任慧，趙博，彭景

(1.中國(guó)傳媒大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,北京 100024；2.視聽(tīng)技術(shù)與智能控制系統(tǒng)文化和旅游部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024；3.現(xiàn)代演藝技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024)

1 引言

劇院是一個(gè)用來(lái)表演話劇、歌劇、歌舞等文化藝術(shù)活動(dòng)的場(chǎng)所，在文娛活動(dòng)演出期間，室內(nèi)舞臺(tái)設(shè)備和機(jī)械的運(yùn)行、相關(guān)人員的密集流動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致劇院室內(nèi)噪聲、溫度、相對(duì)濕度和二氧化碳等環(huán)境參數(shù)的變化擾動(dòng)。上述環(huán)境參數(shù)的變化會(huì)直接影響表演者的心理、身體狀態(tài)，觀演者的觀看感受，進(jìn)而影響整個(gè)劇院演出效果。為保障劇院的演出效果和觀眾的觀看感受，國(guó)家在《劇場(chǎng)建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 57-2016）中對(duì)劇院室內(nèi)的一些環(huán)境參數(shù)制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如在設(shè)有空氣調(diào)節(jié)的劇院內(nèi)，夏季室內(nèi)相對(duì)濕度應(yīng)在40%-70%之間，溫度應(yīng)在24 ℃-28 ℃之間，穩(wěn)定狀態(tài)下二氧化碳的允許濃度小于0.25%，對(duì)于升降樂(lè)池及臺(tái)口內(nèi)舞臺(tái)設(shè)備運(yùn)行時(shí)的噪聲，在觀眾席第一排中部應(yīng)小于60dB(A)。此外，對(duì)于目前配置復(fù)雜、規(guī)模大、精度高、高度集成化、自動(dòng)化和信息化的舞臺(tái)設(shè)備來(lái)說(shuō)，合適的劇院室內(nèi)環(huán)境是其安全穩(wěn)定運(yùn)行以及保證演出安全和人身安全的必要條件［1］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于劇院室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的測(cè)試只有單點(diǎn)、單一且非自動(dòng)、非實(shí)時(shí)的手持式設(shè)備，還未有綜合的多參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。因此，針對(duì)此問(wèn)題，本文以STM32F407ZGT6微控制器的主控電路、LCD液晶顯示觸摸屏、RS485通信接口、環(huán)境傳感器以及Modbus RTU通信協(xié)議、UCSOII操作系統(tǒng)、LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧等軟硬件為基礎(chǔ),研究設(shè)計(jì)了劇院觀演空間環(huán)境參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示，其工作原理是主控電路按照Modbus RTU通信協(xié)議與RS485通信接口相連的四個(gè)CO2、溫濕度一體化傳感器和四個(gè)噪聲傳感器進(jìn)行通信，RS485通信接口負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)主控電路的下傳命令和傳感器的上傳數(shù)據(jù)，主控電路收到由傳感器發(fā)送來(lái)的環(huán)境數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理和轉(zhuǎn)換，并將其顯示在LCD液晶屏上。屏幕共設(shè)置6個(gè)顯示頁(yè)面，第1頁(yè)為開(kāi)機(jī)界面，第二頁(yè)為劇院環(huán)境參數(shù)選擇頁(yè)面，其余4頁(yè)分別對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度、溫度、二氧化碳濃度和噪聲分貝值的界面顯示，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)不同頁(yè)面間切換。同時(shí)，主控電路可以通過(guò)以太網(wǎng)或串口（RS232標(biāo)準(zhǔn)）的方式直接或間接的將環(huán)境數(shù)據(jù)向上傳送給具有以太網(wǎng)接口的上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

圖1 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 主控電路設(shè)計(jì)

主控電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，STM32F407ZGT6是主控電路的核心，它是完全圍繞ARM Cortex-M4內(nèi)核構(gòu)建的微控制器，有著非常豐富的資源，如集成FPU和DSP指令、192KB SRAM、1024KB FLASH、12個(gè)16位定時(shí)器、位定時(shí)器、2個(gè)32位定時(shí)器、10/100M以太網(wǎng)MAC控制器、FSMC以及各種常用通信接口等，集高性能與低功耗于一身，從而為計(jì)算機(jī)應(yīng)用提供了很好的解決方案。

