王 小 輝

(1.西安郵電大學(xué) 人文與外國語學(xué)院,西安 710121； 2.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，西安 710119)

0 引 言

隨著當(dāng)今社會的高速發(fā)展，環(huán)境保護(hù)已成為本世紀(jì)內(nèi)人類必須面對的重大問題[1-2]。在過去的霧霾檢測中，大多數(shù)都是通過人為攜帶大型設(shè)備去采集環(huán)境的數(shù)據(jù)，雖然技術(shù)簡單，但設(shè)備精度不夠高，難以實(shí)時檢測[3]。隨著科技不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)與ARM處理器的結(jié)合可以完成大多數(shù)數(shù)據(jù)采集與傳輸。

本文基于ARM處理器與Linux操作系統(tǒng)的城市霧霾天氣監(jiān)測系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用價值[4-6]，可以廣泛應(yīng)用于商場、醫(yī)院、電影院等人流密集區(qū)域。

1 嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基于ARM11微處理器S3C6410芯片，連接所需傳感器與WiFi接口。使之搭載嵌入式Linux系統(tǒng)，通過交叉編譯添加需要的傳感器驅(qū)動程序，并且生成相對應(yīng)的Linux內(nèi)核[7]，最后將內(nèi)核導(dǎo)入Tiny6410中。利用傳感器采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)，通過Socket網(wǎng)絡(luò)通信完成數(shù)據(jù)傳輸[8-10]。整體系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

1.2 開發(fā)系統(tǒng)

系統(tǒng)采用HU-10S作為溫濕度傳感器，采用GP2Y10 10AU0F作為PM2.5傳感器，HU-10S通過I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，PM2.5傳感器經(jīng)過GPIO口與I/O口完成數(shù)據(jù)傳輸[11]，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

采用嵌入式Linux系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺，根據(jù)設(shè)計的需求對Linux系統(tǒng)的U-boot、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募訙p與定制，方便了對系統(tǒng)的開發(fā)。增加了對wireless USB WiFi驅(qū)動、溫濕度傳感器與PM2.5傳感器驅(qū)動，將寫好的編譯內(nèi)核模塊通過交叉編譯的方式增加到Linux內(nèi)核中去，同時減少設(shè)計所用不到的驅(qū)動，完成系統(tǒng)的最小化。通過Socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與讀取傳感器接收到數(shù)據(jù)，編寫程序完成對系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的調(diào)出，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測環(huán)境的信息采集與傳輸[12]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計利用HU-10S作為溫濕度傳感器并采用型號為GP2Y1010AU0F的傳感器采集PM2.5的數(shù)據(jù)。HU-10S溫濕度模塊通過傳感器接收到的非線性電阻信號由芯片LM2902轉(zhuǎn)換為電壓形式的電信號。GP2Y1010AU0F是由SHARP公司所研發(fā)的一個通過感器內(nèi)部所組成的相對分布的紅外發(fā)光二級管和光電結(jié)晶管的光學(xué)灰塵濃度檢測傳感器，其原理是利用光敏電阻的光敏特性檢測微小顆粒物的數(shù)量，從而根據(jù)輸出電壓的大小來判斷顆粒濃度[13-14]。

2 嵌入式Linux系統(tǒng)的調(diào)試與移植

Linux系統(tǒng)主要由U-Boot、Linux內(nèi)核、文件系統(tǒng)和用戶程序組成[15]。其中系統(tǒng)內(nèi)置的U-Boot代碼與Bootloader程序用于引導(dǎo)系統(tǒng)啟動，Linux內(nèi)核需要根據(jù)實(shí)際需求定制好相應(yīng)的代碼，文件系統(tǒng)主要包含文件系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)命令，此處使用rootfs_qtopia_qt4.img作為rootfs。應(yīng)用程序包括必須的驅(qū)動程序與交互界面等，即為Qtopia2.2的系統(tǒng)桌面。

2.1 嵌入式開發(fā)環(huán)境的搭建

主機(jī)安裝的Linux版本是Ubuntu14.0(64bit)，安裝并設(shè)置完后開啟虛擬機(jī)，即可開始使用Linux系統(tǒng)，并且之后進(jìn)行編譯前的配置。

(1) 建立交叉編譯環(huán)境。在嵌入式開發(fā)過程中，為了將一些復(fù)雜無法編譯的程序在內(nèi)存有限的目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，必須通過資源豐富的主機(jī)編譯生成可執(zhí)行文件，編譯完成后通過宿主機(jī)與開發(fā)板的連接，將所寫程序的.c文件移植到開發(fā)板中運(yùn)行，從而完成目標(biāo)機(jī)中程序的正常運(yùn)行。

