基于μC／OS-II的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可以靈活、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)CO、SO2、氮氧化物等多種參數(shù)的測量。模塊化設(shè)計是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構(gòu)成一個具有特定功能的子系統(tǒng)，然后再將這個子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。即模塊化先進(jìn)行系統(tǒng)的分解，再進(jìn)行組合。采用這種模塊化設(shè)計思想，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況，選用最合理的資源配置，實(shí)現(xiàn)較高的性價比。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1．1 系統(tǒng)基本原理

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以ARM系列LPC2214為核心，內(nèi)置嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ，該操作系統(tǒng)對整個系統(tǒng)調(diào)度，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲等功能。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，通過DTU無線模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，然后上位機(jī)接收、顯示、存儲、報警，并結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對大量的采集結(jié)果進(jìn)行分析處理，存儲于服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。μC／OS-Ⅱ具有處理多個任務(wù)和外部接口接入數(shù)據(jù)的功能，使得監(jiān)測系統(tǒng)可以同時處理多個事務(wù)，并具有更大的可擴(kuò)展性。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是一個集成度高，可選擇測量多種場所環(huán)境的智能型環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，測量的環(huán)境參數(shù)有：溫度、濕度、風(fēng)力、二氧化硫濃度、氮氧化物濃度、一氧化碳濃度、臭氧濃度、可吸入顆粒物濃度、噪聲、雨量等多個環(huán)境指標(biāo)。其中，根據(jù)不同的場所選擇不同的測量模式，系統(tǒng)大體分為3種模式供用戶選擇：污染源模式、交通路口模式、居民小區(qū)模式。

1)污染源是指對環(huán)境造成污染的污染物發(fā)生源，通常指的是向環(huán)境中排放有害物質(zhì)或?qū)Νh(huán)境產(chǎn)生有害影響的場所、設(shè)備、裝置或人體，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測大氣污染，這里的污染源主要是大氣污染。大氣污染指大氣中污染物濃度達(dá)到的有害程度，超過了環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象。在此模式中列出了常見的也是對人體危害比較大的氣體污染物的監(jiān)測，其中有二氧化硫、總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)、氮氧化物、二氧化氮、一氧化碳、臭氧等。

2)交通路口模式主要是市中心、高速路口等交通繁忙的路段，監(jiān)測的環(huán)境指標(biāo)主要是汽車尾氣中的有害物質(zhì)，還包含了實(shí)用的氣象狀況。

3)居民小區(qū)是指人們?nèi)粘Ｉ詈突顒訄鏊沫h(huán)境。環(huán)境質(zhì)量是住宅小區(qū)健康要素中的最為直接的因素，是綠色健康小區(qū)最為鮮明的標(biāo)志。居民小區(qū)模式中監(jiān)測的參數(shù)有：空氣溫度、相對濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、紫外線指數(shù)、噪聲、顆粒物等，這些參數(shù)都是和居民生活息息相關(guān)的環(huán)境指標(biāo)。

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基本組成包括傳感器數(shù)據(jù)采集部分、信號處理模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、通信部分模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。其系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通信部分DTU模塊內(nèi)嵌SIM卡，是構(gòu)成一款基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備，提供全透明數(shù)據(jù)通道，可以方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、無線、網(wǎng)絡(luò)化的通信方式，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣(移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍就可以使用)、組網(wǎng)靈活快捷(安裝即可使用)、運(yùn)行成本低(按流量計費(fèi))等諸多優(yōu)點(diǎn)。

1．2 器件選型

ARM處理器以其低功耗、高性能、低成本等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)先地位。LPC2214是基于一個支持實(shí)時仿真和跟蹤的16／32位ARM7 TDMI-STM處理器，并帶有128／256 KB的嵌入式高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在較大時鐘速率下運(yùn)行。其中ARM處理器的另一個優(yōu)點(diǎn)是采用數(shù)據(jù)保密安全性的設(shè)計方法，這對于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的嵌入式系統(tǒng)具有重要作用。

