基于ARM的嵌入式森林防火预警系统系统设计

安徽工程大学毕业设计（论文）I基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计摘要森林火灾作为一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害之一，其防治工作已经成为中国防震减灾和国家公共应急体系建设的重要组成部分，因此设计并完成一种有效的森林防火预警系统对国家建设有着重要的意义。为此，本文介绍一种基于嵌入式的森林防火预警系统。此系统要满足长期、无间歇监控工作的需求，研究发现，ARMLINUX嵌入式体系具有低功耗、开源稳定等特性，该系统采用ARM9系列的S3C2440A芯片作为核心控制器，通过对LINUX内核中VIDEO4LINUX2驱动的使用，利用摄像头将现场信息传送到监控中心，并通过各类传感器将森林的温湿度、烟雾等数据采集出来，经AD转换及IO数据的读取，将得到的数据传给主控制器，同时通过网络协议传送至监控方。主控制器进行数据融合分析，决定是否鸣叫警示和发送报警信息。本系统不仅能自动监控、报警，又能通过网络将信息传送至监控处，使得监控人员更加了解森林情况，从而更加有效及时地对森林火灾进行预警报告。ARMLINUX嵌入式体系结构化的开发模式具有稳定、可靠、易维护等特点，分析与测试表明，此系统采集数据具有较高的可靠性，数据分析精确，能够及时报警，这种灵活的森林防火预警系统在实现全天候远程监控的同时更提高了预警质量，有望在今后得到广泛的应用。关键词森林防火预警；低功耗；开源；ARMLINUX；数据融合；远程监控郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计IIDESIGNOFEMBEDDEDFORESTFIREPREVENTIONANDWARNINGSYSTEMBASEDONARMABSTRACTFORESTFIREISONEOFTHENATURALDISASTERS,WHICHISONEOFTHEMORESUDDEN,DESTRUCTIVEANDDIFFICULTTODISPOSEANDRESCUEITSPREVENTIONANDCUREHASALREADYBECOMETHEIMPORTANTPARTOFTHECHINAEARTHQUAKEDISASTERREDUCTIONANDTHENATIONALPUBLICEMERGENCYSYSTEMCONSTRUCTION,SOITISIMPORTANTTODESIGNANDACCOMPLISHANEFFECTIVEFORESTFIREWARNINGSYSTEMFORTHENATIONALCONSTRUCTIONTOTHISEND,THISPAPERDESCRIBESANEMBEDDEDFORESTFIREWARNINGSYSTEMTHISSYSTEMSHOULDMEETTHENEEDSOFTHELONGTERMANDUNINTERRUPTEDMONITORINGRESEARCHFINDINGS,LINUXARMEMBEDDEDSYSTEMHASTHECHARACTERISTICSOFLOWPOWERCONSUMPTION,STABILITYANDOPENSOURCETHESYSTEMUSESTHEARM9S3C2440ACHIPPROCESSORASTHECORECONTROLLERTHROUGHTHEUSEOFVIDEO4LINUX2DRIVERINTHELINUXKERNEL,USETHECAMERATOSENDFIELDINFORMATIONTOTHEMONITORINGCENTER,ANDTHROUGHALLKINDSOFSENSORS,COLLECTTHEFORESTTEMPERATUREANDHUMIDITY,SMOKEANDOTHERDATA,VIACONVERSIONOFADANDIODATAREAD,PASSTHEDATATOTHEMASTERCONTROLLER,ANDATTHESAMETIMETOTHEMONITORINGSIDETHROUGHTHENETWORKPROTOCOLMASTERCONTROLLERMAKESDATAFUSIONANALYSIS,DECIDEWHETHERTOTWEETALERTSANDSENDALARMMESSAGESTHISSYSTEMCANNOTONLYMONITORTHEALARMAUTOMATICALLY,BUTALSOTRANSMITTHEINFORMATIONTOTHEMONITORINGDEPARTMENTTHROUGHTHENETWORK,THATCANMAKESTHEMONITORINGSTAFFMOREUNDERSTANDINGOFFORESTCONDITIONSSOASTOMOREEFFECTIVELYANDTIMELYTOFORESTFIREWARNINGREPORTTHEDEVELOPMENTMODEOFARMLINUXEMBEDDEDSYSTEMHASTHEFEATURESOFSTABLE,RELIABLEANDEASYMAINTENANCEANALYSISANDTESTSHOWTHATTHISSYSTEMHASTHEHIGHRELIABILITY,THEDATAANALYSISISACCURATE,ANDCANTIMELYWARNINGTHISFLEXIBLEFORESTFIREEARLYWARNINGSYSTEMCANIMPROVETHEQUALITYOFTHEEARLYWARNINGANDISEXPECTEDTOBEWIDELYUSEDINTHEFUTUREKEYWORDSFORESTFIREWARNINGLOWPOWERCONSUMPTIONOPENSOURCEARMLINUXDATAFUSIONREMOTEMONITORING安徽工程大学毕业设计（论文）III目录引言1第1章绪论211课题背景及意义212国内外发展现状和存在问题313远程监控系统介绍414课题的主要内容4第2章相关知识介绍621嵌入式系统及ARM处理器介绍622硬件和软件开发环境923传感器介绍12第3章需求分析1431火灾预警系统1432可行性分析1433功能需求分析1534性能需求分析15第4章系统设计1641系统整体架构1642系统硬件结构1643系统软件结构20第5章硬件系统设计2251硬件整体设计2252电源管理模块2253传感器模块2354网络传输模块30第6章软件系统设计3161系统开发环境的搭建3162软件系统的搭建3663数据采集单元3764数据处理和网络通信单元5265上位机的实现59第7章系统测试6471功能测试6472系统可靠性测试6673测试总结66结论与展望67致谢68参考文献69附录A外文文献及其译文71附录B主要参考文献及其摘要82附录C主要代码85郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计IV插图清单图21嵌入式系统结构图6图22烟雾传感器原理图12图41系统总体框图16图42系统硬件结构16图43开发板实物图17图44通讯过程图18图45通讯过程18图46数字0信号表示方法19图47数字1信号表示方法19图51开发过程硬件布局22图52电源模块23图53DHT11模块原理图23图54DHT11模块连接图24图55MQ135原理图25图56GPRS功能模块图27图57SIM900A模块的接口设计27图58SIM900A天线接口电路图28图596引脚SIM卡电路图29图510蜂鸣器原理图30图511DM9000网卡模块连接图30图61ARMLINUXGCCV打印信息32图62FLASH存储器分布图33图63内核子系统关系图34图64LINUX进程空间分配图34图65LINUX虚拟文件系统35图66系统软件结构37图67温湿度采集流程图38图68烟雾采集流程图42图69图像采集流程图44图610数据采集和远程传送流程52图611上位机原图159图612上位机原图259安徽工程大学毕业设计（论文）V图613上位机原图359图71USB摄像头拍摄图65郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计VI表格清单表51MQ135的标准工作条件规格表24表52MQ135的环境条件规格表24表53MQ135的灵敏度特性表24表54SIM900A主要特性25表55SIM接口引脚定义28表71温度测试结果分析表64表72湿度测试结果表64表73烟雾测试结果分析表65表74GPRS报警测试结果分析表66表75GPRS蜂鸣器报警测试结果分析表66安徽工程大学毕业设计（论文）1引言随着造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积量逐年增加，防火工作是首要任务。森林火灾作为森林三大自然灾害之首，能在短时间内烧毁大片森林，造成巨大损失，如何对森林火险进行实时、准确的监测预警，进而为林火的预防和灭火指挥提供决策支持，已成为亟待解决的问题。近几十年,我国森林防火行业也取得了长足的发展，但由于研究经费严重不足，研究深度不够等原因，我国森林防火行业的科研整体水平与世界水平还有很大的差距，森林防火的应用基础研究不够深入和连续，没有成熟完善的森林火灾预警系统。基于ARM的嵌入式森林防火预警系统可以长期对森林进行监控，能够对森林中的各种数据进行采集分析，时刻关注森林情况。无论有无监控人员进行监测，只要有异常发生，都能够及时进行报警，对森林火灾的预警有重要意义。本系统是基于远程监控在无线网络和嵌入式技术上的应用。是根据基于嵌入式领域的发展趋势，开发的一套基于ARM9LINUX模式的嵌入式森林防火监控系统。利用无线网络能够进行远程监控，嵌入式技术和无线移动网络技术的融合，实现了远程实时图像的监控，可以被广泛地应用在不同的场合监控1，由于能够打破时间、空间的限制，嵌入式监控技术已经成为监控领域中的热点。郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计2第1章绪论11课题背景及意义森林火灾是林业的灾难，是森林的最可怕的敌人。