圖2 主控電路結(jié)構(gòu)圖

由于STM32F407ZGT6內(nèi)部存儲(chǔ)資源有限，且系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)需要移植UCOSII操作系統(tǒng)和LWIP協(xié)議棧，所以為了滿足系統(tǒng)的運(yùn)行內(nèi)存需求和字庫(kù)存儲(chǔ)，主控電路中加入了1MByte SRAM和128Mbit FLASH。同時(shí)為了方便下載程序代碼和調(diào)試，板載了SWD接口電路。

因?yàn)橹骺仉娐芬ㄟ^(guò)RS485接口與傳感器通信，并且可以將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行進(jìn)行集中管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，所以在設(shè)計(jì)主控電路時(shí)需要包含RS485接口電路和以太網(wǎng)接口電路，并且增設(shè)了一個(gè)RS232接口電路以增加數(shù)據(jù)傳輸接口的多樣性。

LCD接口用于外接顯示環(huán)境參數(shù)的LCD液晶顯示觸摸屏，觸摸控制顯示屏的翻頁(yè)，LED用于指示電源狀態(tài)和程序運(yùn)行狀態(tài)，引出的SPI、IIC等I/O口用于增加更多的外部設(shè)備。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 Modbus RTU通信協(xié)議分析

Modbus 是一種串行的、非同步的通訊協(xié)議和全球通用的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此協(xié)議無(wú)需特別的接口，典型的物理接口是RS485［2］。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其它設(shè)備之間可以通信，不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行集中監(jiān)控［3］。Modbus協(xié)議規(guī)定了主節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求的格式、功能碼、錯(cuò)誤檢測(cè)域等。

控制器通信使用主-從技術(shù)，即僅主設(shè)備能初始化傳輸（查詢），從設(shè)備根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。Modbus 協(xié)議建立了主設(shè)備查詢的格式：設(shè)備地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)、錯(cuò)誤檢測(cè)域。主-從查詢、回應(yīng)周期如圖3所示。

圖3 主-從查詢、回應(yīng)周期圖

RTU（遠(yuǎn)程終端單元）是Modbus的兩種傳輸模式之一，當(dāng)控制器設(shè)為在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU模式通信，消息中的每個(gè)8Bit字節(jié)包含兩個(gè)4Bit的十六進(jìn)制字符。其數(shù)據(jù)幀如表1所示。

表1 RTU數(shù)據(jù)幀

使用RTU 模式，消息發(fā)送至少要以3.5 個(gè)字符時(shí)間的停頓間隔開(kāi)始，在最后一個(gè)傳輸字符之后，至少3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓標(biāo)志著傳輸?shù)慕Y(jié)束。

整個(gè)消息幀的傳輸必須連續(xù)進(jìn)行。

標(biāo)準(zhǔn)的Modbus協(xié)議有兩種錯(cuò)誤檢測(cè)方法：奇偶校驗(yàn)和幀檢測(cè)（LRC、CRC），RTU模式下，消息幀包含了基于CRC方法的錯(cuò)誤檢測(cè)域，CRC域是兩個(gè)字節(jié)，是一個(gè)16 位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中，接收設(shè)備收到消息后重新計(jì)算CRC，并與接收到的CRC 域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

3.2 UCOSII操作系統(tǒng)與LWIP協(xié)議棧

3.2.1 UCOSII操作系統(tǒng)

本系統(tǒng)移植了UCOSII操作系統(tǒng)，UCOSII由Micrium 公司提供，是一個(gè)可移植、可固化、可裁剪、可固化、執(zhí)行效率高、占用空間小、搶占式多任務(wù)實(shí)時(shí)內(nèi)核，它適用于多種微處理器，微控制器和數(shù)字處理芯片，該系統(tǒng)源代碼開(kāi)放整潔、一致，注釋詳盡，適合系統(tǒng)開(kāi)發(fā)［4］。UCOSII最多可以管理60個(gè)任務(wù)，可以供用戶使用的任務(wù)數(shù)最多為56個(gè)。

