基于ARM的嵌入式新型大气污染综合监控系统的研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 925.03KB 91 页 15积分
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摘 要
摘 要
随着生活水平的不断提高，人们越来越关注环境和健康问题。空气质量监测
作为环境保护的基础性工作，通过对大气环境长期的、大区域范围监测，获得大
量科学的基础数据，研究空气、污染物质量变化的规律及对环境生态的影响，为
政府制定环境管理决策、法规标准提供依据，促进社会经济的可持续发展具有重
要意义。因此，建立高性能价格比的环境大气质量远程监控系统，迅速、准确、
详实地提供最新大气信息，为改善居住环境，提高人们的生活质量提供技术保证
是十分必要的。
本文在分析空气质量监测系统发展趋势的基础上，结合现代监测仪器向智能
化、数字化发展的新需求，提出了新型大气污染综合监控系统的设计方案和具体
的功能要求。并在此基础上选取了高性能的 ARM 微处理器和嵌入式实时操作系统
作为系统开发平台。文章进行了以 samsung 公司 32 位嵌入式微处理器 S3C44B0X
为核心的嵌入式网络系统和 GPRS 无线传输模块的软硬件设计，并在系统硬件上实
现了 uClinux 嵌入式操作系统的移植和底层硬件驱动程序的编写，根据系统功能，
设计了相关的上层应用程序。
通过初步的试验和现场测试，该系统工作稳定可靠，数据实时传输，能够方
便将传统的监测设备接入系统中。因此，本系统的应用提高的大气污染监测的及
时性、可靠性和可预见性，具有较好的应用价值。
关键词: 空气质量 监控 GPRS 嵌入式系统 uClinux
I
ABSTRACT
ABSTRACT
With the development of people life quality, environment and health have
generally been paid more and more attention. The monitor on the air is fundamental to
the environment protection, as well as one of the important preconditions. This monitor
plays a critical role that government make environment management policies according
to air quality monitor in long time and wide range. Therefore, It is very necessary that
Air Quality Monitoring Systems is builded, which offering a quickly, reliable and
particular data on the quality of the atmosphere for improvement living space.
The thesis narrates the development of trend of Air Quality Monitoring Systems.
According to the new requirement of the modern monitoring instrument, it brings
forward the new function designs, and chooses ARM micro process unit and embedded
real operation system as development platform. This paper accomplished the software
and hardware design of the embedded network system, which based on the 32bits
embedded microprocessor S3C44B0X of Samsung company, and the GPRS wireless
transmission module; replanted the uClinux embedded operate system to the hardware
and compiled the hardware driver program, designed the relative application program
for the function of system.
Proved by the pilot experiment and the field test, the system works stably, data real
time transferred and can integrate traditional monitoring equipments easily. Therefore,
to improve the real time, credibility and predictability of air pollution monitoring, the
system has good application values.
Key words: Air quality, monitor, GPRS, embedded system, uClinux
- II -
目 录
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪 论........................................................1
§1.1 空气质量监测的目的和意义 ..................................... 1
§1.2 空气质量监测的国内外发展动态................................. 2
§1.2.1 国外空气质量监测的发展动态 ............................... 2
§1.2.2 我国空气质量监测的发展动态 ............................... 2
§1.3 嵌入式系统的现状和发展趋势................................... 3
§1.3.2 嵌入式技术发展现状 ....................................... 3
§1.3.3 嵌入式技术发展前景 ....................................... 4
§1.4 课题研究的主要内容........................................... 5
第二章 系统总体方案设计..............................................7
§2.1 嵌入式系统设计方法和原则..................................... 7
§2.1.1 嵌入式系统设计的具体方法 ................................. 7
§2.1.2 嵌入式系统设计原则及系统性 ............................... 8
§2.2 系统总体机构组成............................................. 8
§2.3 空气质量监测终端系统硬件规划 ................................. 9
§2.4 空气质量监测终端系统软件规划 ................................ 10
§2.1.2 嵌入式操作系统的选择 .................................... 11
§2.1.2 系统应用程序结构 ........................................ 12
第三章 嵌入式系统的硬件设计与开发...................................13
§3.1 微处理器的选型.............................................. 14
§3.2 GPRS 无线传输模块电路设计 ................................... 16
§3.2.1 GPRS 无线传输模块 ....................................... 16
§3.2.2 GPRS 硬件电路设计及硬件设置 ............................. 17
§3.3 系统中各单元电路设计........................................ 19
§3.3.1 电源电路 ................................................ 19
§3.3.2 复位电路 ................................................ 20
§3.3.3 Flash 存储器接口电路 .................................... 20