森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点，它会给森林带来最有害，最具有毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁成片的森林，伤害林内的动物，而且还降低森林的繁殖能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚至会导致生态环境失去平衡。尽管当今世界的科学在日新月异地向前发展，但是，人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长久的进展。目前,我国森林防火行业的科研整体水平与世界水平还有很大的差距。主要体现在一是研究经费严重不足,与森林防火研究对象的复杂性不匹配,制约着科研水平的提高二是研究深度不够、实用性差,成果转化率低三是重大关键问题突破困难。主要是森林火灾的高效扑救工具和扑救技术等问题。由于问题的复杂性和现有科研水平的限制,研究进展缓慢四是基础研究薄弱。林火生态学、森林火灾损失评估等工作开展少,应用成果少五是研究力量薄弱。专业研究机构和人员数量少研究人员知识结构不合理,缺乏多学科交叉的机制实验手段落后,缺乏野外试验基地和协作机制。总之,这些问题导致森林防火的应用基础研究不够深入和连续,严重影响了我国森林防火行业的发展。我国只有少数部分的森林防火工作到位，大部分的地区森林防火体系不健全。火灾发生率较高和受害率仍然偏高，森林防火手段落后，火情发现迟、报警慢,小火容易变成大祸。新形势下做好森林防火工作必要性众所周知,森林防火它的重要性,它是维护气候稳定的关键2火灾扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时，分析是否准确合理，决策措施是否得当。为此国内外都在为预防、减少和控制森林火灾而努力。1森林防火是保护森林发展林业的需要森林火灾是森林三大自然灾害之首，防止火灾就是保护森林。森林是发展林业的基础，没有森林就没有林业。森林防火是保护森林资源和发展林业事业的基础工作。林业是国民经济的重要组成部分。森林防火的好坏，将严重影响国民经济快速发展。2森林防火是保护生态建设的需要火灾可以使森林毁于一瞬,而恢复往往需要几十年甚至数百年。森林是人类及野生动物赖以生存的良好环境。众所周知，森林在维持和保护生态环境方面具有十分重要的作用。然而，森林火灾会使森林的这些功能减弱，甚至消失。因此，防止森林火灾就是保护生态环境。3森林防火是社会安定的需要在林区，森林防火关系到千家万户，森林是林区人民赖以生存的物质基础，森林火灾会使森林遭受破坏，甚至消失，给林区人民生产生活带来困难。另外，森林火灾还会直接威胁林区人民的生命财产安全。森林防火不仅要防止意外因素引发的森林火灾，而且还要同少数不法分子作斗争，防止其故意纵火，维护林区社会安定。扑救森林火灾要消耗大量的人力、物力和财力,影响工农业生产。有时还可能造成人身伤亡,影响社会的安定。我区正处在经济转型的关键时期，需要一个安定的社会环境。因此森林防火工作是保障我区社会安定的需要。安徽工程大学毕业设计（论文）3基于ARM的嵌入式的研究意义本系统的设计是基于ARMLINUX计算机嵌入式系统的设计。由于融合了计算机技术、数字通信技术、半导体技术等多种技术，符合当前电子类设备对体积，成本，性能的需求，而得到了高速的发展。嵌入式系统不同于原来的单片机系统,它不仅有自己的操作系统，上层应用程序,而且还具备网络通信和信息管理功能。ARM体系的处理器是目前嵌入式系统中使用最广泛的处理器。它采用了RISC技术，具有寻址方式简单,寄存器多，指令长度固定等特点，使得它的处理速度快、执行效率高。由于LINUX对于ARM技术的支持,具有内核可裁减，网络功能强大，代码开放的特点，把LINUX应用到嵌入式系统中,能充分发挥ARM和LINUX的优势3。12国内外发展现状和存在问题121国外现状随着科学技术的进步和森林防火信息化需求的逐渐升级，新的火灾探测器也不断出现，气象科学、遥感技术、电子计算机、激光、通讯和航空航天技术的蓬勃发展，化学和生物技术的不断革新，加上现代科学管理的渗透，为森林防火提供了先进的手段和技术条件。如林火预测预报、红外线监测林火、雷达监测林火、激光监测林火、卫星遥感监测林火、通讯、人工降雨灭火、飞机灭火以及计算机林火管理系统等新技术的应用，为有效地控制森林火灾的发生，把森林火灾的损失降低到最低限度提供了保证。国外森林防火行业在对现代高科技的应用与研究主要表现在以下两方面首先是以计算机应用技术为主的林火管理系统（包括计算机网络传输与通信系统、森林防火辅助决策系统、火场图像实时传输系统，与航天技术结合的地理信息系统、定位跟踪系统、预测预报系统等，与现代视频技术结合的林火监测系统、视频指挥系统等）应用研究，其次是与航空技术结合高效灭火装置、灭火剂的应用研究等。