（通信与信息系统专业论文）环境监测系统及基于linux操作系统的嵌入式软件设计.pdf

摘要 随着科学技术的不断发展和人们对产品质量要求的不断提高，一些生产制造 行业对环境参数要求越来越高，经常需要对某些环境参数进行测量，尤其是药物 制造、化学相关工业、食品、医药仓储等行业，环境监测技术是其产品质量、安 全生产等方面不可或缺的保证。因此，运用当今高新科技开发功能丰富、灵活， 操作简便，测量范围广的监测仪，对环境参数进行有效监测具有非常重要的意义。 目前国内监测仪器，在技术、功能方面相对落后，存在不能多通道采集数据、 不能多点大范围测量、显示功能单一、处理核心多采用单片机、不能多功能打印 等问题，针对这些情况提出本课题基于嵌入式的多通道环境参数监测仪的研 究和开发，并采用了以下技术来改善监测仪性能：硬件上采用a r m 9 嵌入式微 处理器( $ 3 c 2 4 1 0 核心板) 代替功能单一的单片机，较高的处理速度、多样的外围 接口，提高、丰富了系统功能；引入操作系统l i n u x ，其内核小、功能强大有助 于监测仪的任务调度；用s q l i t e 数据库存储数据，占用空间小、易操作、存储 容量大；l c d 显示界面采用m i n i g u i 技术，使界面美观、多功能；加入了无线 采集网络，使用z i g b e e 无线组网协议，可把大范围内监测的各个点组成网络采 集数据；使用以太网和上位机通讯、传输数据；用s d 卡进行数据备份。 本论文详细介绍了硬件及软件系统的设计、开发方案：首先简要介绍了本课 题的研究背景、内容、意义，分析了国内外监测仪器的发展状况；第二章介绍了 嵌入式系统，包括嵌入式微处理器、嵌入式操作系统及其应用领域；第三章介绍 了系统硬件设计，详解了$ 3 c 2 4 1 0 的相关原理及其周边扩展接口的功能、实现； 第四章重点介绍软件开发内容，分模块介绍了应用程序实现原理、流程、相关函 数及编写调试过程中遇到的问题；第五章介绍了软件开发的环境构成、使用的相 关工具等；最后，对论文、工作进行了总结和展望。 关键词： 嵌入式系统，$ 3 c 2 410 ，l i n u x ，s q l i t e ，z i g b e e a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n dt h ei n c r e a s i n gq u a l i t yr e q u i r e m e n t so f p r o d u c t s ，s o m ep a r a m e t e r sl i k et e m p e r a t u r eo rh u m i d i t ym u s tb em e a s u r e di ns o m e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e st og u a m n t e eq u a l i t yo fp r o d u c t s f o re x a m p l e ，t h ei n d u s t r i e s p r o d u c i n gm e d i c i n e ，c h e m i s t r yp r o d u c t s ，s t o r i n gp r o v i s i o n sa n d s oo n t h em o n i t o r i n g t e c h n o l o g yi ss oi m p r o t a n tt ot h e s ei n d u s t r i e st h a tt h ed e v e l o p m e n to fm o n i t o r i n g d e v i c e sw i t hh i g ht e c h n o l o g i e si so fg r e a ts i g n i f i c a n c ei nm e a s u r i n ge n v i r o n m e n t p a r a m e t e r se f f e c t i v e l ya n da c c u r a t e l y g e n e r a l l y ，t h ed e v i c e si nc h i n a w i t hs c m ( s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r ) p r o c e s s o r c a n n o tc o l l e c td a t aw i t h i nw i d ea r e a ，p r i n ta n dd i s p l a yt h e mi nd i f f e r e n tw a y s i no r d e r t os o l v et h e s ep r o b l e m st oac e r t a i nd e g r e e ，t h ep r o j e c to fd e v e l o p i n gm o n i t o r i n g d e v i c e sa b o u te n v i r o n m e n t - p a r a m e t e r sb a s e d o ne m b e d d e ds y s t e mi sp r o p o s e d s e v e r a lh i g ha n dn e wt e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e