III
目 录
§3.3.4 SDRAM 接口电路 .......................................... 22
§3.3.5 串行接口电路 ............................................ 24
§3.3.6 I2C接口电路 ............................................. 25
§3.3.7 JTAG 接口电路 ........................................... 26
§3.3.8 以太网卡控制电路 ........................................ 27
§3.4 硬件系统的调试.............................................. 29
§3.4.1 电源、晶振及复位电路的调试 .............................. 29
§3.4.2 JTAG 接口电路的调试 ..................................... 29
§3.4.3 Flash 接口电路的调试 .................................... 31
§3.5 PCB 板设计 .................................................. 31
§3.5.1 电源质量与分配 .......................................... 31
§3.5.2 同类型信号线的分布 ...................................... 32
第四章 嵌入式操作系统在系统硬件平台上的移植.........................33
§4.1 嵌入式 UCLINUX 系统 ........................................... 33
§4.1.1 uClinux 系统概述 ........................................ 33
§4.1.2 uClinux 系统组成 ........................................ 34
§4.1.3 uClinux 内核源文件 ...................................... 35
§4.1.4 uClinux 内核特征 ........................................ 36
§4.2 引导程序 BOOTLOADER 的编写 .................................... 38
§4.2.1 BootLoader 的概念 ....................................... 38
§4.2.2 BootLoader 的结构设计 ................................... 40
§4.2.2.1 BootLoader 的stage1 设计 .............................. 40
§4.2.2.2 BootLoader 的stage2 设计 .............................. 43
§4.3 UCLINUX 开发平台的建立 ....................................... 43
§4.3.1 uClinux 开发平台 ........................................ 43
§4.3.2 uClinux 内核源代码的准备 ................................ 44
§4.3.3 交叉编译环境的建立和使用 ................................ 44
§4.4 UCLINUX 内核的移植 ........................................... 44
§4.4.1 uClinux 内核的修改 ...................................... 45
§4.4.2 uClinux 内核的配置 ...................................... 48
§4.4.3 uClinux 内核的编译 ...................................... 49
§4.4.4 uClinux 内核的下载与运行 ................................ 50
- IV -
目 录
　
　
　
　
　
第五章 系统应用软件的设计和移植.....................................53　
§5.1 基于 UCLINUX 平台的应用软件的开发流程 ......................... 53
§5.1.1 应用软件的编写 .......................................... 53
§5.1.2 添加应用程序到文件系统 .................................. 54
§5.2 用户和密码验证软件的移植.................................... 55
§5.3 各种辅助服务软件的移植...................................... 56
§5.4 基于 TCP/IP 协议的 GPRS 模块驱动程序的编写.................... 57
§5.4.1 GPRS 模块参数设定 ....................................... 57
§5.4.2 基于 TCP/IP 协议的数据传输程序的编写 ..................... 62
第六章 总 结........................................................69　
§6.1 本文完成的主要工作.......................... 错误！未定义书签。
§6.2 系统设计难点及性能分析...................................... 69
§6.2.1 技术难点 ................................ 错误！未定义书签。
§6.2.2 性能分析 ................................ 错误！未定义书签。
§6.3 工作展望.................................... 错误！未定义书签。
参考文献............................................................71　
附录一 PPP 协议栈移植的部分代码 ....................................75　
附录二 部分 GPRS 脚本配置文件.......................................80　
附录三 数据传输控制部分代码........................................82
V
第一章 绪 论
第一章 绪 论
本章简要介绍课题的背景、来源及在实际应用中的意义，分析国内外相关发
展动态，阐述嵌入式技术的概念、发展现况和前景，最后说明本课题研究的主要
内容。
§1.1 空气质量监测的目的和意义
空气质量监测是环境保护的重要基础工作。通过对大气环境调查与研究，在
对空气质量、污染源的定期跟踪监测及长期的、大区域范围监测的基础上，取得
大量科学的基础数据，研究空气、污染物质量变化的规律及对环境生态的影响，
为政府制定环境管理决策、法规标准提供依据，促进社会经济的可持续发展均具
有重要的意义。
近年来，大气污染成了人们十分关注的问题。人们对曾发生过的污染物超标
及光化学烟雾事件仍记忆犹新。随着环保意识的增强，使得环境监测，特别是空
气质量监测越来越接近人们的生活，而不是单纯的科学活动；环境状况，包括空
气质量的好坏也是评价投资环境的一个重要因素。一方面，空气质量监测的结果，
可以作为依据对各种工业生产活动的环境效应做出评价，并为环境执法提供了执
法依据；另一方面，人们对于知情自身生活区域的环境状况的强烈要求，使空气
质量预报逐渐成为空气质量监测的一个重要目的。空气污染对人类的生活、生产
以及对自然界的损害是十分严重的，因而进行空气质量的监测、控制与治理具有
重要的现实意义。
我国人口众多，人均资源有限，工业化、城市化起步较晚。环境压力很大，
尤其区域环境以城市为中心的大气污染较为严重。目前，被列为我国空气质量周
报首选监测对象的五大污染源（即可吸入悬浮物 PM10，SO2，NO2，CO 和O3）
的监测仪器目前主要依赖从国外进口，而这类仪器多是采用有线传输，效率低、
时间分辨率较差，无法进行在线监测。
我国的环境污染日益严重，监测技术落后，设备老化。鉴于这种现状，国家
在“十五”期间将加大在环境监测领域的投资，这对于监测技术的发展有很好推
动作用，也是难得的机遇。
- 1 -
摘要：

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