基于μC／OS-II的遠程環(huán)境監測系統的設計

環(huán)境監測系統采用模塊化設計，可以靈活、經(jīng)濟地實(shí)現CO、SO2、氮氧化物等多種參數的測量。模塊化設計是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構成一個(gè)具有特定功能的子系統，然后再將這個(gè)子系統作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品進(jìn)行多種組合，構成新的系統，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)行系統的分解，再進(jìn)行組合。采用這種模塊化設計思想，用戶(hù)可以根據實(shí)際情況，選用最合理的資源配置，實(shí)現較高的性?xún)r(jià)比。

1 系統設計方案

1．1 系統基本原理

環(huán)境監測系統以ARM系列LPC2214為核心，內置嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ，該操作系統對整個(gè)系統調度，具有數據采集、數據處理、數據存儲等功能。數據經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)DTU無(wú)線(xiàn)模塊傳輸到上位機，然后上位機接收、顯示、存儲、報警，并結合數據挖掘技術(shù)對大量的采集結果進(jìn)行分析處理，存儲于服務(wù)器數據庫。μC／OS-Ⅱ具有處理多個(gè)任務(wù)和外部接口接入數據的功能，使得監測系統可以同時(shí)處理多個(gè)事務(wù)，并具有更大的可擴展性。

環(huán)境監測系統是一個(gè)集成度高，可選擇測量多種場(chǎng)所環(huán)境的智能型環(huán)境監測系統，測量的環(huán)境參數有：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(gè)環(huán)境指標。其中，根據不同的場(chǎng)所選擇不同的測量模式，系統大體分為3種模式供用戶(hù)選擇：污染源模式、交通路口模式、居民小區模式。

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)或對環(huán)境產(chǎn)生有害影響的場(chǎng)所、設備、裝置或人體，環(huán)境監測系統主要監測大氣污染，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到的有害程度，超過(guò)了環(huán)境質(zhì)量標準的現象。在此模式中列出了常見(jiàn)的也是對人體危害比較大的氣體污染物的監測，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，監測的環(huán)境指標主要是汽車(chē)尾氣中的有害物質(zhì)，還包含了實(shí)用的氣象狀況。

3)居民小區是指人們日常生活和活動(dòng)場(chǎng)所的環(huán)境。環(huán)境質(zhì)量是住宅小區健康要素中的最為直接的因素，是綠色健康小區最為鮮明的標志。居民小區模式中監測的參數有：空氣溫度、相對濕度、風(fēng)力、風(fēng)向、紫外線(xiàn)指數、噪聲、顆粒物等，這些參數都是和居民生活息息相關(guān)的環(huán)境指標。

環(huán)境監測系統的基本組成包括傳感器數據采集部分、信號處理模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、顯示模塊、通信部分模塊、遠程監控中心。其系統硬件結構如圖1所示。

通信部分DTU模塊內嵌SIM卡，是構成一款基于GPRS網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)數據傳輸終端設備，提供全透明數據通道，可以方便地實(shí)現遠程、無(wú)線(xiàn)、網(wǎng)絡(luò )化的通信方式，具有網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣(移動(dòng)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)、運行成本低(按流量計費)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)在嵌入式應用領(lǐng)域占據領(lǐng)先地位。LPC2214是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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特的加速結構使32位代碼能夠在較大時(shí)鐘速率下運行。其中ARM處理器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是采用數據保密安全性的設計方法，這對于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化的嵌入式系統具有重要作用。

LPC2214是一款功能強大的超低功耗微處理器，其構成原理圖如圖2所示。集成了Thumb擴展指令集，16 KB片內靜態(tài)RAM和128／256 KB片內Flash程序存儲器。128位寬接口／加速器可實(shí)現高達60 MHz的工作頻率，通過(guò)片內boot裝載程序實(shí)現在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)，8路10位A／D轉換器，2個(gè)32位定時(shí)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗，多個(gè)串行接口，包括2個(gè)標準UART、高速I(mǎi)2C接口(400 Kb／s)和2個(gè)SPI接口，向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級和向量地址，通過(guò)外部存儲器接口可將存儲器配置成4組，每組的容量高達16 MB，數據寬度為8／16／32位，多達112個(gè)通用I／0接口(可承受5 V電壓)，9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳，通過(guò)片內PLL可實(shí)現最大為60 MHz的CPU操作頻率，片內晶振頻率范圍：1～30 MHz，2個(gè)低功耗模式：空閑和掉電，通過(guò)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μC／OS-Ⅱ

μC／OS-Ⅱ尤其適合學(xué)習和移植，將其使用在環(huán)境監測系統中，可以更好管理各個(gè)任務(wù)，使系統更穩定。μC／OS-Ⅱ開(kāi)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(shí)內核，即總是運行就緒條件下優(yōu)先級最高的任務(wù)。μC／OS-Ⅱ最多可管理64個(gè)任務(wù)，其中其本身占用8個(gè)任務(wù)，應用程序使用56個(gè)任務(wù)，這樣可以解決多傳感器接入問(wèn)題。

2 系統軟件設計

2．1 嵌入式操作系統移植

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(gè)文件中。移植時(shí)主要在這3個(gè)文件中進(jìn)行，使之適合處理器。在OS_CPU．H中對一些參數進(jìn)行修改，把OS_CPU．C包含進(jìn)自己的項目中。

2．2 多傳感器接入的實(shí)現

在實(shí)現環(huán)境監測系統中核心問(wèn)題是多傳感器的接入，因環(huán)境監測系統應用場(chǎng)合不同有必要監測多種環(huán)境參數，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。本系統利用嵌入式操作系統多任務(wù)管理功能，對接入的傳感器處理分成各個(gè)任務(wù)模塊，并對這些任務(wù)模塊進(jìn)行管理、執行。

2．3 系統軟件流程設計

系統共設計了6個(gè)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)。由于操作系統總是執行優(yōu)先級最高的就緒態(tài)任務(wù)，這就要求軟件設計過(guò)程中，不僅要注意各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級問(wèn)題，還要注意之間的延時(shí)設計，確保每個(gè)任務(wù)都能被執行，防止在有些任務(wù)還沒(méi)被執行完時(shí)就被打斷進(jìn)行新的循環(huán)。工作流程如圖3所示。

3 結論

系統使用ARM處理器降低了系統的功耗，同時(shí)提高了穩定性。應用μC／OS-Ⅱ提高了系統的調度和管理能力，使用模塊化設計方便了用戶(hù)根據自身需求選擇不同的資源配置，使用GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )彌補了人工監測的不足，解決了監測點(diǎn)分散、監測位置偏僻、站點(diǎn)無(wú)人值守、施工布線(xiàn)困難甚至無(wú)法實(shí)現等問(wèn)題。該系統適合小型的環(huán)?；驓庀蟊O測站使用。