功能。(3)相位噪声测量实验。采用中直检测法剔除异常时间间隔数据,根据时间间隔--噪声电压转换方法获取噪声电压,再采用FFT+比值法和自回归模型法分别估计相位噪声功率谱,实现单边带相位噪声测量。此外,单次测量往往存在随机性,多次测量虽会导致系统响应时间长,但精度更高,综合考虑,本文对不同偏载频范围进行5～80次阶梯测量并取其平均值为测量结果。利用本系统和PNT8010A相位噪声分析仪分别对恒温晶体振荡器进行相位噪声测量,分析测量结果可得:PNT8010A从偏载频1Hz到1k Hz下降53d Bc,FFT+比值法与自回归模型测得的相位噪声从1Hz到1k Hz分别下降了51d Bc和50d Bc,误差范围在5d Bc以内,验证方案了的可靠性。

关键词： NB-IoT技术   安防   环境监测   嵌入式系统   异常报警  

摘要： 随着社会经济的发展和生活水平的提高,人们对居住环境的安全性要求越来越高,对小区环境实施安全监测刻不容缓。传统的小区安防和环境监测系统多采用4G、3G、WLAN等通信技术,但存在功耗较大,通信距离有限、过多占用小区基站资源等缺点。随着通信技术的发展,NB-IoT(窄带物联网)技术由于具备低功耗、广覆盖、大连接等特点可以在小区安防监控得到广泛应用。因此本文设计一种基于NB-IoT的小区安防与环境监测系统,这对提高小区群众生活质量和提升居民幸福指数有着重要的意义。本论文针对当前城市小区内的安防与环境监测问题,结合目前安防与环境监测技术的发展状况,在研究了系统的功能和性能需求分析、整体结构设计和服务器端功能设计之后,采用嵌入式系统开发技术、人脸识别技术、NB-IoT通信技术以及应用程序开发技术等,设计并实现了基于NB-IoT的小区安防与环境监测系统。系统在设计时采用基于S3C6410处理器的人脸识别模块,采取仅上传识别结果的方式来防止业主隐私的泄漏;选用STM32F103处理器和各种环境信息传感器进行硬件设计从而对温湿度、有害气体浓度、PM2.5浓度等进行实时采集,并通过NB-IoT模块进行数据传输;经过云平台的数据转发之后,通过使用SpringBoot+Maven+Eclipse Mars2+MySQL的架构对服务器端进行设计,实现对数据信息的实时接收、显示和异常报警功能;移动手机终端采用基于Android系统进行开发,实现对服务器端的数据信息接收和显示等功能。通过不同时间段、不同的天气状况下对系统进行测试,测试结果显示,安防与环境监测系统能够长时间稳定运行,并能够实现对各项环境参数数据的实时采集与传输。通过对系统采集到的环境信息数据与仪器测量值对比,温湿度数据误差均在3%以内,烟雾浓度和PM2.5浓度数据误差均在5%以内。通过测量系统采集和传输数据的时间,平均响应时间均在2s以内。

关键词： 电动自行车   安全充电   嵌入式系统   支付系统  

摘要： 随着我国经济的发展以及人们环保意识的提升,电动自行车成为人们生活中重要的交通工具。据相关部门统计,近些年来中国电动自行车行业迅速发展,不仅电动自行车产量每年都在大幅度增加,而且电动自行车的全社会持有量也不断增长。但充电系统的发展速度远没有跟上电动自行车的发展速度,在我国最常见的电动自行车充电系统的工作流程为:设置充电时间-投币或手机扫静态二维码-进行充电-充电时间结束。充电方面:不仅缺少对整个充电过程的检测,也缺少对意外情况的处理能力,致使充电触电、充电火灾等事故频发。支付方面:投币支付存在触电风险,手机扫静态二维码支付在个人隐私以及财产方面也存在隐患。因此需要设计一套电动自行车安全充电系统。本文以电动自行车充电为研究对象。针对现阶段电动自行车充电设备的缺点以及电动自行车充电的需求,结合相关文献的查询以及知识的积累,设计了一套电动自行车安全充电系统。充电系统以LPC54114J256BD64作为硬件平台,采用高精度计量芯片RN8209C采集实时电流、电压,通过以太网的方式组网,通过C/S以及B/S的架构实现实时通信和后台界面的展示;支付系统以NXP ***6UltraLite为硬件平台,基于Linux系统平台,实现Ml卡支付功能、二维码识别功能、液晶显示功能以及电容触摸按键功能。本文设计的电动自行车安全充电系统,符合T/SQICA001-2018标准,有效的解决了电动自行车充电期间存在的一些安全方面的问题。此系统经过大量测试与改进,已在本城市投入使用。

