高寒

（北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部，北京100124）

智慧環(huán)保是數(shù)字環(huán)保概念的延伸和拓展[1]。近年來4G、云計(jì)算、高清、智能分析等新技術(shù)逐漸滲透環(huán)保行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，環(huán)保監(jiān)控與業(yè)務(wù)需求融合漸深[2]。利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、全球定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控和大數(shù)據(jù)等技術(shù)能夠助力智慧環(huán)保的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)精確、精準(zhǔn)的環(huán)境管理和決策[3]。

當(dāng)今環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)展中遇到很多問題，如，監(jiān)測地區(qū)偏遠(yuǎn)、設(shè)備種類多、維護(hù)難等問題使監(jiān)測環(huán)境時(shí)常對監(jiān)測系統(tǒng)的集約智能化程度要求較高[4]；數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性有待提高；屢禁不止的環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)造假問題亟待解決；接入環(huán)保云和環(huán)保大數(shù)據(jù)平臺(tái)的功能欠缺[5]；3S技術(shù)的應(yīng)用需求[6]…這些問題決定了環(huán)保監(jiān)測系統(tǒng)向高集成、智能化和強(qiáng)運(yùn)算能力上發(fā)展。本文中，系統(tǒng)采用Zynq SoC作為硬件處理器的核心不僅可以解決產(chǎn)品性能與體積之間的矛盾，而且可以使信號(hào)處理更加高速化與功能化；LTE傳輸模塊改善系統(tǒng)實(shí)時(shí)性；網(wǎng)絡(luò)攝像頭可助力環(huán)保監(jiān)控現(xiàn)場視頻監(jiān)控應(yīng)用的開發(fā)，集成GPS模塊獲得系統(tǒng)的位置信息方便應(yīng)用GIS技術(shù)進(jìn)行精確的平臺(tái)管理。

1 基于ZYBO平臺(tái)的硬件總體設(shè)計(jì)

Xilinx推出的Zynq SoC芯片由PS和PL兩部分組成：PS（Processing System，處理系統(tǒng)）部分集成了兩 個(gè) ARM Cortex A9處理器，PL（Programmable Logic，可編程邏輯）部分為Xilinx 7系列28nm工藝的FPGA[7]。在Zynq的片上設(shè)計(jì)中，PS和PL之間的數(shù)據(jù)交互通過 AXI（Advanced eXtensible Interface）接口實(shí)現(xiàn)，同時(shí)是軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[8]。

本文中應(yīng)用的開發(fā)板是Digilent的一款接口豐富且低成本Zynq開發(fā)板ZYBO，在硬件工程中使用的資源包括：一顆Xilinx XC7Z010-CLG400芯片，兩片Micron的MT41J128M16JT-125共計(jì)512M bytes的DDR3內(nèi)存，10/100/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)，USB OTG，USB轉(zhuǎn)UART調(diào)試串口，micro SD卡和用以開發(fā)板擴(kuò)展的Digilent Pmod接口連接器。在擴(kuò)展板上實(shí)現(xiàn)的硬件功能包括為供電電源模塊、LTE模塊、2路UART轉(zhuǎn)RS232模塊、3路UART轉(zhuǎn)RS485模塊、北斗/GPS多模定位模塊、溫度傳感器模塊。硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 智慧環(huán)保硬件系統(tǒng)框圖