UCOSII的軟硬件體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要分為應(yīng)用層、中間軟件層和硬件層，中間軟件層為UCOSII源碼內(nèi)容，移植工作需要結(jié)合其體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行，具體步驟為：移植準(zhǔn)備（基礎(chǔ)工程、UCOSII源碼下載）?在基礎(chǔ)工程中按圖4中間軟件層的分類建立UCOSII相關(guān)文件夾?UCOSII源碼分類存入文件夾?UCOSII有關(guān)文件加入到工程中?屏蔽ucos_ii.h 中 的app_cfg.h，添 加includes.h ?屏 蔽stm32f4xx_it.c 中的中斷服務(wù)函數(shù)SysTick_Handler、PendSV_Handler?開(kāi)啟sys.h中支持os的宏定義SYSTEM_SUPPORT_OS。經(jīng)過(guò)以上步驟，可完成UCOSII的移植。

圖4 UCOSII軟硬件體系結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 LWIP協(xié)議棧

LWIP協(xié)議棧是瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)院的Adam Dunkeis開(kāi)發(fā)的一個(gè)小型開(kāi)源的TCP/IP 協(xié)議棧，LWIP 是Light Weight(輕型)IP 協(xié)議，即可以運(yùn)行操作系統(tǒng)上，也可以運(yùn)行于無(wú)操作系統(tǒng)環(huán)境［5］。因?yàn)樗恍枰苄〉腞AM和ROM便可運(yùn)行，所以適合在中低端嵌入式系統(tǒng)中使用。LWIP提供RAW、SOCKET和NETCONN三種接口方式。本系統(tǒng)采用的接口方式為有操作系統(tǒng)的NETCONN API。

LWIP1.4.1版本的源碼內(nèi)容如圖5所示，其中src文件夾是移植的重點(diǎn)，該文件夾由api、core、include、netif四個(gè)文件夾組成。api文件夾里面是SequentialAPI以及Socket API兩種接口函數(shù)的源碼，core文件夾里面是LWIP內(nèi)核源碼，include文件夾里面是LWIP相關(guān)的頭文件，netif文件夾里面是與網(wǎng)絡(luò)底層接口有關(guān)的頭文件。

圖5 lwip1.4.1源碼內(nèi)容

有操作系統(tǒng)LWIP的移植步驟具體為：移植準(zhǔn)備工作（基礎(chǔ)工程、LWIP文件下載、ST以太網(wǎng)庫(kù)）?添加及修改ST以太網(wǎng)庫(kù)?添加網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序?LWIP數(shù)據(jù)包和網(wǎng)絡(luò)接口管理?添加LWIP源文件?添加及修改arch、lwip_comm等中間文件?LWIP源碼修改?LWIP的裁剪與配置。經(jīng)過(guò)以上步驟，可完成LWIP的移植。

3.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.3.1 UCOSII用戶任務(wù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了六個(gè)UCOSII用戶任務(wù)，任務(wù)參數(shù)如表2所示，其中TCPSERVER任務(wù)用于創(chuàng)建TCP服務(wù)器線程，LWIP_DHCP用于獲取動(dòng)態(tài)IP地址、子網(wǎng)掩碼以及默認(rèn)網(wǎng)關(guān)等，GET_DATA任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理、觸摸檢測(cè)翻頁(yè)、TCP傳輸數(shù)據(jù)處理等功能，TCP任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)LWIP初始化、TCP服務(wù)器初始化、DHCP任務(wù)等，LED任務(wù)用于檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行情況，START任務(wù)用于創(chuàng)建GET_DATA、TCP、LED任務(wù)。

表2 任務(wù)參數(shù)

3.3.2 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)首先進(jìn)行HAL庫(kù)、時(shí)鐘、延時(shí)、USART、USMART、LED、RS485、觸摸屏、外部SRAM、外部FLASH、內(nèi)存池等相關(guān)功能和外設(shè)的初始化，然后對(duì)UCOSII初始化，初始化成功后創(chuàng)建START任務(wù)，最后開(kāi)啟UCOSII。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 主程序流程圖

3.3.3 系統(tǒng)功能模塊程序設(shè)計(jì)