122国内森林防火现状森林火灾监测技术是森林防火技术的重要组成部分，目前森林火灾监测技术已经逐渐从单一的地面林火监测向地面、航空与航天遥感立体林火监测转变,这种立体监测包括地面巡护、瞭望台监测、飞机巡护监测和卫星监测4个层次，虽然这种转变能够更好的对森林火灾进行监测，但是近年来，由于受到全球气候异常的影响，我国许多地区高温、干旱、大风和极端冻害天气增多，致使森林火险等级持续居高不下。夏季的雷击火，冬季的反常火灾频频发生，森林火灾的发生已经完全突破了以往防火期的概念，森林防火形势严峻20。保护森林资源逐渐受到人们的高度重视及广泛关注，防护森林火灾已经成为林业主管部门和各级政府部门致力于研究的重大课题。由此可见，森林火灾预警体系，有着非常重要的社会及现实意义21。123我国森林防火预警中存在的问题正是因为我国森林防火预警工作体系的开展步伐相对较晚，尤其是在很大程度上受到科研力量、基础理论研究及技术以及资金等一系列条件的束缚，这便使得森林防火预警体系工作中有着许多有待于解决的问题存在21。主要表现在1基础设施比较薄弱郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计4我国森林防火预警工作的数据主要来源于国家气象观测网，但是观测地点几乎都远离森林，使得许多重要林区和高火险区都没有气象观测资料。此外，由于国家对森林防火工作投入不足，行业部门之间数据无法共享等问题，也影响了森林防火工作的开展。2森林管理难度较大绝大部分的森林资源都生长在山区，地形复杂，小道众多，给森林管理造成一定的难度23。3管理工作有待规范森林防火预警体系的建设不是一蹴而就的，而是有着较强的复杂性且覆盖极广的一个大系统，迫切的需要家相关部门最大限度的加强火灾预警工作的规范化以及标准化。4科研工作较为落后现阶段我国大多数区域在预报森林火险等级的工作上依旧是一大空白,未切实形成森林火险全性的预报预测体系,有待于进一步研究与我森林火险等级相适应的的预报模型。13远程监控系统介绍远程监控指本地计算机或监控终端通过网络对远端的设备进行检测与控制。它是计算机技术、信息技术、及网络技术在监控系统中结合的产物。主要包括远程监视和远程控制两部分2425。通过远程监控,技术人员无须亲临现场，就可以进行监视。当现场地理位置比较偏僻或条件比较恶劣时，这一点就显得尤为重要。通过远程监控还可以实现现场数据的实时采集和存储,更加清楚的了解现场。实现远程监控的系统架构分为1基于WEB技术以HTTP协议和WWW规范为基础的B/SBROWSER/SERVER模型。其特点是监控端使用统一的WEB浏览器控制,无需开发监控端程序远程设备通过嵌入式WEB服务器,响应监控端26。2基于SOCKET的C/SCLIENT/SERVE模型。其特点是直接以TCP/IP协议为基础,需要同时开发监控端和目标机的程序。目前，嵌入式技术以及网络服务技术的不断快速发展，使得远程监控技术越来越完善。林火监控系统必然会更加成熟，相信在不久的将来，基于嵌入式的远程森林防火技术必然会大规模的应用于森林防火预警。14课题的主要内容本课题拟研究一种基于ARM的嵌入式森林防火预警系统。旨在开发出一种卓有成效的森林防火预警系统，以取得森林防火技术的进步。本设计以嵌入式ARMLINUX系统构建，使用UBOOT，修改并移植到ARM9IC中的NORFLASH存储器，作为LINUX系统启动的BOOTLOADER。使用LINUX26322版本内核,裁剪并移植内核模块，构建ARM9简易LINUX操作系统内核。使用BUSYBOX，利用其以构建成型的LINUX的SHELL命令建立根文件系统，实现驱动程序的加载，以使得不同功能模块正常工作采用模块化的设计思想，分为主控模块（嵌入ARM9微处理器的IC）和不同的功能模块（GPRS、温湿度传感器、烟雾传感器、摄像头等），硬件机制安徽工程大学毕业设计（论文）5能否满足不同模块独自工作而不相互影响，并且能够满足需求扩展而增添不同的模块。首先通过查阅大量相关资料，了解森林防火预警的条件，即如何实时观测森林状况，如何识别森林起火，如何进行报警等等。本课题是基于ARM的嵌入式技术，要在软硬件结合的基础上进行设计开发本设计主要分为以下六个大步骤1UBUNTUOS下安装交叉编译环境，以便编译出能够在ARM9平台运行的驱动模块；2UBUNTUOS下安装TFTP服务器，以便后期驱动的下载；3使用UBOOT进行BOOTLOADER的移植；4使用LINUX26322版本内核，在交叉编译环境下进行内核的编译与移植；5使用BUSYBOX创建根文件系统，为驱动软件的装载提供运行环境；6编写各个模块的驱动，并使用TFTP服务器下载到ARM的NANDFLASH，以使各个模块能够正常运行；本系统由以下五个模块组成1视频显示模块反映现场的森林状况，使用USB摄像头将实时的视频信息传送到监控处，清楚了解现场情况；2温度湿度和烟雾模块系统监控森林现场的温度高低，烟雾浓度大小，当发现指标高于预定的阀值时，便会向系统发出报警信号；3GPRS模块系统采用GPRS模块发送无线数据，当监视到森林环境异常而报警时，GPRS模块便会发送相应信息到工作人员的移动终端（如智能手机），告知现场情况；4BEEP报警系统装有蜂鸣器，在检测到异常时会鸣起蜂鸣器报警；5ARM9核心嵌入式控制模块本模块是系统的总司令部，系统的一切消息反应都是由此模块进行数据分析和处理，从而做出正确的反应；本设计总有七章，分别如下第一章介绍了本课题研究的背景，分析了嵌入式的现状和远程监控，以及本课题的研究目的和意义，提出了本文的研究内容和章节安排。