d ：a r m 9w i t hf a s tp r o c e s s i n gs p e e da n d m a n yi n t e r f a c e si su s e di n s t e a do fs c m ；l i n u xo p e r a t i o ns y s t e mw i t ho p e ns o u r c e a n dc o m p l e t ef u n c t i o n s ，i su s e d ；s q l i t ed a t a b a s ew i t hl a r g ec a p a c i t y ，o c c u p i n ga l i t t l e m e m o r y ，i su s e dt os t o r ed a t a ；z i g b e ep r o t o c o li su s e dt of o r m aw i r e l e s sn e t w o r ko f m a n yn o d e sw i t h i nw i d ea r e a ，m a k i n gt h et r a n s m i s s i o no fd a t at oe m b e d d e ds y s t e m w i t hh i g h l ye f f i c i e n t ；e t h e r n e ti su s e dt oc o m m u n i c a t ew i t hh o s tc o m p u t e r t h ed e s i g n p r o p o s a l s a r ed e s c r i b e di n d e t a i li n t h i sp a p e r a tf i r s t ，t h e b a c k g r o u n d ，c o n t e n t , s i g n i f i c a n c ea n ds i t u a t i o no fm o n i t o r i n gd e v i c e sa th o m ea n d a b r o a do ft h i sp r o j e c ta r ei n t r o d u c e d ；i nt h es e c o n dc h a p t e r ，m i c r o p r o c e s s o r ，o p e r a t i o n s y s t e ma n da p p l i c a t i o no fe m b e d d e ds y s t e ma r ed e s c r i b e d ；i nc h a p t e rt h r e e ，h a r d w a r e d e s i g no ft h i sm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s c r i b e df r o mt h e o r i e sa n df u n c t i o n so f $ 3 c 2 4 1 0 ； t h o u g h to fs o f t w a r ed e s i g ni sm a i n l yi n t r o d u c e df r o mt h e o r i e s ，p r o c e s s ，r e v e l e n t f u n c t i o n sa n dp r o b l e m sm e ti nd e b u g g i n gi nt h ef o u r t hc h a p t e r ；i nt h ef i f t hc h a p t e r ， t h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，u s e dt o o l sa n dd e b u g g i n gm e t h o d sa r ed e s c r i b e db r i e f l y ； f i n a l l y ，t h es u m m a r ya n do u t l o o ko f t h i sd e s i g np r o p o s a la r eg i v e n k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ，$ 3 c 2 4 10 ，s q l i t e ，z i g b e e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特另t l d h 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孟继红 签字日期：珈g 年 6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：盘维纽 导师签名： 签字同期： 沏8 年6 月多1 7 1 莎纠辱援 签字嗍硼肛石月弓目 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 随着科技的进步和人们对产品质量要求的不断提高，环境逐渐成为了人们关 注的焦点，不仅指人们赖以生存的大气环境质量，如硫氧化物、氮氧化物等超过 一定含量将对人类健康和生态环境都带来极大危害，还包括一些工业生产场所， 如炼铁厂、电子器件制造、药物制造及大棚农业生产等行业，由于这些行业的生 产过程对环境参数要求较高，需要知道温度、湿度或某些气体含量情况，以便对 产品质量、生产环境进行监测、控制。