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关键词： CPS   概念   博大   思维形式   智能制造   计算机系统   嵌入式系统   物理系统   智能系统   美国国防部  

摘要： CPS的概念辨析CPS是一个既可以非常博大、也可以非常渺小的概念,中国对CPS的认识刚刚开始。我个人认为:对一个人类社会来讲,虚拟经济是赛博,实体经济是物理,两者相得益彰,任何一方过于强大,都会出现问题。就像一个人,也是一个完整的赛博物理系统,人的思想和大脑是赛博,人的身体和行为是物理,人的大脑和思想控制人的身体和行为。如美国的天才人物霍金,赛博大脑远远超越物理身体,显然是有缺陷的。如果一个人有着强壮的身体,而大脑有缺陷,也是不完整的人。因此,保持赛博和物理的均衡,是一切智能系统的重点。

关键词： LED智能照明   Android   ARM   ZigBee   嵌入式系统  

摘要： 随着物联网技术和计算机技术的快速发展,以及人们生活环境的改善,人们对于照明系统的需求不断增加,传统照明系统由于能耗较高、功能比较单一、控制方式非常落后而难以迎合人们的现代化需求,所以,以高效、舒适、绿色、环保、便捷、多元为主要特点的新型照明系统是未来的发展方向。LED智能照明系统正是顺应这种新型照明技术发展的趋势,有着不可比拟的优势和良好的应用前景。本论文研究了基于Android的ZigBee网关及LED智能照明控制系统。该系统通过结合Android技术、ZigBee无线技术、Android移动设备和LED智能照明灯具。实现移动终端控制LED照明灯具,并通过对LED照明进行改善来实现二次节能。总的来讲,本文的主要内容有:1、ZigBee网络技术。在本研究当中,所设计的LED灯具主要使用ZigBee网络技术来进行数据传输,而使用的控制芯片主要是德州仪器制造的CC2530芯片,同时借助Z-stack协议栈的相关概念与ZigBee2007协议来开展程序开发工作。在ZigBee节点上通过PWM调光方式调节各个LED之间的光通量来控制采用混光方式的LED灯具,同时能够对LED灯具数据进行采集和传输。2、建立在Android基础上的ZigBee网关技术。本研究对Android对应的系统应用技术、网络编程技术等进行分析,然后借助ARM来充当ZigBee网关微控制器,移植Android操作系统,串口、Socket以及多线程编程,开发出基于Android的ZigBee网关。ZigBee网关在串口的作用下,可以和ZigBee协调器之间进行信息传递,同时在Android控制系统、TCP/IP协议、上位机等的配合下,确保互联网与ZigBee网络之间信息的有效传递。3、Android控制系统。在对Android技术进行深入分析的基础上,设计了Android控制系统软件基础方案,同时开发出相应的控制系统,该系统能够以人性化的方式来满足使用者的各项操作,最终满足移动远程客户的照明需求,并且通过对LED灯调节色温验证Android控制系统的准确性。