第二章介绍了与本课题相关的知识，包括硬件平台，开发环境，嵌入式发展趋势等。第三章对嵌入式监控森林火灾系统的实现进行了可行性分析，并从开发者技术及需要实现的功能做需求分析。第四章主要描述了系统的总体设计方案，从技术的角度进行了功能设计，对系统的硬件总体结构和软件的架构进行了设计，对本系统的传感器软件设计方案进行了详细的阐述。第五章详细介绍了系统硬件电路的具体设计，按照系统功能模块的分类，给出了硬件设计方案和电路原理图。第六章主要描述了系统的软件设计，介绍了系统的软件设计结构以及系统的主程郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计6序流程图，将系统软件按照不同构建模块，具体分析每个模块的实现和工作流程。第七章主要进行系统的测式与分析，从功能、可靠性和安全性等方面对系统进行了测试与分析。最后，总结了本文的主要工作内容，并对系统的发展提出了进一步的展望。安徽工程大学毕业设计（论文）7第2章相关知识介绍21嵌入式系统及ARM处理器介绍211嵌入式系统概念根据国际电气和电子工程师协会IEEE的定义，嵌入式系统就是“控制、监控或者辅助设备、机器和车间运行的装置。目前普遍认同的定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，使用用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统16。嵌入式系统可以嵌入于各种产品内部的微型计算机操作系统，使产品能够高效、实时、稳定的完成各种功能任务的调度，并且便于裁剪和维护，提高了系统的智能化，使应用更加方便14。嵌入式系统是整合了整个系统的软硬件，包括嵌入式处理器和外围设备以及移植到嵌入式处理器上的操作系统和相应的应用软件15。其大体结构如图21所示嵌入式处理器以及外围设备嵌入式操作系统应用软件图21嵌入式系统结构图更具体地说，嵌入式系统是由嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外围设备接口和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算机是嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。执行装置接收嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或者任务。嵌入式系统无处不在，在移动电话、冰箱、微波炉、数码相机、数字电视机顶盒、各种智能ATM终端、车辆导航、汽车内部的喷油控制系统、机器人等装置或设备都使用了嵌入式系统。212嵌入式系统的特点嵌入式系统具有以下四个特点1特定性嵌入式系统通常是依据特定的功能，并在相应的处理器上移植完成特定的任务，郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计8所以具有特定性14。2实时性嵌入式系统具有实时性的特点，主要是因为其内核小，支持多任务调度及运行，这样保证其比PC机有更好的实时性。3可裁剪性嵌入式系统具有可裁剪性，用户可根据需要进行任务的创建和删除，裁剪冗余，提高芯片使用效率，节省体积和成本。4可固性和稳定性嵌入式操作系统可以根据产品的不同功能要求，可以固化在其内部和芯片上，使其成为产品的一部分，由于自身多任务管理和调度机制，使得其稳定性更高。213嵌入式系统的发展趋势本课题的火灾预警系统基于ARM嵌入式，当前嵌入式计算机技术广泛应用于国民生产生活中的各个领域,无人机、无人驾驶汽车、可穿戴设备、智能家居、智慧交通、物联网等这些创新应用和创新需求的不断涌现，对基础芯片、软件、嵌入式系统提出了更多新的需求和挑战。目前整个工业界对工业计算机和嵌入式系统的需求进入平缓增长的状态4。工业设备智能仪器、智能仪表、各类汽车、家用电器、电子商务、网络通信、国防军事等各个领域中,都使用到了嵌入式计算机技术,而且嵌入式计算机技术对各个产业产生了的积极影响,也因此引起了社会各个领域的广泛关注。据统计,现在全世界,有几十亿台嵌入式设备处于运行当中。美国、欧洲、日本等国家已经把普适计算上升到国家战略高度,加大了资金投入和研发力度5嵌入式产品的广泛应用，从最开始的普通低端到现在使用的高端行业应用，对我们的生产生活产生了极大的影响，主要体现在以下三个领域1仪表领域自动化仪表的核心领域是处理器，仪表行业应用嵌入式技术，是的仪表的性能大大提高5；2系统监控领域目前使用的远程监控系统运用了计算机技术和通信技术，把通讯网络系统和通讯数据标准接口系统，都连接到移动终端，便可进行监控；3办公生活领域嵌入式计算机技术的特点是软件代码小、自动化程度高、响应速度快等等，所以广泛应用到各种家用电器当中，如手机、电冰箱、空调、洗衣机、数字电视机、数码相机打印机、扫描仪等。