环境监测仪器被认为是今后仪器仪表产业 的重大方向，生产企业如果没有足够的环境监测能力，将难以做出正确决策。针 对这一情况，研制可靠且实用的环境参数监测系统就显得尤为重要。 温度、湿度这两个常见环境参数，均是工业生产中最基本的工业参数之一， 也是各学科与工程研究设计中经常遇到和必须精确测量的物理量。不论是粮食、 药材仓库，还是图书保存及区域性森林防火等，都需要在符合规定的温度和湿度 环境条件之中。随着测控技术在各个领域的广泛应用，监测仪出现在工业、农业、 日常生活等方面，这些场合一般都需要在大范围内对分布检测点进行测量。 然而长期以来，许多场合的终端设备都是采用单片机、串口通信、工控机的 模式实现数据采集与控制，内部存储容量有限，需要与具有强大数据处理能力和 丰富软件资源的微机组成分布式系统，这些终端单元都具有分散性、独立性，通 信距离短，不便于系统的集中统一管理，不支持大量数据的备份，并且现场带有 笨重的p c 机。另外当需要监控的面积比较大时，多点监测也成为问题。 随着网络技术、嵌入式技术和数据库技术的不断发展，将各种先进技术应用 在工业监测领域，使得系统功能更丰富、性能更稳定已经成为可能。针对环境参 数要求比较高的生产制造行业，为了更好地解决目前环境监测技术方面存在的问 题，本课题提出了一种基于嵌入式a r m 9 和l i n u x 操作系统的多通道环境参数 监测仪的研发方案，为实现环境参数的多点监测、智能操作提供了一种新颖的技 术组合。其具体内容在随后本章研究内容部分有详细介绍。整体系统主要工作流 程如图1 1 所示。 该系统综合了多种先进技术使监测仪的研发一开始就站在了科技起跑线的 前端，产品将具有广阔的市场空间。图1 2 为环境参数监测仪系统总体结构图。 第一章绪论 1 环境参数监测系统的有线采集通道或通 过z i g b e e 协议把各个采集数据的传感器组 成的无线采集网络，通过r s 2 3 2 串行口将 数据送给嵌入式系统： 4 上位机定时向嵌入式系统发送传输数 据请求，嵌入式系统接收到请求后通过 以太网向上位机发送数据，存入到采用 d e l p h i 技术建立的数据库中统一管理。 2 嵌入式系统在l i n u x 操作系统下 把接收送来的数据处理为实际物理 量形式( 如温度、湿度等) ，存储到 s q l i t e 数据库中； 3 手持设备显示界面采用m i n i g u i 制作，通过多功能菜单，客户可根 据需要从数据库查询相关监测节点 数据、变化曲线，显示在界面上； 图1 1 监测仪系统工作流程 1 2 嵌入式技术的发展及广泛应用 当今世界，以计算机技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式技术取得了 迅猛发展，广泛渗透到工业控制、家电、娱乐等各个领域。现代控制技术、多媒 体技术与i n t e m e t 的应用与普及，促使消费电子、计算机、通信一体化趋势步伐加 快，使得嵌入式技术成为一个新的研究热点【1 1 。 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户应用软件等部分组成，用于实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。嵌入 式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格的要求，属于专用计算机系统。特别近年来，嵌入式操 作系统和微处理器飞速发展，给嵌入式系统的发展提供更高的要求、也为其功能 创新注入活力【引。 嵌入式体系结构如图1 3 所示。嵌入系统有三个明显的特征：专用性、实时 性、可靠性。专用性是指嵌入式计算机系统用于特定设备完成特定任务；实时性 是指与实际事件的发生频率相比，嵌入式系统能够在可预知的极短时间内对事件 或用户的干预做出响应；可靠性是指嵌入式计算机嵌入到系统或设备中，用户一 般不直接接触控制，因此一旦工作就要求它可靠运行。 嵌入式技术发展大致经历了三个阶段【3 】： 第一阶段是以单芯片为核一t l , 的可编程控制器形式的系统，具有与监测、伺服、 指示设备相配合的功能。这类系统大部分应用于一些专业性强的工业控制系统 中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶 段系统的主要特点是：系统结构和功能相对单一，处理效率较低，存储容量较小， 2 第一章绪论 图l _ 2 系统总体结构图 第一章绪论 软件结构 叫处理器r - _ 二困 硬件结构 图1 3 嵌入式系统组成 几乎没有用户接口。由于这种嵌入式系统使用简单、价格低，以前在国内工业领 域应用较为普遍，但是已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制 和新兴信息家电等领域的需求。 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。主 要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统达到 一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。主要特点是：嵌入式操 作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核小、效率 高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、多任务、网络支持、 图形窗口等功能；具有大量的应用程序接i z i a p i ，开发应用程序较简单；嵌入式 应用软件丰富。 