本文使用的是arm-linux-gcc-4.5.1，通過更改交叉編譯版本以及配置文件可以成功建立交叉編譯。

(2) U_Boot。U-Boot(Universal Boot Loader)具有GPL款項的開放源碼項目[16]。系統(tǒng)引導(dǎo)是U-Boot的主要作用。大多數(shù)U-Boot源代碼是根據(jù)Linux內(nèi)核源代碼經(jīng)過精簡和演變而形成。U-Boot的工作流程主要由Stage 1和Stage 2組成,具體流程如圖3所示。

圖3 U-Boot工作流程

使用CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的部分大多在Stage 1通過匯編語言來完成，Stage 2用C語言完成，具有較好的可讀性和移植性。U-Boot啟動中的第1步是定義入口，由于起始點(diǎn)必須是唯一，故定義起始點(diǎn)在0x0處；第2步是設(shè)置異常向量，并調(diào)整處理器的實(shí)時時鐘、控制中斷等寄存器，并且調(diào)整內(nèi)存控制寄存器的參數(shù)；第3步是將ROM跳轉(zhuǎn)到RAM中并且繼續(xù)運(yùn)行。然后轉(zhuǎn)入U-Boot的Stage 2。

2.2 嵌入式Linux內(nèi)核的移植

(1) 配置和編譯busybox。實(shí)際開發(fā)中，各開發(fā)板資源不同，因此，busybox源代碼應(yīng)根據(jù)所需重新配置，然后使用缺省的配置文件：peizhi.config。Tiny6410使用此配置文件編譯出的busybox可滿足多方面的要求。進(jìn)入busybox源代碼目錄，輸入命令#cp peizhi.config .config拷貝此文件到相應(yīng)文件夾，然后輸入make進(jìn)行編譯。編譯完成后生成busybox文件。它和開發(fā)板有同樣的安裝放法，并且busybox一般是不用更新的。

(2) 制作yaffs2文件系統(tǒng)映像。進(jìn)入Linux系統(tǒng)目錄后執(zhí)行命令：#mkyaffs2image-128 MB rootfs_qtopia_qt4 rootfs_qtopia_qt4.img，將rootfs_qtopia _qt4目錄壓制為yaffs2格式的rootfs_qtopia_qt4.img系統(tǒng)映像文件，它適用于塊頁組織結(jié)構(gòu)為“1 Page=2 Kbyte，1 Block=128 K”的SLC Nand Flash(如K9F2G08，K9K8G08等)，下一步通過SD卡或者 USB下載可以把它燒寫到Nand Flash中。

(3) 移植嵌入式Linux系統(tǒng)?；赟D卡中的ini索引文件，修改安裝Linux系統(tǒng)所需的主要定義語句，配置部分如表1所示。表中，LCD共用同一個zImage，此系統(tǒng)所用的Superboot 會自動檢測 LCD 型號，Kernel源碼：arch/arm/mach-s3c64xx/mini6410-lcds.c會在 Command Line 中追加LED型號參數(shù)。撥動Tiny6410的“S2”開關(guān)為“SDBOOT”，并插入SD卡，伴隨著有序的“滴”聲音，Tiny6410開發(fā)板上的4盞綠燈開始閃爍，最后蜂鳴器響2聲，LED全部亮起，系統(tǒng)已經(jīng)完成了燒寫。執(zhí)行完畢后。重啟開發(fā)板就是Qtopia2.2.0系統(tǒng)了，如圖4所示。Qtopia是基于Qt開發(fā)的一個軟件平臺，主要用于嵌入式Linux系統(tǒng)或移動電話，Qtopia具有完善的窗口操作系統(tǒng)、游戲和多媒體等輔助應(yīng)用，可以縮短軟件的開發(fā)周期。

圖4 Qtopia2.2.0系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

3.1 Linux設(shè)備驅(qū)動

在Linux系統(tǒng)中，傳感器大多數(shù)被認(rèn)為是一種特別的外置裝置，Linux系統(tǒng)通過系統(tǒng)的讀取來進(jìn)行驅(qū)動和控制各種傳感器。而在嵌入式Linux系統(tǒng)中，傳感器的操控是通過將相應(yīng)的硬件驅(qū)動加入相應(yīng)位置得以實(shí)現(xiàn)的，之后硬件傳感器就使用打開，讀寫等程序函數(shù)代碼對硬件設(shè)備進(jìn)行配置與命令，這樣就可以通過嵌入式Linux直接對設(shè)備進(jìn)行訪問。其中,硬件設(shè)備具體功能有初始化設(shè)備、啟動或者停止設(shè)備、將硬件設(shè)備上的數(shù)據(jù)發(fā)送到用戶程序上,并且將用戶程序的指令發(fā)送到硬件設(shè)備里，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通。