当今嵌入式计算机技术变成了电子信息技术应用领域里的基本技术,它的优势是可以实现整体最优化。专业处理系统是嵌入式系统的发展方向。专业处理系统的优点是能够提供最优化的基础。嵌入式技术的设计方法非常快捷，而且既能面向系统进行设计，又能面向功能进行设计。它的显著特点是标准化、集成化、构件化、可以重复使用等等。这也使得嵌入式计算机技术与网络、无线电、人工智能等技术融合在一起。嵌入式计算机技术与其它技术的广泛融合，使得嵌入式计算机技术的发展前景非常好5。现今嵌入式技术已经实现了首期的发展目标智能化6。具有了一定的智能后，设备之间的联系便成为主要需求，因而需要嵌入式设备具有网络化功能，目前嵌入式正向着网络方向发展，也即目前的两大网络方向物联网和云计算78。嵌入式是物联安徽工程大学毕业设计（论文）9网产业发展的基础，物联网是嵌入式技术发展的核心推动力,物联网时代是微处理器两大分支通用处理器与嵌入式处理器）从分离到融合发展的新时代8。云计算CLOUDCOMPUTING是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其他设备。它描述了一种基于互联网的新IT服务、使用和交付模式6。移动办公已经成为可能，因为随着云计算技术的不断发展，人们只需要通过移动终端登陆云中，便可利用云中的各种应用，来实现更为复杂的移动办公，而接入云中的所有移动终端都是嵌入式技术开发的智能终端设备。目前研究界已认识到，嵌入式系统中最主要的挑战来自其与物理过程的相互作用，而不是其自身的有限资源9。传统嵌入式系统解决物理系统相关问题所采用的单点解决方案不再适应新一代物理设备信息化和网络化的需求、现有各种网络技术不能满足新一代物理设备网络可控、可信和可扩展的新需求等促进了CPS理论的提出10。CPS就是嵌入式系统与物理环境的结合11。是一种综合计算、网络和物理环境的多维异构的混杂自治系统12,通过3C技术,即计算COMPUTATION）、通信COMMUNICATION和控制CONTROL的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，进而实现“智慧地球”。这种系统设计需要理解计算机、软件、网络和物理过程的动态融合13。嵌入式CPS被认为是IT的发展版，即ICT（IMFORNATIONCOMMUNICATIONTECHNOLOGY，信息与通信技术）未来最重要的应用领域10。相对于现有的实时嵌入式系统和网络控制系统,CPS更注重于计算12，关注资源的合理整合利用与调度优化，能实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控，提供相应的网络信息服务。在研究CPS的过程中，会遇到一些在通用计算中很少出现的关键问题，如通用软件中，执行一个任务的时间与性能有关，但不与正确性相关。在CPS中，执行一个任务所需的时间可能对系统的正确功能实现至关重要9。可以说，嵌入式系统是CPS的核心，而CPS技术是嵌入式技术的升华。最初的嵌入式系统多用于工业控制领域，他们对嵌入式系统的要求较低，嵌入式系统的运算器运算速度较慢，系统节和功能相对简单。进入二十一世纪，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅速发展，不仅广泛渗透到社会经济、交通、通讯军事等相关行业，还深入到加点、娱乐、艺术、社会文化等各个领域。在事迹生产生活需求的推动下，它必将展现出智能化、信息化、网络化的发展趋势17。1提供强大的网络服务随着INTERNET的普及，我们已经进入互联网时代，无论是家用电器还是工业控制，未来的嵌入式设备都应该具备网络的能力，都将嵌入式微处理器通过各种网络接口与INTERNET连接。这就要求设备提供各种网络接口，例如对TCP/IP协议的支持，具备WIFI、WLAN、USB、BLUETOOTH、CAN等通信接口18。2系统化嵌入式系统具有软硬件紧密联系、技术密集等的特点，为了实现功能强大。可靠稳定的系统，开发商不断创新，不仅要提供嵌入式系统的软硬件平台，还应该具有丰富的软件支持包以及强大的硬件开发工具19。3小型化、低成本、低功耗为了实现这些特征，要做到接口芯片多次利用，内存容量必须限制，这必然会导致处理器的性能降低，所以对系统软件的设计提出了更高的要求，开发人员需要有足够丰富的开发经验，不断提高嵌入式软件的技术。4人性化的人机界面嵌入式设备能被亿万用户接受使用，重要原因之一就是他们与使用者之间的亲和郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计10力，人性化的人家交互界面，人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。5嵌入式系统结构将更加复杂网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、宽带的提高，使得以往单一功能的设备，如手机、电冰箱、智能卡等功能更加丰富。