王 超，郭顯久，2，閻笑彤（.大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 6023；2.遼寧省海洋信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 6023）

基于嵌入式Linux的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控智能儀表的平臺(tái)設(shè)計(jì)*

王 超1，郭顯久1，2，閻笑彤1
（1.大連海洋大學(xué) 信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116023；2.遼寧省海洋信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116023）

介紹了一種基于嵌入式Linux的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控智能儀表的平臺(tái)設(shè)計(jì)。該儀表通過ARM核心處理器連接其他外設(shè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)搭建；通過裁剪和移植Linux內(nèi)核，完善操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序等開發(fā)，實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái)上成功安裝操作系統(tǒng)。該智能儀表主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測(cè)，能夠滿足未來養(yǎng)殖的高效率和高質(zhì)量的需要。

智能儀表；平臺(tái)設(shè)計(jì)；移植

0 引言

水產(chǎn)養(yǎng)殖是我國農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，近年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖的品種和產(chǎn)量不斷增加，且養(yǎng)殖的規(guī)模越來越大，這為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供了良好的條件和廣闊的發(fā)展空間。未來的水產(chǎn)養(yǎng)殖將以高成活率和高質(zhì)量為目的，實(shí)現(xiàn)這些目的的前提條件之一是要保持養(yǎng)殖水質(zhì)的穩(wěn)定性，如水溫、溶解氧、PH值和濁度等水質(zhì)參數(shù)，都需要及時(shí)獲?。?］。

傳統(tǒng)的定時(shí)取樣和化學(xué)分析法獲取養(yǎng)殖水質(zhì)數(shù)據(jù)，獲取不及時(shí)、可靠性低、實(shí)時(shí)操作性差且成本高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)上述的需求。后來，人們引入了水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ZigBee、GPRS、智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段，能實(shí)時(shí)采集養(yǎng)殖水的水位、溶解氧、PH值、溫度和濁度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［2］。但是，該系統(tǒng)主要是與上位機(jī)通信，需要一個(gè)固定的PC終端來進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)的監(jiān)控和操作。因此，設(shè)計(jì)一種可靠的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的智能儀表，對(duì)養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1 硬件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中的智能儀表的硬件平臺(tái)選用了天嵌公司出品的 tq2440開發(fā)板實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該開發(fā)板的 CPU是基于ARM920T的 S3C2440芯片、512 MB的 Nand Flash和64 MB的 DDRAM、117個(gè) I/O通用 Pin腳和 24位外部中斷源、12位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器等，處理器資源豐富，基本滿足數(shù)據(jù)的采集和信號(hào)的轉(zhuǎn)化［3］。

1.1 智能儀表監(jiān)控平臺(tái)的架構(gòu)

平臺(tái)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)模式，即各模塊之間相互獨(dú)立地掛載到控制板上，以ARM處理器為核心，協(xié)調(diào)其他各個(gè)功能模塊工作。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能儀表的監(jiān)控平臺(tái)框圖

其中，ARM處理器上運(yùn)行 Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、運(yùn)算和通信等功能；圖像采集模塊是常用的USB攝像頭；水質(zhì)檢測(cè)模塊主要由采集各類參數(shù)的傳感器構(gòu)成，通過串口連接平臺(tái)，即插即用；標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊主要是輸出處理后的數(shù)據(jù)［4］。4G無線通信模塊使用USB 4G無線網(wǎng)卡；LCD模塊作為智能儀表的輸入和輸出模塊；存儲(chǔ)器模塊，因板子 Flash容量不足，大存儲(chǔ)主要靠SD卡。

1.2 平臺(tái)系統(tǒng)的工作模式

為實(shí)現(xiàn)儀表低功耗、高效率的工作，設(shè)置了兩種工作模式：常態(tài)模式和用戶態(tài)模式。常態(tài)模式即系統(tǒng)在一般狀態(tài)下的工作模式，該模式下，儀表處于低功耗狀態(tài)，多數(shù)模塊處于休眠狀態(tài)，不占CPU資源。用戶模式即用戶控制儀表工作的模式，該模式下，各模塊受用戶控制搶占CPU資源工作。