关键词： 紫外可见光谱仪   ARM   嵌入式系统   S3C2440   μC/OS  

摘要： 光谱是一种图谱,而这种图谱由复色光被色散系统分光后变成一系列按自身波长大小排列的单色光组成。目前,它是一种被广泛应用于研究物质的化学成分的有力手段。近年来随着科技发展,光谱分析仪器的出现给物质化学结构的光谱分析提供极大的帮助。其应用范畴覆盖了如医药领域、化工原料领域、材料科学、以及天文学等邻域。由于市场上假酒、假奶粉等假冒伪劣产品事件的频频发生,简单易用方便携带的物质分析仪器成为了人们生活中的必备品,目前小体积、智能化以及方便携带的光谱仪正逐步进入民用市场。本次课题以实验室自主研制的紫外可见光谱仪为研究对象,利用以ARM为核的微处理器,研究并开发了紫外可见光谱采集系统的人机交互界面,从而满足操作简单、便携的要求。论文主要进行了以下方几面的研究工作:查阅大量资料、文献,了解光谱仪器的发展历史以及目前的应用前景;借鉴TQ2440开发板结构,分别对试验中所需要的硬件电路进行裁剪,设计了S3C2440电路板。并绍了光谱采集系统的各硬件组成结构和功能,并对S3C2440电路板和光谱采集系统的对接进行介绍说明;借鉴目前比较流行的bootloader、Linux、根文件系统、GUI的策略,定制了一种uboot、μC/OS-Ⅱ、μC/FS、μC/GUI的开发方式对其进行深入学习研究;查阅μC/FS、μC/GUI的使用手册和具体实例,编写光谱采集系统的上层软件即人机界面,从而实现整个便携式紫外可见光谱仪的开发。

关键词： GPRS   μC/OS-III   嵌入式系统   低功耗  

摘要： 为了实现数据的远程无线采集和传输,满足不同环境下的数据采集需求,本课题设计了一款基于GP RS无线通信网络技术的远程数据采集传输模块。本模块可以实现对模拟信号以及数字信号脉冲量等数据的远程采集,然后利用GPRS无线网络或者以短消息的方式对数据进行实时上传,并可以选择将数据上传至服务器或者是用户手机。本设计可实现数据的自动采集、处理和无线传输工作,无需人工干预。通过对本设计的应用,可以大大减小远程数据采集的难度和成本。通过对用户需求的分析以及对国内外同类型设计的研究,本课题采用电池供电。为了保证系统续航能力,在设计时充分考虑了整机功耗的问题,通过低功耗技术的研究和系统功耗分析,对硬件系统各个模块进行低功耗处理。同时,利用微控制器实现对硬件部分的电源调度以及对系统工作频率动态管理,达到最大限度降低系统功耗的目的。结合芯片手册和相关技术文献,对方案可行性进行论证分析,给出了系统实现的具体方案。从产品低功耗要求出发,嵌入式微处理器选用32位的低功耗AR M作为系统的主控芯片,并选择植入μC/OS-II I操作系统,大大地增强了系统的可控性和可操作性;无线通讯模块选用希姆通公司的S IM800C GP RS无线收发模块,利用GPR S网络,基于T CP/IP协议对数据进行远程传输。在软件实现方面,本文给出了系统进行数据采集处理、传输、检测以及功耗调理等不同操作时的设计思路和具体实现流程。通过软件对系统各个不同模式的实时切换以及对不同工作模式下系统工作频率的动态管理,使得系统整机功耗得到了更进一步的下降。本设计在电源管理部分添加的针对锂原电池的预警功能,是在前人设计中从未出现过的,该功能不仅可以实现对电池断电的预警,更可以为系统持续续航,减少电池更换周期造成的数据丢失。硬件平台的搭建工作以及软件的编译工作完成以后,对系统进行了调试以及功能性和技术指标的测试。通过对测试数据的分析,证明本设计能够满足用户功能上的需求,在技术上也达到了对技术指标的预期。同时,通过对系统功耗的测试和与之前的同类设计进行对比,系统在功耗方面优于绝大多数同类产品。最后,由于整个系统采用了模块化的设计方法,极大的增加了系统的通用性和可移植性,对其他类似模块的开发具有参考意义。