2 硬件模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1 Zynq硬件工程

Zynq SoC在設(shè)計(jì)思路上采用以ARM處理器為主，F(xiàn)PGA作為ARM的協(xié)處理器的方式[9]。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為遵循這一設(shè)計(jì)思路，優(yōu)先使用PS端的通用外設(shè)，當(dāng)ARM資源不夠用時(shí)使用PL端資源作為IO擴(kuò)展。ZYBO開發(fā)板將1個(gè)USB控制器、1個(gè)以太網(wǎng)控制器和1個(gè)UART控制器通用外設(shè)端口由Zynq的PS部分引出，可以直接被用戶配置使用。而面對多種類型環(huán)保監(jiān)測設(shè)備的接入需求和智慧環(huán)保系統(tǒng)的集成度要求，只有這些外設(shè)接口數(shù)量是不夠的，需要擴(kuò)展接口。通過調(diào)研市場上環(huán)保檢測設(shè)備的接口可知，多數(shù)的有線傳輸為RS232或RS485接口標(biāo)準(zhǔn)，即是在ZYBO原有PS端資源的基礎(chǔ)上使用PMOD接口連接器擴(kuò)展多個(gè)UART控制器接口，再將TTL或CMOS電平通過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)成RS232和RS485電平。

UART接口在Zynq SoC上實(shí)現(xiàn)有兩種方法，一種是通過PS部分的外設(shè)資源，另一種是使用IP核。PS端有UART0和UART1兩個(gè)UART控制器，其中UART1已經(jīng)作為ZYBO開發(fā)板的調(diào)試串口（USBUART），因此可將UART0接口通過PS端剩余的MIO引腳或PL端的EMIO引腳引出。這兩種PS端資源的引出方式體現(xiàn)了Zynq SoC PS+PL架構(gòu)的靈活性。使用IP核的方法也是十分簡單易用的，即使用Xilinx官方提供的UART Lite IP核。UART Lite IP核是面向AXI4-Lite協(xié)議且具有UART通信功能的軟IP核，它具有全雙工、16位收發(fā)FIFO、波特率和校驗(yàn)方式可配置的特點(diǎn)。本論文中同時(shí)使用了這兩種UART的實(shí)現(xiàn)方式。UART Lite IP核如圖2所示。

Zynq SoC的片上設(shè)計(jì)通過Vivado開發(fā)套件完成，首先添加Zynq-7000的IP核，導(dǎo)入ZYBO開發(fā)板的定義文件，并配置PL-PS共享中斷端口，這樣使PS端的資源與ZYBO開發(fā)板對應(yīng)起來，同時(shí)允許PL端發(fā)起中斷請求。根據(jù)環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)的需求，在Vivado中添加了8個(gè)UART Lite IP核用于擴(kuò)展8個(gè)UART口；一個(gè)8輸入的Concat IP核和一個(gè)或門IP核用于UART控制器的中斷請求功能。在進(jìn)行Block Design的布線和布線優(yōu)化并驗(yàn)證IP核連接的正確性后，進(jìn)行管腳約束文件的編寫。工程中使用了PL端的UART和EMIO功能，將這些用到的管腳約束到ZYBO開發(fā)板的JB、JC、JD PMOD連接器上，約束完成后進(jìn)行綜合、實(shí)現(xiàn)和生成比特流即可。

Vivado提供了工程實(shí)現(xiàn)后的資源查看功能，資源的利用情況，本文中PL部分實(shí)現(xiàn)后的硬件資源使用情況如表1所示。

圖2 UART Lite IP核

表1 Zynq SoC PL端資源使用情況

Zynq-7010的PL部分采用了ATRIX 7系列FPGA。根據(jù)表格顯示，在配置8個(gè)串口之后，PL端資源仍有很大利用空間。

2.2 LTE無線傳輸模塊

本文中智慧環(huán)保系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)（上位機(jī)）的方式為無線LTE。LTE較2G和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸有更高的傳輸速率，適合發(fā)送/接收實(shí)時(shí)并發(fā)的數(shù)據(jù)[10]。LTE模塊硬件由無線數(shù)據(jù)終端模塊和SIM卡組成，無線數(shù)據(jù)收發(fā)終端型號(hào)為：ME909s-821模塊外觀為mini PCIe，接口為標(biāo)準(zhǔn)USB2.0，通過公對公USB線與ZYBO開發(fā)板的USB-OTG口相連。模塊接口連接如圖3所示。