3.2 溫濕度傳感器的程序設(shè)計

溫濕度傳感器的程序設(shè)計主要分為兩個階段，① 在內(nèi)核里面運(yùn)行，叫做內(nèi)核驅(qū)動程序;② 在用戶程序里運(yùn)行。這兩部分通過用戶程序里的文件操作函數(shù)完成數(shù)據(jù)的傳輸,具體的工作流程如圖5所示。

圖5 濕度測量的過程

首先啟動傳感器讀取相關(guān)引腳信息，根據(jù)時序控制經(jīng)過ADC采樣的方法完成采集信息的讀取。在用戶程序中，寫好了傳感器測量程序，其中就包括了ADC采樣與溫度，濕度對應(yīng)的函數(shù)值，此時可以輸出相應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)。

3.3 PM2.5傳感器的程序設(shè)計

PM2.5傳感器使用的是ADC信號的輸出方法。本文使用的Tiny6410開發(fā)板提供了一路GPIO口和一路I/O口，如果要收集檢測的數(shù)值，則必須通過GPIO向傳感器發(fā)送脈沖，通過發(fā)送1次脈沖，ADC即可采樣到1次數(shù)據(jù)，這樣就得到了此刻周圍環(huán)境PM2.5的濃度。具體流程見圖6。

圖6 PM2.5傳感器工作流程

在上述流程中，驅(qū)動部分首先將ADC通道的對應(yīng)引腳設(shè)置為輸入，之后將GPIO的數(shù)值拉低，隨后開始ADC轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，將采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶程序，最后拉高GPIO值，完成一次測量。而用戶程序收到了采樣數(shù)據(jù)之后，經(jīng)過計算輸出相應(yīng)的數(shù)值。

3.4 用戶程序的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)用戶程序的設(shè)計主要用以實(shí)現(xiàn)Socket網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，在嵌入式Linux中，Socket網(wǎng)絡(luò)通信是用戶訪問系統(tǒng)的主要途徑。通過編寫網(wǎng)絡(luò)連接與數(shù)據(jù)交換的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序?qū)鞲衅鞯淖x取，具體流程見圖7。

圖7 用戶程序的Socket通信

首先創(chuàng)建一個Server，并設(shè)置好待連接的端口。由PC機(jī)向目標(biāo)發(fā)起連接，如果Server發(fā)現(xiàn)連接信號，則接受連接請求，完成Socket的網(wǎng)絡(luò)連接。 然后打開設(shè)備文件，在/dev/gpio讀取ADC的采樣數(shù)據(jù)，通過收發(fā)文件函數(shù)完成連接。之后通過html的格式發(fā)送到客戶端。通信完成后，等待停止指令結(jié)束循環(huán)。

4 實(shí)測結(jié)果與分析

本文設(shè)計了一套基于Tiny6410開發(fā)板的環(huán)境檢測系統(tǒng)，實(shí)物如圖8所示，通過使用溫度計、濕度計以及天氣預(yù)報進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，從而驗(yàn)證本系統(tǒng)的設(shè)計精度。

為了驗(yàn)證測試效果，實(shí)驗(yàn)選定學(xué)校操場、地鐵口、醫(yī)院、工廠以及室外為5個待測地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)際測試，測試結(jié)果如圖9所示。圖中：左邊是手機(jī)收到的實(shí)時氣象信息，右邊是系統(tǒng)實(shí)際測試的結(jié)果。在戶外和大學(xué)操場上人流量較少實(shí)測數(shù)據(jù)偏低；在地鐵口、醫(yī)院人流密集的地方PM2.5的數(shù)據(jù)超過當(dāng)天預(yù)報值，在廠房由于工廠的廢氣排放超標(biāo)，也可以導(dǎo)致該區(qū)域顆粒物數(shù)量陡增。由此可見，本系統(tǒng)的對PM2.5的測試數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，可以作為實(shí)際測試的數(shù)據(jù)來源。

通過以上多個地點(diǎn)的不同實(shí)驗(yàn)，基于Tiny6410的城市霧霾檢測系統(tǒng)與實(shí)際的環(huán)境數(shù)據(jù)很接近，可以作為實(shí)際測試的相關(guān)需求。

5 結(jié) 語

將HU-10S和GP2Y1010AU0F傳感器根據(jù)其電氣特性及傳輸方法與Tiny6410開發(fā)板連接起來。通過嵌入式Linux系統(tǒng)的配置并且將配置好的內(nèi)核進(jìn)行移植。根據(jù)Tiny6410開發(fā)板和傳感器特性，以Socket網(wǎng)絡(luò)通信為基礎(chǔ)加入讀取傳感器采集的數(shù)據(jù)，可以完成本文的預(yù)定目標(biāo)。通過實(shí)際測量可見，本文設(shè)計的城市霧霾檢測系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)際測出的溫濕度以及PM2.5濃度與氣象預(yù)報相差不多，可以更好地滿足人們對環(huán)境參數(shù)實(shí)時測試的更高的需求。