关键词： 空气污染监测系统   嵌入式系统   四旋翼无人机   自抗扰控制算法  

摘要： 环境污染特别是空气污染是全球面临的严峻挑战。为了获取空气污染物的分布规律及控制情况,人们已经研究了多种空气污染监测技术手段,大部分监测手段都是基于固定监测站进行监测的,这些监测手段不够灵活且监测点规划复杂。由于无人机具有可悬停、无人驾驶、体积小、噪声小、控制灵活方便等优点,利用无人机搭载空气污染检测设备能够快速找到污染源,灵活地完成监测任务。因此,为了实现对空气污染的快速定位与灵活监测,本文对无人机机载的嵌入式空气污染监测系统展开研究,这对我国的空气环境监测,特别是应急监测或突然检查有着重要意义。本文的研究内容主要包括两部分:监测系统和无人机机载平台。监测系统包括机载监测端和地面显示端。机载监测端负责检测三种空气污染气体浓度、粉尘浓度及温湿度,并对监测区域进行定位,然后基于3G通信技术将检测数据和定位信息传送到地面显示端;地面显示端是利用Qt在PC机上实现的显示平台,运用Qt的多线程技术和QTCPSocket网络通信技术接收并存储监测端传回的数据,然后将这些数据以一定格式显示到Qt/GUI界面上,提供了友好的人机交互功能。在硬件设计方面,本文采用ARM9控制器S3C2440A控制各个传感器检测模块、AD转换模块、GPS定位模块以及3G网络通信模块。在软件设计方面,本文采用Linux系统管理各传感器检测软件、3G网络通信软件和GPS定位软件,并设计了显示端的数据接收、存储和显示软件,从而完成了整个监测系统的设计。为了保证无人机能搭载监测系统并平稳飞行,本文研究了四旋翼无人机的工作原理和动力学模型,通过研究并对比PID控制算法和自抗扰控制算法在四旋翼无人机飞行控制中的控制效果,仿真结果表明在稳定性、快速性及抗风干扰能力方面,自抗扰控制算法要比PID控制算法更具优势,从而选定自抗扰算法为本文无人机机载平台的控制算法,进而研究了基于自抗扰控制器的机载平台飞行控制系统,使得机载平台能稳定飞行,快速调整姿态,保证机载平台能配合监测系统完成空气污染监测任务。

关键词： 无人飞艇   数学模型   自抗扰控制   嵌入式系统   QT图形界面  

摘要： 飞艇是一种利用空气浮力升空飞行的飞行器。与其他飞行器相比,飞艇具有制造成本低、滞空时间长、低能耗、操作简单等优点,且容易实现垂直起降和定点悬浮。目前,大部分应用的飞艇都是人工驾驶或者遥控操作,这种驾驶方式极大地限制了飞艇的飞行环境和飞行条件。随着无人航空时代的到来,无人飞艇良好的应用价值使其成为了无人航空家族研究的热点。本文以小型中低空软式无人飞艇为研究对象,根据飞艇的运动特性和控制的需求分析,利用自抗扰控制技术和嵌入式技术,分别从控制和软硬件方面设计了无人飞艇控制系统的总体方案。首先,对飞艇的运动特性和受力进行分析,建立飞艇的六自由度非线性数学模型,通过小扰动法,对飞艇的数学模型进行线性化,并解耦成横向和纵向两个控制通道。在飞艇的横向和纵向通道上,使用运动模态的分析方法,分别将飞艇运动看作成三种运动模态的叠加,分析飞艇运动的特点。根据飞艇横向和纵向运动特点的不同,分别设计自抗扰控制器(ADRC),在无干扰和有干扰条件(基本风、风切变和随机干扰)下进行MATLAB仿真,并与常规PID控制技术对比,验证了自抗扰控制技术的控制效果及其良好的抗干扰性。在软硬件上,以S3C2440A为主处理器,根据飞艇控制的需要选取器件,设计相应的电路,构造飞艇控制系统的硬件系统。以嵌入式Linux系统为软件基础,通过模块化设计理念设计了整个软件系统。以3G通讯技术为信息传输方式,设计了飞艇的信息传输通道,并使用QT图形界面编程设计了PC上位机图形交互界面,实现飞艇数据信息的共享与传输。