关键词： 无人机   嵌入式系统   可信软件架构   内核级单元测试   树莓派  

摘要： 随着无人机的广泛应用,无人机坠机事故也不断发生,无人机系统的安全性问题日益受到人们的重视。传统的无人机系统以宏内核的方式实现,这种将所有程序写入一个复杂进程的系统存在程序耦合度高的情况,这不仅不利于开发人员排查系统漏洞和扩展新功能,同时此类系统可能会因为局部程序的漏洞而宕机。因此如何保证无人机系统的可扩展性与可靠性,满足人们对嵌入式无人机的功能需求是本文主要研究的问题。本文结合单元测试方法和操作系统微内核结构,实现了一套自底部硬件驱动到用户软件进程的无人机系统软件架构。该架构采用了与耶鲁FLINT实验室共同开发的微内核作为系统软件体系的中间层,将嵌入式系统的硬件驱动和用户进程安全隔离。在此基础上,本文首先对合作开发的微内核进行适配,并在ARM架构的树莓派平台上拓展飞行控制相关的传感器驱动。随后,为了实现无人机飞行控制功能,本文利用静态优先级调度机制,实现在多核并行状态下的进程调度。相较于搭载宏内核的无人机系统,本文实现的系统的模块化程度更高,一方面能降低拓展外部硬件及相关功能模块的难度,另一方面避免因局部程序错误导致系统瘫痪的情况。此外,本文还摸索出嵌入式系统软件测试的高效测试流程,利用仿真软件提高对目标机程序的调试效率,最终实现了基于源码的嵌入式系统内核级单元测试和测试插装。最后,本文测试了无人机系统架构的基本功能和飞行控制的相关进程。研究表明,系统的内核通过了单元测试内核中导致系统异常的系统漏洞被清除,其可靠性得到了验证;同时得益于微内核的结构,用户层代码在调用内核功能模块时未出现较高延迟,无人机进程对系统实时性的要求得到了满足。

关键词： 加速度   Linux   嵌入式系统   mma8653   设备驱动  

摘要： 针对许多导航系统中要求得到准确而高效的加速度测量的问题,文章从设计准确度和效率的角度出发,结合Linux设备驱动模型、嵌入式系统I2 C总线工作时序、Linux系统中的中断和等待队列机制,提出了一种在Linux系统下利用基于I2 C总线的三轴加速度传感器mma8653而设计的设备驱动。实验结果表明,所设计的设备驱动准确可靠,具有较高的应用价值。

关键词： 高压巡检机器人   视觉导航   目标检测   目标定位   嵌入式系统  

摘要： 高压输电线路是现代工业社会和国民生活的生命线,它的正常与否事关国民生计和社会安定。然而,远距离输电的方式和特殊环境不可避免的会引起线路故障,造成极大的生命财产损失。因此,对高压电力线路实施定期巡检成为输电部门的一项必要工作。巡检机器人的研制为电力巡检工作提供了新的解决方式,巡检机器人研究的重难点在于其自主导航系统的设计。本课题针对高压巡检机器人视觉导航系统开展研究,研究重点在于视觉导航算法的设计,有望实现高压巡检机器人沿线自主不间断工作,并可依靠携带的远程通信设备,时刻与远程地面基站保持联系。首先,针对现有高压输电线路巡检机器人视觉检测算法存在的检测准确率低、抗干扰能力弱、小目标检测效果差等问题,提出了一种基于多项式函数曲线拟合的最近邻加权灰度均值算法,用于提取目标感兴趣区域（Region Of Interest,ROI）。实验结果表明,算法具有极大的ROI提取精度。其次,针对传统目标检测算法存在人工参与多、特征提取复杂等问题,基于YOLOv3目标检测框架,删除部分网络层数,用Focal Loss改进原损失函数。实验结果表明,算法在运行速度显著提高的基础上,极大地提高了对正样本的识别率。再次,为了解决当前目标定位算法抗干扰能力较弱、定位精度略低、先验条件过多等问题,提出一种基于线匹配的立体匹配算法,并通过距离约束条件与深度值的分布信息,剔除部分匹配点,获得了目标的加权平均深度。实验结果表明,定位算法具有很大的抗干扰能力,定位精度很高。最后,为了给视觉导航算法的运行提供嵌入式平台,根据视觉导航系统的需求,设计了高压巡检机器人视觉导航系统的嵌入式结构,编写软件程序使系统完成既定功能。