圖3 LTE模塊

由圖3可知，除USB接口外，還使用了LTE收發(fā)終端用于復(fù)位的管腳PERST#。系統(tǒng)中LTE模塊復(fù)位使用兩個(gè)Zynq的GPIO資源，一個(gè)用于無線收發(fā)模塊的復(fù)位腳，一個(gè)用于LTE供電的使能腳。

2.3 環(huán)境感知模塊

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)攝像頭

智慧環(huán)保系統(tǒng)的環(huán)境感知功能主要包括網(wǎng)絡(luò)攝像功能、GPS定位功能和溫度傳感器功能。網(wǎng)絡(luò)攝像頭用于視頻監(jiān)控環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)儀器的現(xiàn)場情況，通過應(yīng)用層的開發(fā)可以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測、異常判斷、模式識(shí)別等作用，達(dá)到一定程度上防止人為對環(huán)保數(shù)據(jù)造假的目的[11]。在ZYBO開發(fā)板上，以太網(wǎng)PHY采用了10/100/1000M自適應(yīng)的Realtek RTL8211E-VL芯片，該以太網(wǎng)接口作為視頻的傳輸接口。

2.3.2 GPS/北斗定位模塊

GPS和北斗定位可應(yīng)用于GIS技術(shù)建立精確的環(huán)境空間數(shù)據(jù)庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)助力智慧環(huán)保的數(shù)據(jù)研究和數(shù)據(jù)共享[12]。本硬件系統(tǒng)的定位模塊采用集成了ARK 699芯片的VK1613A9M3模塊，它可以工作在 GPS，GALILEO，QZSS：L1 1575.42 MHz，C/A code BEIDOU：B1 1561.098 MHz的頻率上，滿足NMEA 0183 v2.3協(xié)議。該模塊采用3.3 V供電，定位時(shí)工作電流約100 mA，通信接口為UART，默認(rèn)波特率為9 600?；谀K的上述特性，在設(shè)計(jì)擴(kuò)展板時(shí)使用ZYBO開發(fā)板PMOD口進(jìn)行供電和通信，布局時(shí)盡量遠(yuǎn)離易產(chǎn)生干擾的電子元件，模塊背面鋪完整的銅使模塊良好接地。模塊的RF_IN為射頻天線引腳，在POLAR SI軟件上計(jì)算得到走線寬度和走線與銅皮間距后走50歐姆阻抗線連接至IPEX貼片天線座上，通過IPEX-SMA轉(zhuǎn)接線連接到GPS專用天線上。

2.3.3 溫度傳感器

采用DS18B20溫度傳感器，用于監(jiān)測整個(gè)硬件系統(tǒng)內(nèi)的溫度，配置一個(gè)PL部分的EMIO腳連接至DS18B20的DQ數(shù)據(jù)管腳。

2.4 RS232及RS485傳輸

RS485轉(zhuǎn)UART功能采用3顆MAX13487e芯片實(shí)現(xiàn)。MAX13487e是+5 V供電、8引腳SO封裝、半雙工、具有±15 kV ESD保護(hù)的RS-485/RS-422兼容收發(fā)器，包含一路驅(qū)動(dòng)器和一路接收器，低擺率驅(qū)動(dòng)器能夠減小EMI和不恰當(dāng)?shù)碾娎|端接所引起的反射，實(shí)現(xiàn)高達(dá)500 kbps的無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。器件可工作于-40～+85°C工業(yè)級溫度范圍，支持熱插拔和自動(dòng)選向控制功能。RS485連接通常為2線（A+和B-線）或3線（A+、B-和GND線）制，因此采用螺絲式PCB接線端子的外觀，接線順序?yàn)锳+，B-，GND。電路原理如圖4所示。

圖4 RS485模塊電路圖

RS232轉(zhuǎn)UART功能采用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)。MAX3232采用專有低壓差發(fā)送器輸出級，利用雙電荷泵能在3.0～5.5 V電壓供電情況下，確保120kbPS數(shù)據(jù)速率同時(shí)保持RS232輸出電平。器件需4個(gè)0.1 μF的外部小尺寸電荷泵電容，耗電0.3 mA。RS232連接器外觀為DB9公頭。電路原理如圖5所示。