关键词： 肺癌标志性气体   差值图谱   模式识别   嵌入式系统  

摘要： 近年来,肺癌已经是一种常见的癌症疾病,威胁着人的生命健康。随着国内空气环境的不断恶化,沙尘暴、雾霾天气出现增多,肺癌发病人数也明显增加。肺癌在早期阶段被确诊并积极进行手术切除治疗可以提高患者的生存率,而目前临床上缺乏无创、低成本、快速的肺癌检测设备。基于卟啉传感器的呼吸气体肺癌检测系统,能够通过患者的呼出气体与传感器阵列响应的差值图谱实现肺癌的无创、快速筛查。差值图谱是判别不同肺癌标志性气体种类和浓度的关键,因此能够设计一种以差值图谱为依据实现不同肺癌标志性气体定性和定量的模式识别算法,具有肺癌早期临床筛查的潜在应用前景。本文基于呼吸气体肺癌检测系统输出的差值图谱,结合模糊评判准则与模板匹配识别,设计实现了对不同肺癌标志性气体的种类识别算法,并加载到嵌入式肺癌检测设备中应用。在定性识别后,提取差值图谱中敏感点上颜色属性相关的特征分量对气体浓度定量识别进行探索,分析特征量与浓度之间的关系,采用不同的识别方法进行肺癌标志性气体浓度的识别。具体研究工作如下:(1)结合模糊隶属理论与模板匹配,利用传感器阵列中卟啉单元的动态响应曲线确定不同肺癌标志性气体响应的敏感点个数及位置,生成模板图谱,然后将待测图谱与模板图谱逐点进行加权模板匹配,通过相似度量,确定待测气体的种类。(2)对不同肺癌标志性气体及肺癌患者呼出气体实例进行识别,并与传统的聚类分析识别结果进行对比,结果表明,本文设计的定性识别算法具有较好的识别效果,较低的检测限,并实现了肺癌患者呼出气体与健康人的呼出气体的区分。(3)基于嵌入式呼吸气体肺癌检测系统搭建了以Linux为操作系统,以Qt-Creator为集成开发平台实现了定性识别软件,将算法加载到软件的图像处理部分实现肺癌标志性气体种类识别及显示。并成功移植到嵌入式设备并运行。(4)在确定气体种类以后,提取肺癌标志性气体响应敏感点上与颜色属性相关的特征分量,对浓度定量识别进行探索。对阵列图像进行图像预处理、二值图像投影、网格划分等处理,提取敏感点上与颜色属性相关的色调和饱和度特征分量。分析浓度与特征量的关系,采用判别分析、支持向量机、BP神经网络对特征量进行识别。识别结果显示支持向量机具有较好的识别效果,且该算法优于判别分析,BP神经网络分析结果表明提取的特征量对浓度的识别误差在可以允许的范围内。

关键词： 道路交通标志   目标检测   HU不变矩   嵌入式系统  

摘要： 社会经济的快速发展情况下,交通工具的数量和种类也越来越多,从而道路上频繁出现交通阻塞,同时发生交通事故概率也在不断增加,因而不仅要对道路交通进行合理管理还要增加对交通安全问题的重视。智能交通系统(Intelligent Transportation System,ITS)是利用信息技术知识和控制技术知识等设计的一款系统,可以解决城市交通问题。它可以运用在道路交通的合理管理方面,使运输系统更安全。道路交通标志识别系统可以自动识别出道路上交通标志的具体信息,它是ITS的重要组成部分,在辅助驾驶、自动驾驶、交通标志维护等多方面具有重要作用。现阶段,机器视觉技术日趋成熟,同时嵌入式系统越来越完善,使得更多的学者开始对道路交通标志识别系统进行研究。本文主要对交通标志的检测和识别算法进行研究,并基于ARM微处理器实现。在交通标志检测方面,为了快速、精确的定位出交通标志,首先提出了一种基于在HSV颜色空间中进行阈值分割与形态学操作相结合的交通标志检测方法,并通过实验验证该方法可行且增加了一定的准确率,然后结合交通标志的形状特性精确定位出交通标志。在交通标志识别方面,针对嵌入式系统的实时性要求,提出了一种基于区域限制的HU不变矩的交通标志识别算法。算法通过限制交通标志图像的区域消除了图像部分噪声,同时明显提高了计算效率。系统设计方面,进行了嵌入式Linux系统的搭建、交叉编译环境的搭建以及Linux内核的移植,在嵌入式平台上利用OpenCV函数库进行了交通标志识别软件程序的编写,成功的实现了交通标志识别系统。