关键词： 果园机器人   嵌入式系统   路径规划   蚁群算法   路径跟踪  

摘要： 目前我国柑橘种植行业普遍采用人力劳作,人工成本较高,行业发展受阻,急需产业升级。随着农机装备智能化的发展,国内外众学者将机器人自主导航技术逐渐应用于果园生产,对未来果园的自动化、标准化运营有着重大意义。本文针对国内柑橘园的环境特点,与无人机测绘技术相结合,综合运用图像处理、智能控制、数据处理、MATLAB仿真等知识,对如何使果园采摘机器人快速、安全地完成导航任务这一关键技术问题展开研究。实现柑橘采摘机器人快速、安全完成导航任务的关键是如何构建柑橘园的环境地图,并结合地图研究机器人工作时的路径规划和路径跟踪控制。本文通过分析系统需求,构建机器人实验平台,并以此为研究载体,分析其运动学模型,推导平台航位推算公式和控制的运动学方程,由此设计PID控制器,控制其跟踪路径行走。由于我国柑橘园大多数处于山地丘陵区域,果园环境较为复杂,本文通过无人机测绘技术获取柑橘园图像后,结合现代图像处理技术,构建机器人工作环境模型,并通过仿真检验改进后的蚁群算法可行性,进而设计出合理的路径规划策略。深入研究嵌入式Linux,在将ARM-LINUX移植至实验平台后,结合模块化思维,完成柑橘采摘机器人行走控制系统的软、硬件模块设计,并通过实验检测控制系统有效性。仿真及实验分析表明,本文基于改进后蚁群算法的路径规划方法能够满足柑橘园环境下机器人的实际工作需求;设计的PID控制器能够输出占空比变化的PWM波调控电机运转,操控机器人跟踪路径;能够辅助导航任务,完成了山地柑橘采摘机器人行走控制系统的研发。

关键词： 智能云柜   自动分配   嵌入式系统   SpringBoot   Kafka集群  

摘要： 随着互联网的快速发展,“智慧法院”的进一步建设,如何利用互联网技术减轻法官的工作负担,以及提高无纸化办公效率成了法院互联网技术工作人员的关注目标。本文致力于减轻法官工作负担,建立法院智能云柜管理系统,旨在将法官从电子卷宗录入和文书打印之类繁杂的重复性琐事中解放出来。本文在智能快递柜的灵感驱动下,引入“智能云柜”概念,引入外包人员,旨在借助嵌入式系统云柜完成业务流程的变更,即法官通过本系统可完成网上业务预约,外包人员在系统内获取预约信息,双方将云柜作为文件存取的中转站,以便外包人员完成原属于法官的文书打印及电子卷宗扫描录入之类的工作,以达到减轻法官工作负担的效果。在文件流转的过程中,为了避免文件的缺失,引入“包”的概念,包为文件唯一标识,一件一包,便于管理。本文在内容上围绕法院智能云柜管理系统的研究过程进行展开,阐述了预约管理模块、数据显示模块、包业务管理模块、通知管理模块、存取管理模块以及系统管理模块的设计与实现。项目整体开发采用B/S架构。使用Dubbo分布式服务框架完成文书生成业务,使用消息中间件Kafka对预约记录流程状态变更进行分布式实现。前端使用Vue框架和Element UI完成交互性良好的页面设计;后端使用Spring Boot搭建项目框架;数据持久层使用Mybatis框架进行数据库访问;使用My SQL进行数据存储,在云柜存取子系统中使用嵌入式系统云柜,同时利用Redis进行数据的缓存处理以减轻数据库访问的压力。系统经过需求分析和概要设计,根据划分的模块进行详细实现和测试,最终完成符合实际需求的智能云柜管理系统。目前,此套云柜管理系统已在天津河西法院投入使用,经法院使用方反馈本系统运行良好,极大减轻了法官工作负担的同时,还在法院内部衍生出了外包业务,促进社会发展。