结构更加复杂。这就促使了新的性能的更加强大的微处理器层出不穷，以及嵌入式操作系统的迅速发展。开发人员将选用处理能力更强，如32/64位的RISC或DSP来作为嵌入式的处理器。在操作系系统系统方面将采用内核小、移植性好、源码开放、执行速度高、网络能力完整等特点的系统。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计。保障软件质量和缩短开发周期，从而嵌入式系统平台进一步完善，系统的结构也将更加复杂。214ARM处理器介绍ARM架构，曾被称作高级精简指令集机器，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通信领域，符合其主要设计目标为低成本、高性能、低耗电的特性。本文采用的ARM9S3C2440就是三星公司生产的ARM芯片。ARM处理器可作为目前嵌入式内核的代表，不仅具有较低的功耗和体积，而且成本也很低，这些优势使得ARM注定成为最适宜便携设备开发的平台。最近几年，ARM处理器已经成为高端嵌入式应用的首选。215ARM处理器的特点1支持双指令集THUMB16位指令集、ARM32位指令集；2性能好、功耗低、成本低；3内部集成了大量的寄存器，可以使得指令执行速度更高；4多种寻址方式，简单灵活；5大部分的数据操作都可以在寄存器内完成；6指令之间存在着前面指令执行结果决定后面需要执行的指令，这样可以大大提高执行效率。22硬件和软件开发环境221ARM系列开发板ARM开发板，即以英国ARM（ADVANCEDRISCMACHINES）公司的内核芯片作为CPU，同时附加其他外围功能的嵌入式开发板，用以评估内核芯片的功能和研发各科技类企业的产品。ARM开发板根据ARM内核可以分为ARM7、ARM9、ARM11、CORTEXM系列、CORTEXR系列、CORTEXA系列。ARM开发板在CPU的基础上增加外设后，具备许多功能接口，如扩展了TFTLCD、LVDS接口、触摸屏、VGA、矩阵键盘、外部总线接口、CAN、SPI、IIC、PWM、ADC、高速USBHOST/DEVICE、SD卡、RS232/RS485串口，音频、MIC等常用接口。ARM系列的芯片多用于火灾报警控制网络系统、智能机器人、安防系统以及风力发电状态监测中27。主要特点如下安徽工程大学毕业设计（论文）111处理能力强ARM系列处理器是一个32位的芯片，支持双指令集（THUMB指令集和ARM指令集），具有丰富的寻址方式（8种寻址方式）、ARM9有独立的指令和数据存储器接口，允许处理器同时进行取指和读写数据。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。2运算速度快ARM9采用5级流水线的哈佛结构。增加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力。5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。在锁相环PLL的倍频下，ARM9可以正常运行在400MHZ下。3支持MMU内存管理单元）MMU单元是大型操作系统必需的硬件支持，如LINUXWINCE等。这为系统的开发提供了方便的支持。4超低功耗ARM9芯片之所以有超低的功耗，是因为采取以下技术。1）所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率；2）可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率；3）可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理；4）在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。5片内资源丰富ARM9芯片具有众多的寄存器，包括31通用寄存器和6个状态寄存器。又集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、外部存储控制器（SDRAM控制盒片选逻辑）、4路拥有外部请求引脚的DMA控制器、3路UART、2路SPI、IIC总线接口、具有日历功能的RTC、摄像头接口、130个通用IO、24个外部中断源、NANDFLASH控制器、时钟及电源模块管理器、PWM及定时器、ADC和触摸屏接口等若干外围模块的不同组合。222UBUNTU140虚拟机本设计采用基于LINUX内核的UBUNTU桌面应用系统，网络功能成熟而稳定。该系统界面简洁，人性化、易于操作。UBUNTU是一个以桌面应用为主的LINUX操作系统。又是基于LINUX的免费开源桌面PC操作系统，代码开源，不存在黑箱技术，UBUNTU内核系统更小、更稳定、更具价格竞争力等优势的同时，系统内核进行实时性优化，更加使之能够适应对嵌入式系统开发实时性的要求。作为一种可裁剪的操作系统，很可能发展成为未来嵌入式设备产品的绝佳资源十分契合英特尔的超极本定位支持X86、64位和PPC架构全面支持网页浏览器WPS，功能强大。