关键词： 下肢外骨骼机器人   控制系统   手控器   主控制器   嵌入式系统  

摘要： 下肢外骨骼机器人是一种帮助偏瘫患者逐步恢复和重建行走能力的机器人,是机器人技术应用于医学领域的新产物。下肢外骨骼机器人可以解决传统康复技术所带来的弊端,拥有康复过程多样化、程序化等优点,并且可以记录详实的步态等康复数据,易于评价患者的行走康复水平。本课题自主研发的下肢外骨骼机器人是一套便捷的可穿戴可控机器人系统,它集嵌入式技术、机器人控制学和仿生学一体。本文以下肢外骨骼机器人为研究对象,采用手持控制器作为上位机、主控制器作为下位机的主从式结构控制系统设计方案,为用户提供友好的操作体验的同时实现优越的控制性能。手控器和主控器都采用运算性能和图形处理性能优越的ARM9系列S3C2416作为核心处理器,再添加外围电源电路、RS-232串口通信电路、网络通信电路以及矩阵键盘电路等,构成控制系统的硬件平台。为了保障手控器的控制命令能快速准确地发送给机器人,设计了主控制器与手控器、主控制器与机器人两部分通信协议,数据以固定的格式进行传送,同时设计了抗干扰机制来提高通信的稳定性和可靠性。主控制器是面向外骨骼机器人,软件部分采用多线程嵌套有限状态机的复合式程序架构,前台主程序完成系统信息查询、数据更新、判断机器人安全状态等,后台线程嵌套有限状态机实现手动操作、自动操作和参数配置三种工作模式保障机器人安全有序进行康复训练。手控器面向用户,开发了基于嵌入式Win CE系统和Android系统两款应用程序,都具有简洁、友好和具有引导功能的人机界面,能实现权限管理、操作管理、参数配置、程序示教、状态信息监控和异常告警功能,提升了用户操作体验。最后,通过控制系统测试验证了系统的有效性和可靠性。

关键词： 冲床自动送料机   机器视觉   装载问题   嵌入式系统  

摘要： 冲床压力机在工业生产加工中使用广泛,传统的冲床生产依靠人力,实行手工送料和生产,不仅危险性较高,生产效率和原材料利用率也难以得到保证。冲床自动送料机的出现改善了这样的状况,但是它的设计仍存在着诸多问题,这些问题主要体现在,图像处理存在误差、套料效率低下和成本过高。本文的研究旨在改进这三方面的不足之处。首先,原冲床自动送料机的图像处理使用标记点,在运行期间确定拍照工作平面。本文重新设计了冲床自动送料机图像处理的方案,在安装期间用标定板确定拍照平面,提高了图像处理精度;其次,原冲床自动送料机对各种工件的套料都使用统一的处理方式,本文对工件类型进行类型划分,实现了对冲床自动送料机套料的针对性优化,一方面节约了套料的时间,另一方面提高了原材料的利用率;最后,本文设计了嵌入式机器视觉系统,替换了冲床自动送料机的工业相机,大大降低了生产成本;嵌入式机器视觉系统同时分担了工控机的运算任务,为替换工控机提供了可能。本文设计的方案经过验证,改善了冲床自动送料机生产效率,提高了原材料的利用率,压缩了成本,达到了预期的设计目标。这些改进结果不仅对于冲床加工,而且对于工业自动化生产作业都有着积极的现实意义。