攝像頭、LCD模塊應(yīng)設(shè)置為常態(tài)模式，一般處在休眠狀態(tài)，當(dāng)用戶向內(nèi)核進(jìn)程發(fā)送喚醒消息后，模塊被內(nèi)核喚醒，才會(huì)向CPU申請(qǐng)資源，運(yùn)行起來。4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，考慮通信流量的費(fèi)用高，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)模塊定時(shí)聯(lián)網(wǎng)，間歇式打包發(fā)送數(shù)據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊的各個(gè)傳感器是實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的，但實(shí)際中，養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)如溫度、溶解氧等是不會(huì)實(shí)時(shí)快速變化的，所以，該模塊常態(tài)模式下，設(shè)置為定時(shí)采樣，用戶可自定義采集時(shí)間，這樣既降低了功耗，同時(shí)避免采集太多冗余數(shù)據(jù)。

1.3 平臺(tái)系統(tǒng)的智能處理機(jī)制

因?yàn)樵撝悄軆x表是監(jiān)控養(yǎng)殖水質(zhì)的，所以該儀表的智能性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理上，即實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中先加載各個(gè)參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)模塊采集的參數(shù)數(shù)據(jù)定時(shí)被CPU采樣時(shí)，CPU會(huì)對(duì)比采樣參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：若結(jié)果沒有發(fā)生異常，CPU將數(shù)據(jù)自動(dòng)保存到存儲(chǔ)器模塊，打包聯(lián)網(wǎng)傳送給數(shù)據(jù)庫；若比較結(jié)果發(fā)生異常，CPU立即進(jìn)入異常處理模式，網(wǎng)絡(luò)模塊搶占資源聯(lián)網(wǎng)，CPU向用戶發(fā)送異常警報(bào)，同時(shí)將已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給用戶。平臺(tái)系統(tǒng)的智能處理機(jī)制能幫助養(yǎng)殖戶及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題所在，還可以結(jié)合用戶的專家系統(tǒng)給出一些解決問題的方法，有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。

2 軟件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于智能儀表的整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜，為了管理和協(xié)調(diào)好各項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，決定選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)［5］。

結(jié)合嵌入式Linux軟件開發(fā)步驟，確定開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件開發(fā)流程圖

2.1建立Linux交叉編譯環(huán)境

首先在 PC上安裝上 Linux操作系統(tǒng)并建立適用于ARM的交叉編譯器 arm-linux-gcc。交叉編譯工具安裝包可以從網(wǎng)上獲取。建立好Linux交叉開發(fā)環(huán)境后，即可開始軟件系統(tǒng)平臺(tái)的移植了。

2.2移植Bootloader和Linux內(nèi)核

Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。

Bootloader的制作過程這里不做詳細(xì)介紹。不同于以往的移植方法，在tq2440平臺(tái)上，本文提出一種基于USB的移植方法，該方法操作簡(jiǎn)單，效率高。下面以Bootloader的移植為例，給予詳細(xì)介紹。將開發(fā)板從nor_flash啟動(dòng)，進(jìn)入命令輸入模式，如圖3所示。

圖3 終端命令行模式圖

（1）輸入命令usbslave 130008000，開發(fā)板處于下載等待狀態(tài)；

（2）進(jìn)入Linux下，輸入命令dnw u-boot.bin 30008000，使用dnw將u-boot.bin文件下載到內(nèi)存地址30008000處；

（3）輸入命令nand erase 040000，擦除從0地址開始長(zhǎng)度為40000的內(nèi)存空間；

（4）輸入命令nand write 30008000040000，從30008000地址處讀取數(shù)據(jù)，寫入到0地址處，長(zhǎng)度為40000。

說明：（1）中的subslave是啟動(dòng) USB下載的命令，上述的內(nèi)存起始地址和長(zhǎng)度，在內(nèi)核文件中已經(jīng)固定設(shè)置，不可更改；（2）中 dnw是USB下載軟件，可以由其他USB下載軟件替換；（3）格式化內(nèi)存空間；（4）向內(nèi)存中燒寫B(tài)ootloader。

完成了Bootloader的移植以后，下面進(jìn)行移植Linux內(nèi)核。

Linux內(nèi)核文件提供了大量的功能驅(qū)動(dòng)文件，因此需要選擇適當(dāng)?shù)哪K來裁剪內(nèi)核，配置步驟如下：

（1）make distclean，清除原有的配置文件和中間文件；

（2）make menuconfig ARCM=arm，進(jìn)入內(nèi)核配置界面，按需要裁剪內(nèi)核模塊，如圖4所示。

圖4 內(nèi)核配置模式圖

（3）make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE= arm-linux-，編譯內(nèi)核，產(chǎn)生 uImage鏡像文件。注意，這個(gè)內(nèi)核鏡像是不帶根文件系統(tǒng)的，因調(diào)試需要，內(nèi)核中文件系統(tǒng)配置為NFS文件系統(tǒng)。