嵌入式系统软件发展大致经历了两个阶段，一是汇编语言编制成的软件，二 是嵌入式软件内核的发布。而以l i n u x ，v x w o r k s ，w i n d o w sc e 为代表的嵌入式 操作系统现在已在嵌入式系统中占据了主流地位。目前嵌入式技术的发展主要着 眼于微处理器系统、软件系统、与工业控制结合、与互联网结合几个方向1 4 j ： 硬件方面：嵌入式微处理器已经由8 位、1 6 位芯片向3 2 位、6 4 位发展，包括 i n t e l 、a m d 、m o t o l o r a 、t i 、p h i l i p s 在内的众多嵌入式处理器厂商在技术研发上 都投入了大量的人力和资金，力图抢占嵌入式处理器这个前景广阔的市场。 软件方面：特别是嵌入式操作系统领域，存在多种操作系统并存，各有特色。 一方面既有q n x 、v x w o r k s 以及w i n d o w s c e 这些实时性好、专业性强、稳定性 可靠的商用嵌入式操作系统；另一方面也有, c o s 及嵌入式l i n u x 这些操作系 统源代码开放，便于进行二次开发的开放型嵌入式操作系统。 低功耗、高性能、高可靠性的系统需求。使以嵌入式处理器为领头的国产 c p u 、片上系统( s o c ) 、片上网络系统( n o c ) 将有很大的发展。 l i n u x 正逐渐成为嵌入式操作系统的主流。嵌入式操作系统内核不仅需要具 有微型化、高实时性等基本特征，还须向高可靠性、自适应性、构件组件化方向 4 第一章绪论 发展：支撑开发环境将更加集成化、自动化、人性化；系统软件对无线通信和能 源管理的功能支持将日益重要。 随着i n t e m e t 的发展，嵌八式技术正与信息家电和3 c 产品相结合。信息化、 智能化和网络化将成为嵌入式技术新的发展方向。智能手机、数字电视，以及汽 车电子的嵌入式应用，只是一个切入点，伴随网络技术的发展，以嵌入式移动设 备为中心的“嵌入式时代”将成为现实。 目前嵌入式设各已经深入到人们生活的各个角落【5 j = 1 国防武器设备：如导弹瞄准、雷达识别、电子对抗设备等。 2 通信信息设备：如路由器、程控交换机、机顶盒、移动电话等。 3 智能仪器：如医疗仪器、网络分析仪、示波器等。 4 消费产品：各种各样的家电信息产品，如电子玩具、m p 3 、p d a 、汽车 电子、电磁炉，电梯、安全系统、自动售货机、自动取款机等。 5 生物微电子技术：这是当今技术的前沿应用，有着广阔的市场空间。 美国著名的未来学家尼葛洛庞帝在1 9 9 9 年访华时曾预言，4 至5 年后嵌入式系 统将是继p c 和i n t e m e t 后最伟大的发明。事实的发展验证了这个预言的正确性， 随着嵌入式系统技术日益完善，嵌八式操作系的统逐渐成熟，它与网络、i n t e r n e t 结合将日益密切，嵌入式系统应用将日益广泛。现在嵌入式处在高速发展阶段， 未来几年这种竞争将愈演愈烈。 1 3 国内外环境监测技术研究现状 1 国外研究现状 随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，监测领域发生了巨大变化，环境 参数如温度和湿度在监测控制方面的研究有明显的进展。美国、日本的监测设施 近2 0 年来发展很快，他们结台本国条件做出了具有创新特色的成就，其环境监控 技术均有较高水平，但监控设各价格昂贵。下面以温湿度监测为例介绍几种产品： ( 1 ) 温湿度记录仪美国a p k e s y s h p 目1 4m - t r i p 带打印温湿度数据记录仪 第章绪论 a p r e s y s m n p 温湿度记录仪其有打印温湿度数据功能，是专门设计用于 疫苗的储存、冷藏运输、食品安全监测等系统领域的产品。 相对湿度：测量范围0 r ht o1 0 0 r h ：精度+ - 3 r h 温度：测量范围一1 5 0 t o7 0 0 ：精度+ 0 5 超大液晶屏，可显示温湿度记录； 微型打印机：与记录仪可以装成一个整体，直接打印当时温湿度记录； o 具有强大的显示功能，高精度棒图显示、实时趋势曲线显示、历屯曲线追忆、 超限报警、报警状态显示； 提供智能化历史趋势全自动回放功能，查找报警点极为方便，同时提供定位回 放功能直接查询某年、月、日、时、分、秒的数据，方便快捷； 记录时间：记录间隔：1 ，2 ，5 ，1 0 ，1 5 ，3 0 ，6 0 ，1 2 0 ，2 4 0 秒可选； 美国的a p r e s y s 系列产品一直在不断创新、改进，使功能日渐丰富，目 前推出的环境温湿度监测仪，采并j 了最新的计算机i c 芯片，有汉字化的液晶显 示，采用多层菜单选择，整体美观，一体化的温湿度传感模块，微型面板式打印 机，既能打印当前的温湿度数据，也能按月打印记录长选一年的数据。 ( 2 ) 温度检测仪美国雷泰公司( r a y t e k ) 图i - 5 红外线温度检删仪( s a i - 1 一叭)图i 红外测温仪r a y t e k 3 1 2 m l 3 美国雷泰公司生产的系列红外测温仪，由于具有测量温度范围宽，并为从更 远的距离或从同样的距离测量较小物体的温度而改进了光学分辨卒，满足工业上 特殊的红外测温。多用在电力故障检测与维护、冶金、水泥、塑料、石化等行业。 r a y s t 2 0 x b 红外线测温仪标准的配置还包括耐用的橡胶外壳和一个塑料 保存箱，外形小巧，携带方便；激光瞄准，安全可靠、快速显示：测量准确，蓝 色背光，高档品质：超低价格，性能卓越。 