（1）基于Modbus RTU協(xié)議的RS485通信程序

根據(jù)Modbus RTU協(xié)議主設(shè)備的查詢格式，依次將設(shè)備地址、功能代碼、所有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)函數(shù)計(jì)算的校驗(yàn)值存入發(fā)送數(shù)組，在發(fā)送命令后，依據(jù)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度的不同分別將接收到的且校驗(yàn)無(wú)誤的溫濕度、CO2和噪聲數(shù)據(jù)存入不同的緩存數(shù)組。具體通信流程如圖7所示。

圖7 RS485通信流程圖

（2）傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理程序

八個(gè)傳感器的地址碼依次被設(shè)定為01H-08H，依據(jù)地址碼八個(gè)傳感器分別被編號(hào)為0-7，前四個(gè)為溫濕度、CO2傳感器，后四個(gè)為噪聲傳感器。當(dāng)傳感器編號(hào)小于4時(shí)，將獲取到的原始數(shù)據(jù)存入以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)組，將處理后的數(shù)據(jù)依次存入濕度、溫度、CO2和CRC數(shù)組，當(dāng)傳感器編號(hào)大于4時(shí)，將獲取到的原始數(shù)據(jù)存入以太網(wǎng)發(fā)送數(shù)組，將處理后的數(shù)據(jù)依次存入噪聲和CRC數(shù)組。具體流程如圖8所示。

圖8 傳感器數(shù)據(jù)獲取與處理流程圖

（3）TCP連接與數(shù)據(jù)傳輸程序

為了節(jié)省CPU資源，加快運(yùn)行速度，經(jīng)由以太網(wǎng)向上位機(jī)傳輸?shù)沫h(huán)境數(shù)據(jù)需要先經(jīng)過(guò)緩存處理，當(dāng)緩存完一次采集的所有傳感器數(shù)據(jù)時(shí)（72個(gè)字節(jié)）下位機(jī)將數(shù)據(jù)打包后（加入CRC校驗(yàn)）發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行分析、圖形化顯示和存儲(chǔ)，發(fā)送過(guò)程是在TCP服務(wù)器線程進(jìn)行的，其具體流程如圖9所示。

圖9 TCP連接與數(shù)據(jù)傳輸流程圖

（4）LCD顯示程序

根據(jù)功能需求，系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了開(kāi)機(jī)、參數(shù)種類選擇、濕度、溫度、CO2、噪聲界面六個(gè)界面，界面頁(yè)數(shù)依次被設(shè)定為0-5，界面的選擇顯示由界面頁(yè)數(shù)確定，其具體顯示方式和過(guò)程如圖10所示。

圖10 LCD顯示流程圖

（5）觸摸檢測(cè)翻頁(yè)程序

本系統(tǒng)在觸摸屏上共設(shè)定了“進(jìn)入系統(tǒng)”、“濕度”、“溫度”、“CO2”“噪聲”、“返回”等六個(gè)觸摸按鍵，當(dāng)在相應(yīng)界面觸摸按鍵被按下時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行界面跳轉(zhuǎn)動(dòng)作，具體觸摸控制流程如圖11所示。

圖11 觸摸檢測(cè)翻頁(yè)流程圖

（6）串口數(shù)據(jù)傳輸程序

當(dāng)獲取到一個(gè)傳感器采集的環(huán)境參數(shù)時(shí)，經(jīng)RS232標(biāo)準(zhǔn)串口傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程如圖12所示，串口依據(jù)傳感器編號(hào)是否大于4 選擇發(fā)送溫濕度、CO2數(shù)據(jù)或噪聲數(shù)據(jù)。

圖12 串口數(shù)據(jù)傳輸流程圖

4 結(jié)論

目前，對(duì)于國(guó)內(nèi)外劇院觀演空間沒(méi)有完整的環(huán)境參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，本文采用先進(jìn)的ARM嵌入式技術(shù)將多個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行了集成化、自動(dòng)化測(cè)試，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外劇院環(huán)境多參數(shù)自動(dòng)測(cè)試的空白。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)了操作便捷、功能齊全的要求，具有較高的可靠性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，可以很好的完成劇院觀演空間環(huán)境參數(shù)自動(dòng)測(cè)試任務(wù)。本系統(tǒng)的研究，對(duì)劇院觀演空間環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了有效的參考數(shù)據(jù)，保障了劇院演出效果，具有一定的實(shí)用價(jià)值。