移植內(nèi)核，步驟基本重復(fù)移植U-Boot的步驟。

2.3 移植根文件系統(tǒng)

文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分。在嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，首先是啟動(dòng) U-Boot引導(dǎo)程序，然后便會(huì)進(jìn)入制作的文件系統(tǒng)中，如果沒有設(shè)置或掛載文件系統(tǒng)，那么 Linux就會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)，并重新啟動(dòng)。在啟動(dòng)的同時(shí)可以手動(dòng)掛載新的文件系統(tǒng)。所以，可以制作多個(gè)不同的文件系統(tǒng)，放在 Linux下［6］。

本文中制作的是yaffs2文件系統(tǒng)。制作好yaffs2文件鏡像后，移植到 ARM平臺(tái)上，移植步驟基本重復(fù) Bootloader移植步驟。

這3步成功燒寫到開發(fā)板上，儀表的系統(tǒng)平臺(tái)就構(gòu)建完成了，從Nand Flash啟動(dòng)儀表的系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)平臺(tái)啟動(dòng)狀態(tài)圖

2.4 開發(fā)調(diào)試應(yīng)用程序

軟件應(yīng)用程序?qū)⑹褂脤ｉT為嵌入式Linux操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開發(fā)的應(yīng)用平臺(tái)——Qtopia構(gòu)建。Qtopia是構(gòu)建在Qt/Embeded上，專為嵌入式設(shè)備的圖形用戶接口和應(yīng)用開發(fā)而設(shè)計(jì)的C++工具包［7］。其包含有完整的應(yīng)用層、用戶界面、窗口操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序的啟動(dòng)程序和開發(fā)框架。Qt/E開發(fā)的應(yīng)用程序最終要成功在開發(fā)板上運(yùn)行，開發(fā)過程一般是先在Linux系統(tǒng)上使用Qt/E進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫和調(diào)試，進(jìn)行交叉編譯后下載到開發(fā)板。

3 結(jié)論

本文提出了一種基于嵌入式Linux的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控智能儀表的平臺(tái)設(shè)計(jì)。所介紹的儀表的模塊化架構(gòu)和系統(tǒng)的兩態(tài)工作模式能實(shí)現(xiàn)該智能儀表的高效率和低功耗工作。儀表的智能處理機(jī)制能有效降低養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)。文中還給出了該平臺(tái)系統(tǒng)的一種新的基于USB的詳細(xì)移植過程，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)系統(tǒng)從零到操作系統(tǒng)移植的實(shí)現(xiàn)過程，讓讀者更容易理解和實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，文中的模塊化的設(shè)計(jì)思想也可以有效地移植到其他實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上。

總體而言，該智能儀表能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測(cè)的要求，對(duì)實(shí)現(xiàn)未來養(yǎng)殖業(yè)的高效率和高質(zhì)量具有重要意義。

［1］蔡蘇華.基于ARM的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［D］.南京：南京師范大學(xué)，2012.

［2］吳宇.小型移動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2013.

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A platform design of intelligent instrument about aquaculture water quality monitoring w hich based on embedded Linux

Wang Chao1，Guo Xianjiu1，2，Yan Xiaotong2
（1.Information Engineering College，Dalian Ocean University，Dalian 116023，China；2.Liaoning Key Laboratory of Marine IT，Dalian 116023，China）

This paper introduces a kind of intelligent instrument design about aquaculture water quality monitoring based on embedded Linux.This instrument is made by ARM core processor to connect to other peripherals function modules，realizing hardware platform.By cutting and transplanting Linux kernel，it improves operating system，drivers and so on，and realizes the hardware platform of system successful installation.The substance in the field of intelligent instrument is mainly used for aquaculture each parameter monitoring，and is able to meet the needs of the future breeding of high efficiency and high quality.

intelligent instrument；platform design；transplant

TP302.1

A

1674-7720（2015）22-0086-03

王超，郭顯久，閻笑彤.基于嵌入式 Linux的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控智能儀表的平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（22）：86-88.

2015-06-26）

國家海洋公益淺海生物項(xiàng)目（201205023）；遼寧省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012216012）

郭顯久（1963-），通信作者，男，博士，教授，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。E-mial：gxj@dlou.edu.cn。

王超（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)。