测温范围：2 9 一+ 4 5 0 、一2 5 + 7 2 0 ： 工作波段：7 u m 一18u m ：辐射率：0 1 0 - 10 0 ： 红外测温仪r a y t e k 3 1 2 m l 3 性能： 第一章绪论 测量范围：2 0 0 - 1 8 0 0 ，最高温度可以达到3 0 0 0 ： o 测量功能；实时值、最小值、最大值、平均值、差值、数据重调、高低温报 警数据记录、内存1 0 0 点、环境温度补偿； 测量精度：测量值的1 ( 1 m 型：o5 ) 或i ； 液晶显示；1 为单位，4 位带背景光的液晶数字显示，7 秒保持； 从以上介绍可以看出国外的监删仪器在测量范围广、精度高、低功耗，各种 曲线的绘制、打印、显示方面拥有较高技术水平，已经实现了高精度棒图、实时 趋势曲线、历史数据曲线显示等。界面美观、操作便捷、功能齐全。数据采集时 更是采用了红外技术，提高采集数据的精确度，使其更具有参考性、准确度。发 展方向是软件和硬件一体化、性能稳定。这些技术优势都值得借鉴。 2 国内研究现状 我国测量仪器技术的发展，多依赖于国外产品的二次创新、改进，对吸收国 外先进经验、推动温度湿度自动检测产生了积极的作用。 ( 1 ) 北京威铭首旺电子机械设备有限公司卜1 6 路智能温度巡检仪 颐阐网 卜翼嘲习 - - - l 二二_ 引1 7 】1 6 路智能温度进检仪 巡检路数：最少1 路，最多1 6 路( 根据客户要求订做) ： 巡检方式：手动或自动巡检，按键切换，操作方便i 显示方式：双排数码管，上排显示当前通道温度测量值，下排显示站号即通道 号( 同时，有通道指示灯显示) ： 传感器：可配接热电偶、热电阻传感器； 采用工业仪表专j j 芯片，全集成化设置，使仪表的精确度、稳定性及抗干扰等 性能显著提高，且功能极为丰富+ 有配套的数据分析处理软件，可显示每路温度值，用户可根据需要设置各种参 数( 如巡榆时间，且软件具有温度记录间隔时间可设置功能，温度值可数字显 示，也可坐标曲线显示，还可对历史记录数据进行查询) 。如图l - g ，1 - 9 所示。 测量范围：备种温度范围均可定做 输入信号： 热电偶k ( o 】3 0 0 ) e ( 0 8 0 0 ) s ( o 1 6 0 0 ) j ( 0 1 0 0 0 ) 第章绪论 热电阻：p t l 0 0 ( - 2 0 00 2 0 0o c ；0 6 0 0 0 c ) c u 5 0 ( 5 0o 1 5 0o c ) 4 * z *2 1 b e 自 图1 - 8 软件显示的表格数据 图1 4 软件显示的数据曲线 第一章绪论 2 ) 北京安伏电子公司制造- - t p - 2 2 0 0 温湿度数据记录器 褰多 圈l 一1 0t p2 2 0 0 温湿度数据记录器 可对4 0 。c + 1 2 3 8 c 范围的温度和0 1 0 0 r h 的湿度进行自动记录； 具有高湿度测量精度c 2 r m ，采用内置温湿度传感器，提供长期运行的稳 定性和高精度，它能提供更快的温度和湿度响应： 采用高容量锂电池，最大连续使用寿命可选2 年； 内置实时时钟，为每个记录提供精确定时，温度采集时间间隔可由用户自由设 定，从1 0 秒至7 天范围内可选，具有用户可编程的开始记录时间和在线实时 温度监捌功能： 具有3 2 k b y t e 的非易失存储器，可记录高达1 5 8 7 2 个记录，即使在电池耗尽时， 也能保证已记录的温度数据的安全； t p 一2 2 0 0 温湿度数据记录器的数据读取非常方便，将记录器通过电缆连接到 电脑串口上，使用配套软件即可下载和分析已记录的数据，存储到计算机上，进 行曲线及报表分析和打印。 目前国内产品在高精度测量、多通道扩展方面取得了不错的成绩，虽然显示 数据需借用电脑，但也能满足不同形式的显示要求，提升了仪器的整体水平，从 产品应用看性能比较稳定。市场上也出现了采集通道可根据用户需求灵活设定、 界面显示内容丰富的监测仪器，可以看出在这方面国内的技术正在日渐提高。当 然在技术方面还有很多不足的地方：如功能单一，操作灵活性不够、显示、数据 存储方面都存在缺陷，高新技术没有得到应用，降低了产品的前沿性多点测量 问题没有解决等问题。总的来说，中国要在消化、吸收国内外先进技术的基础上， 进行总结提高、集成创新、开发接近或达到世界先进水平的智能化监测仪器。 1 4 研究内容、意义 1 研究的内容 区 第一章绪论 本课题目的是解决环境监测中大面积多点数据采集、处理、存储备份、仪器 界面显示和数据传输问题。该研发方案系统具有的功能如下： 数据采集：能够通过有线、无线两种工作方式采集多个节点数据； 宰数据处理：能够用l i n u x 操作系统和嵌入式数据库相结合的方法完成采集 数据的规范存储： 幸数据显示：能够通过l c d 和自制小键盘进行数据的查询显示操作； 枣数据备份：能够通过s d 卡备份大量历史数据： 木数据传输：能够通过以太网方式向上位机传送数据； 系统研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 通过对嵌入式系统、嵌入式微处理器a r m 系列和无线组网协议的消化吸 收，掌握嵌入式及无线组网技术z i g b e e 的工作原理，研究开发具有自主知识产 权的基于嵌入式a r m 9 的环境参数监测仪。 ( 2 ) 研究嵌入式l i n u x 操作系统的编程环境，进行l i n u x 操作系统下s q l i t e 数 据库、m i n i g u i 图形界面系统的编译和移植。 ( 3 ) 研究c 和m i n i g u i 、s q l i t e 的编程语言，设计软件系统，包括设备驱动程 序、控制应用程序和人机交互界面的开发。 ( 4 ) 研究上位机d e l p h i 软件的编程语言，设计数据库系统，包括数据存储、管 理、曲线显示历史数据、采集点的真实分布图的开发。 ( 5 ) 研究嵌入式板子的二次开发，包括板子功能增减、电路板绘制、焊接、调 试、外壳制作等，使其功能适合本系统。 笔者在此课题中主要承担系统软件方面的研究和开发工作，包括l i n u x 操作 系统和s q l i t e 数据库的编译和移植，通过串口把有线通道无线通道采集的数据 传输给嵌入式系统，接着把数据存入数据库、与m i n i g u i 界面相配合的接1 2 i 程 序以及嵌入式与上位机的数据通讯工作的编程实现。 2 研究的意义 鉴于国内环境参数监测技术的不成熟、仪器功能的不完善，本课题的研究具 有开拓、创新性，有助于研究人员能力的培养、科研水平的提高，提高国内监测 仪器的水准，提高相应行业的监测准确度、灵活性、便捷性，也可以开辟广阔的 市场空间，为企业带来巨大利润。 本研发系统和传统的监测仪相比，具有以下优点： ( 1 ) 采用先进的嵌入式( 基于a r m 技术的处理器) 系统，更具有实时性； ( 2 ) z i g b e e 无线组网技术使终端传感器的管理走向集中； ( 3 ) 利用有线、无线多通道采集方式，可以同时多通道采集温湿度等数据进 行测控，适应不同场合的要求； 1 0 第一章绪论 ( 4 ) 通过以太网把数据传到上位机进行存储，可以宏观、远程监测、管理各 个节点的数据情况； ( 5 ) s q l i t e 嵌入式数据库的应用方便了手持设备的界面显示； ( 6 ) s d 卡可以对数据进行备份，以备后用； ( 7 ) m i n i g u i 技术成熟，成本低、开发方便，也使显示界面更美观、简洁； 。( 8 ) 带有打印数据、曲线功能； ( 9 ) 现场手持设备，可取代大量前置p c ，查看多节点的参数值，方便快捷； 基于网络的嵌入式数据采集系统的应用前景看好，特别是在工业应用中有着 迫切的需求和非常广阔的市场。工业控制或自动化生产中，采用无线组网、嵌入 式处理、远程监控技术能提高生产力，降低外出办公次数，而所有这些最终都转 化为总体职员需求量的减少。对于一个企业，由于职员数量的减少所带来的费用 节约是最明显的经济效益。同时，它能提高工业科技化程度，间接起到提升企业 竞争力的作用，为企业的发展带来良性循环。 第二章嵌入式系统 第二章嵌入式系统 当今嵌入式系统应用领域也越来越广，日常生活中使用嵌入式技术的电子产 品不胜枚举，如m p 3 、p d a 、手机、智能家电、车载电子设备等，在工业和服 务领域中也有广泛应用。随着信息化技术的发展和数字化产品的普及，以计算机 技术、芯片技术和软件技术为核心的嵌入式系统成为目前热门研究之一。嵌入式 系统的开发与应用也将随着i n t e r n e t 应用的进一步普及，无线网络的兴起，个人 设备将取代p c 成为互联网的主题，这意味着嵌入式系统必将得到飞速的发展。 2 1 嵌入式系统介绍 2 1 1 定义 根据e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是“用来控 制或者监视机器、装置、工厂等大规模系统的设备”。一般，嵌入式系统被定义 为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可剪裁，对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格的要求，属于专用计算机系统。换句话说嵌入式系统就 是一个计算机软件和硬件的结合体，它是为了完成某种特定的功能而设计【2 1 。 2 1 2 系统构成及特点 一般而言，嵌入式系统主要由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系 统以及用户应用软件四部分组成，如图2 1 所示，用于实现对其它设备的控制、 监视和管理等功能【6 】【7 】。 1 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用处理器最大 的不同点在于，嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中，它 将通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统 在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。 嵌入式处理器的体系结构经历了从c i s c ( 复杂指令集) 至r i s c ( 精简指 令集) 和c o m p a c t r i s c 的转变，位数则由4 位、8 位、1 6 位、3 2 位逐步发展到 6 4 位。目前常用的嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e r u n i t ，m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、 1 2 第二章嵌入式系统 、 嵌入式应用软件 、 嵌入式操作系统 、 嵌入式处理器嵌入式外围设备 嵌入式硬件平台 、 图2 1 嵌入式系统的组成 用于计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ， e d s p ) 和高度集成的嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 【5 1 。