圖5 RS232模塊電路圖

2.5 電源供電設(shè)計(jì)

擴(kuò)展板電源適配器的輸出參數(shù)為DC 12V 2A。擴(kuò)展板采用兩顆TI的TPS5450 DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，一顆是12 V轉(zhuǎn)5 V，用于給ZYBO開發(fā)板、MAX3232芯片和MAX13487e芯片供電；另外一個(gè)用于12 V轉(zhuǎn)3.8 V，用于給LTE模塊供電。智慧環(huán)保硬件系統(tǒng)是功能比較復(fù)雜的體系，當(dāng)某一功能模塊發(fā)生異常時(shí)，可以通過將其供電芯片重新上電的方式達(dá)到對整個(gè)功能模塊的可靠復(fù)位。常見的供電芯片在設(shè)計(jì)時(shí)都預(yù)留了使能引腳，在設(shè)計(jì)中將3.8V供電芯片TPS5450的ENA腳上拉后與Zynq PL端的EMIO相連，通過GPIO輸出高低電平來控制整個(gè)LTE模塊重啟。

擴(kuò)展板的外觀如圖6所示，尺寸與ZYBO開發(fā)板相同。

圖6 擴(kuò)展板實(shí)物圖

3 嵌入式Linux操作系統(tǒng)配置

3.1 操作系統(tǒng)文件生成

嵌入式Linux是體積小巧、可裁剪、配置靈活、廣泛應(yīng)用于嵌入式設(shè)備開發(fā)的操作系統(tǒng)[13]，基于ARM架構(gòu)的嵌入式Linux系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛[14]。Zynq-7000 SoC與其他的Xilinx 7系列器件不同，在沒有外部JTAG的情況下，整個(gè)SoC的PS和PL端都必須由PS部分的CPU來完成整個(gè)芯片的初始化配置[15]，因此嵌入式Linux在PS端移植和啟動(dòng)。本文采用Xilinx Linux作為智慧環(huán)保的操作系統(tǒng)，它是針對Zynq AP SoC和MicroBlaze的嵌入式Linux免費(fèi)發(fā)行版[16]。Xilinx官方提供了豐富的開發(fā)資源和文檔，通過Vivado套件、Xilinx SDK和Linux虛擬機(jī)3個(gè)開發(fā)環(huán)境對ARM Cortex A9處理器及外設(shè)接口進(jìn)行開發(fā)。

在Vivado中搭建硬件工程、生成硬件比特流后，導(dǎo)出到Xilinx SDK進(jìn)行上層開發(fā)。在SDK中創(chuàng)建并生成 FSBL（First Stage Boot Loader）工程和設(shè)備樹BSP工程，并應(yīng)用SDK中的Create Zynq Boot Image工具生成BOOT.bin文件。在Ubuntu虛擬機(jī)上安裝arm-xilinx-linux交叉編譯環(huán)境后，下載DIGILENT官方Github賬戶提供的針對ZYBO開發(fā)板的u-boot文件和基于Linux 3.18.0版本的xlnx-linux內(nèi)核文件，交叉編譯后生成u-boot.elf文件和uImage內(nèi)核文件。使用虛擬機(jī)中的dtc工具生成devicetree.dtb設(shè)備樹文件，同時(shí)利用u-boot工具將Xilinx官方提供的ramdisk根文件系統(tǒng)加上u-boot頭部生成uramdisk.image.gz。