LPC2214是一款功能強(qiáng)大的超低功耗微處理器，其構(gòu)成原理圖如圖2所示。集成了Thumb擴(kuò)展指令集，16 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和128／256 KB片內(nèi)Flash程序存儲器。128位寬接口／加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60 MHz的工作頻率，通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程(ISP)和在應(yīng)用編程(IAP)，8路10位A／D轉(zhuǎn)換器，2個32位定時器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實(shí)時時鐘和看門狗，多個串行接口，包括2個標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400 Kb／s)和2個SPI接口，向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級和向量地址，通過外部存儲器接口可將存儲器配置成4組，每組的容量高達(dá)16 MB，數(shù)據(jù)寬度為8／16／32位，多達(dá)112個通用I／0接口(可承受5 V電壓)，9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳，通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率，片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30 MHz，2個低功耗模式：空閑和掉電，通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。

1．3 嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ

μC／OS-Ⅱ尤其適合學(xué)習(xí)和移植，將其使用在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，可以更好管理各個任務(wù)，使系統(tǒng)更穩(wěn)定。μC／OS-Ⅱ開放源代碼，可移植，可固化，可裁減，它是完全可剝奪型的實(shí)時內(nèi)核，即總是運(yùn)行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。μC／OS-Ⅱ最多可管理64個任務(wù)，其中其本身占用8個任務(wù)，應(yīng)用程序使用56個任務(wù)，這樣可以解決多傳感器接入問題。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2．1 嵌入式操作系統(tǒng)移植

μC／OS-Ⅱ移植源代碼相關(guān)的代碼主要在OS_CPU．H，OS_CPU．C，OS_CPU．ASM這3個文件中。移植時主要在這3個文件中進(jìn)行，使之適合處理器。在OS_CPU．H中對一些參數(shù)進(jìn)行修改，把OS_CPU．C包含進(jìn)自己的項(xiàng)目中。

2．2 多傳感器接入的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中核心問題是多傳感器的接入，因環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用場合不同有必要監(jiān)測多種環(huán)境參數(shù)，故需要接入多種傳感器，如CO傳感器、SO2傳感器、氮氧化合物傳感器。本系統(tǒng)利用嵌入式操作系統(tǒng)多任務(wù)管理功能，對接入的傳感器處理分成各個任務(wù)模塊，并對這些任務(wù)模塊進(jìn)行管理、執(zhí)行。

2．3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計

系統(tǒng)共設(shè)計了6個任務(wù)，最高優(yōu)先級的任務(wù)為自刪除任務(wù)，首先進(jìn)行首次上電初始化，其后依次執(zhí)行采集任務(wù)(以確保采集工作的順利進(jìn)行)、按鍵任務(wù)、串口任務(wù)、LCD顯示任務(wù)。由于操作系統(tǒng)總是執(zhí)行優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)，這就要求軟件設(shè)計過程中，不僅要注意各個任務(wù)的優(yōu)先級問題，還要注意之間的延時設(shè)計，確保每個任務(wù)都能被執(zhí)行，防止在有些任務(wù)還沒被執(zhí)行完時就被打斷進(jìn)行新的循環(huán)。工作流程如圖3所示。

3 結(jié)論

系統(tǒng)使用ARM處理器降低了系統(tǒng)的功耗，同時提高了穩(wěn)定性。應(yīng)用μC／OS-Ⅱ提高了系統(tǒng)的調(diào)度和管理能力，使用模塊化設(shè)計方便了用戶根據(jù)自身需求選擇不同的資源配置，使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)彌補(bǔ)了人工監(jiān)測的不足，解決了監(jiān)測點(diǎn)分散、監(jiān)測位置偏僻、站點(diǎn)無人值守、施工布線困難甚至無法實(shí)現(xiàn)等問題。該系統(tǒng)適合小型的環(huán)?；驓庀蟊O(jiān)測站使用。