如图所示： 图2 - 2 嵌入式处理器分类 目前几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司开始拥有 自主的处理器设计部门，据不完全统计，全世界嵌入式处理器已经超过1 0 0 0 多 种，流行的体系结构有3 0 多个系列，其中以a r m 、p o w e r p c 、m c6 8 0 0 0 、m i p s 等使用得最为广泛。 2 嵌入式外围设备是指在一个嵌入系统硬件系统中，除了中心控制部件 ( m c u 、d s p 、e m p u 、s o c ) 外，用于完成存储、通信、调试、显示等辅助功 能的其他部件，都可算作嵌入式外围设备。目前常用的嵌入式外围设备按功能可 以分为存储设备、通信设备和显示设备三类。 存储设备主要用于各类数据的存储，常用的有静态易失型存储器( 洲、 s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易失型存储器( r o m 、e p r o m 、e e p r o m 、 第二章嵌入式系统 f l a s h ) 三种，其中f l a s h 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、 价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。 目前存在的大多数通信设备都可以直接在嵌入式系统中应用，包括r s 2 3 2 接口( 串行通信接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、k d a ( 红外线接口) 、e c ( 现场总线) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h e m e t ( 以太网接口) 等。 由于嵌入式应用场合的特殊性，通常使用的是阴极射线管( c i 汀) 、液晶显 示器( l c d ) 和触摸板( t o u c hp a n e l ) 等外围显示设备。 3 嵌入式操作系统是指在嵌入式大型应用中，为了使嵌入式系统的开发更加 方便和快捷，需要有专门负责管理存储器分配、中断处理、任务调度和定时器响 应，以及提供多任务处理等功能的稳定、安全的软件模块集合。 嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，通常包括与硬件相关的 底层驱动程序、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形用户界面( g u i ) 等。 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资 源，能够对硬件进行抽象，能够提供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通 用操作系统相比，嵌入式操作系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及 应用专用性等方面，具有更加鲜明的特点瞵j 。 嵌入式操作系统可分为两大类，如图2 3 所示：一类是面向消费电子产品的 非实时系统；另一类则是面向控制、通信、医疗等领域的实时操作系统，如 w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、q n - x 系统软件公司的q n x 等1 5 j 。 4 嵌入式应用软件是针对特定应用领域，基于某一固定的硬件平台，用来 达到用户预期目标的计算机软件，由于用户任务可能有时间和精度上的要求，因 此有些嵌入式应用软件需要特定嵌入式操作系统的支持。嵌入式应用软件不仅要 求其准确性、安全性和稳定性等方面能够满足实际应用的需要，而且还要尽可能 地进行优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 嵌入式系统有如下特点【9 l ： ( 1 ) 面向用户、面向产品、面向应用 1 4 第二章嵌入式系统 和通用计算机不同，嵌入式系统的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理 能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，如果独立于应用自行发展， 则会失去市场。 ( 2 ) 高效性、高可靠性 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争 在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器的选择面前 更具有竞争力。在硬件方面，嵌入式系统要针对用户的具体需求，对系统进行裁 剪和添加才能达到理想的性能。在软件方面，要求代码高质量、高可靠性，配备 专门的程序编写和编译工具，且性能要高，减少程序代码长度、提高执行速度、 节省宝贵的存储空间。 ( 3 ) 相对稳定性 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同 步进行，因此嵌入式产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。嵌入式系统中的 软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以 嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。