3.2 操作系統(tǒng)配置

Xilinx Linux在配置默認(rèn)的PS端資源基礎(chǔ)上還需要根據(jù)實(shí)際工程進(jìn)行相應(yīng)修改，配置修改包括操作系統(tǒng)源碼的修改、內(nèi)核編譯項(xiàng)的增加和設(shè)備樹的修改。內(nèi)核編譯前的make menuconfig階段的修改包括：在USB驅(qū)動(dòng)配置的基礎(chǔ)上配置PPP撥號(hào)、MBIM等驅(qū)動(dòng)項(xiàng)來支持LTE模塊功能；增加針對溫度傳感器DS18B20的1-wire總線驅(qū)動(dòng)；添加Xilinx IP核的Linux驅(qū)動(dòng)，uartlite IP核在嵌入式Linux中使用之前選中Xilinx uartlite serial port support這一項(xiàng)。

Xilinx SDK中生成的設(shè)備樹文件包括system.dts、Zynq-7000.dtsi、skeleton.dtsi和 pl.dtsi文件。在執(zhí)行dtc命令之前需要對system.dts文件進(jìn)行修改后才能正確驅(qū)動(dòng)開發(fā)板各功能，如在增加RTL8211EVL芯片的compatible屬性用于驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)，增加1-wire總線描述等。通過對操作系統(tǒng)進(jìn)行配置的修改后，編譯生成相應(yīng)文件拷到SD卡上即可電自動(dòng)運(yùn)行Linux系統(tǒng)。

4 應(yīng)用層開發(fā)及系統(tǒng)測試

智慧環(huán)保系統(tǒng)應(yīng)用層的開發(fā)總體包括3個(gè)部分。首先是傳統(tǒng)環(huán)保數(shù)采儀的應(yīng)用程序開發(fā)，即T212標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。T212標(biāo)準(zhǔn)即《污染源在線自動(dòng)監(jiān)測（監(jiān)控）傳輸標(biāo)準(zhǔn)》，是應(yīng)用層的協(xié)議，該協(xié)議對數(shù)采儀與上位機(jī)交互（上傳、請求、反控等）的具體方法、傳輸格式等進(jìn)行了詳盡的描述。在實(shí)現(xiàn)之前與上位機(jī)交互之前需要實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ?，在Linux上移植輕量型數(shù)據(jù)庫SQLite3用于對數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能，LTE實(shí)現(xiàn)TCP協(xié)議[17-18]傳輸前需要實(shí)現(xiàn)撥號(hào)功能等。然后是針對智慧環(huán)保的環(huán)境感知功能的程序?qū)崿F(xiàn)，包括GPS/北斗定位信息和視頻信息的獲取與處理，涉及到定位坐標(biāo)的獲取、視頻編解碼庫的移植和針對視頻監(jiān)控應(yīng)用的開發(fā)等。第三部分是針對智慧環(huán)保云平臺(tái)接口的應(yīng)用程序開發(fā)，針對大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)的需求，對整個(gè)平臺(tái)獲取的信息進(jìn)行處理最終整合到云平臺(tái)。

應(yīng)用程序經(jīng)過編譯后，生成Linux操作系統(tǒng)的可執(zhí)行文件，拷貝到SD卡運(yùn)行。進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)擴(kuò)展板在ZYBO開發(fā)板下方用定位柱固定，如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)開發(fā)環(huán)境圖

5 結(jié)論

文中詳細(xì)介紹了基于ZYBO開發(fā)板的智慧環(huán)保環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件和操作系統(tǒng)層的實(shí)現(xiàn)，以Zynq SoC作為處理核心進(jìn)行了LTE傳輸、定位和視頻功能的集成，從硬件上解決了智慧環(huán)保監(jiān)測平臺(tái)存在的一些諸如數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性、定位、現(xiàn)場視頻監(jiān)控的問題。目前智慧環(huán)保平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)T212協(xié)議、定位和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控視頻的獲取。隨著進(jìn)一步的應(yīng)用開發(fā)，Zynq SoC平臺(tái)豐富的硬件資源和PS+PL的創(chuàng)新架構(gòu)在系統(tǒng)集成度、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和硬件設(shè)計(jì)靈活度方面的優(yōu)勢逐步展現(xiàn)。

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