另外，各个行业的应用 系统和产品，很少发生突然性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承 性和技术衔接性，发展比较稳定。 ( 4 ) 软件要求固化存储 为提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存 储器芯片或单片机本身中，而不是存储在磁盘等载体中。 ( 5 ) 操作系统要求具有较高实时性 通用计算机应用程序开发完成后的软件都在o s 平台上运行，一般不是实时 的。嵌入式系统则不同，应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为 了合理地调度多任务、利用系统资源，用户必须自行选配r t o s 开发平台。尤其 是在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同的任务进行统筹兼顾的合理调度是 保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理器速度是无法完成的，也没有 效率。这种任务调度只能由操作系统来完成，因此操作系统的实时性是基本要求。 2 1 3 嵌入式的应用 通用计算机具有计算机的标志形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目 出现并应用在社会的不同方面，其典型产品为个人计算机；而嵌入式计算机是嵌 入宿主设备，只能完成宿主设备功能的计算机，它是以嵌入式系统的形式隐藏于 各种装备、产品和系统中。 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机 1 5 第二章嵌入式系统 的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、硬盘、显卡、显 示器、网卡、m o d e 、声卡、打印机、u s b 集线器等均是嵌入式微处理器控制的。 制造工业、过程控制、网络通信、仪器仪表、汽车船舶、军事装备、消费类产品 均是嵌入式计算机的应用领域，如图2 - 4 所示【5 】o 网络 图2 - 4 嵌入式产品应用领域 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具 体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高 度分散、不断创新的知识集成系统。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1 万亿美元，来自美国嵌入式系 统大会( e m b e d d e ds y s t e mc o n f e r e n c e ) 的报告曾指出，未来几年仅基于嵌入式计算 机系统的产品，就将在美国产生一个每年1 5 0 0 亿美元的新市场，由此可见嵌入 式计算机工业的规模和广度。 2 2 嵌入式微处理器 2 2 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器在嵌入式系统中处于核心地位。目前常用的嵌入式处理器可分 为低端的嵌入式微控制器( m c u ) 、中高端的嵌入式微处理器( e 脚u ) 、用于 计算机通信领域的嵌入式d s p 处理器( e d s p ) 和高度集成的嵌入式片上系统 ( s o c ) 。其中嵌入式微处理器应用最为广泛。 1 6 第二章嵌入式系统 嵌入式处理器有许多种流行的处理器核，芯片生产厂家一般都基于这些处理 器核生产不同型号的芯片，其中市场上主流的3 2 位微处理器有a r m 、p o w e r p c 、 m i p s 、x 8 6 等，其中a r m 占有7 5 以上3 2 位r i s c 嵌入式产品市场。 嵌入式微处理器一般就具备以下4 个特剧1 0 】： 1 对实时多任务有很强的支持能力。能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 2 具有功能很强的存储区保护功能。嵌入式系统的软件结构己模块化，为 了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能， 同时也有利于软件诊断。 3 可扩展的处理器结构。以能最迅速地开发出满足应用的最高性能嵌入式 微处理器。 4 功耗很低。尤其是用于便携式无线及移动的计算和通信设备中，靠电池 供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有m w 甚至l a w 级。 2 2 2a r m 微处理器 1 a r m 体系简介 在进行嵌入式系统的开发时，首先面临的难题就是如何挑选一个适合自己的 开发平台。a r m 系列处理器是专门针对嵌入式设备设计的，是目前构造嵌入式 系统硬件平台的首选。 a r m 即a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 的缩写，既可以认为是一个公司的名字， 也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 8 5 年4 月2 6 日，第一个a r m 原型在英国剑桥的a c o r n 计算机有限公司诞生，由美国 加州s a n j o s e v l s i 技术公司制造。1 9 9 0 年成立了a r m 公司。2 0 世纪9 0 年代， a r m3 2 位嵌入式p d s c f r e d u c e di n s t r u