UBUNTU虚拟机OS下具有众多GUN软件，包括各种编辑器，可用于驱动代码的编写，又有不同平台下C、C等编程语言的编译器，用于开发编译以及交叉编译环境的搭建。UBUNTU下易于搭建NFS服务器以及TFTP服务器等，为嵌入式开发引导根文件系统以及应用程序提供便利。另外系统开发时，目标板的系统软件的移植需要在LINUX内核的OS下进行，简洁的UBUNTU操作系统完全能够胜任。郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计12223VISUALC60企业版MICROSOFTVISUALC，（简称VISUALC、MSVC、VC或VC）是MICROSOFT公司推出的开发WIN32环境程序，面向对象的可视化集成编程系统。它不但具有程序框架自动生成、灵活方便的类管理、代码编写和界面设计集成交互操作、可开发多种程序等优点，而且通过简单的设置就可使其生成的程序框架支持数据库接口、OLE2，WINSOCK网络、3D控制界面。它以拥有“语法高亮”，INTELLISENSE（自动完成功能）以及高级除错功能而著称。比如，它允许用户进行远程调试，单步执行等。还有允许用户在调试期间重新编译被修改的代码，而不必重新启动正在调试的程序。其编译及建置系统以预编译头文件、最小重建功能及累加连结著称。这些特征明显缩短程式编辑、编译及连结花费的时间，在大型软件计划上尤其显著。本设计的上位机采用VISUALC60进行设计。利用此IDE的MFC工程结合WIN32以及SOCKET网络编程进行设计。通过多线程以及定时函数的方式进行数据的接收显现并进行分析。224ARMLINUXGCC交叉编译环境ARM9目标板平台资源匮乏，而且编辑器的功能有限，难以在ARM9平台上使用编译器，为了便于开发，将编译器安装在宿主机（PC）上。本设计使用ARMLINUXGCC432交叉编译环境，使用其编译BOOTLOADER、内核、驱动程序以及应用程序，以此构建目标板上的软件环境。225UBOOT201003操作系统的启动需要经过BOOTLOADER的引导，本系统系统软件的引导使用UBOOT构建，使用交叉编译环境进行UBOOT的移植，使其能在目标板上成功引导内核的启动。226LINUX26322目标板上系统软件的搭建包括LINUX内核的移植，使用交叉编译环境对LINUX26322版本内核进行移植，使目标板能成功运行LINUX内核。227BUSYBOX构建的根文件系统有了BOOTLOADER和内核之后并不能使目标板成功启动起来，还需要根文件系统的构建。根文件系统是引导和使其他文件系统得以挂载所必须的文件。根文件系统包括LINUX启动时所必须的目录和关键性的文件，若系统不能通过虚拟文件系统（VFS）从指定设备上挂载根文件系统，则系统会出错而退出启动。成功之后可以自动或手动挂载其他的文件系统。BUSYBOX是一个开源项目，遵循GPLV2协议，BUSYBOX将众多的UNIX命令集合进一个很小的可执行程序中，可以用来替代GNUFILEUTILS、SHELLUTILS等工具集。BUSYBOX中各种命令与相应的GNU工具相比，所能提供的选项比较少，但是也足够一般的应用了，本设计采用BUSYBOX1133帮助构建根文件系统。安徽工程大学毕业设计（论文）1323传感器介绍231二氧化锡型烟雾传感器介绍二氧化锡烟雾传感器属于二氧化锡半导体气敏材料，属于表面离子式N型半导体。处于200300摄氏度时，二氧化锡吸附空气中的氧，形成氧的负离子吸附，使半导体中的电子密度减少，从而使其电阻值增加。当与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。二氧化锡型传感器对天然气、液化石油气、香烟等烟雾有很高的灵敏度，尤其对烷类烟雾更为敏感，二氧化锡烟雾传感器具有良好的重复性和长期的稳定性。初始稳定，响应时间短，长时间工作性能好。该传感器的原理如图22所示工作电路部分烟雾弥漫区域进口细缝气敏元件发光原件烟雾气体粒子图22烟雾传感器原理图232湿度传感器湿度传感器，英文名称为HUMIDITYTRANSDUCER，是一种能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。湿度传感器分为电阻式和电容式两种，湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。产品的基本形式都是在基片涂覆感湿材料形成感湿膜空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件。233温度传感器温度传感器是对温度敏感具有可重复性和规律性的一种传感器，在所有温敏元件中，热敏电阻占有极为重要的位置28。按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计14（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。234USB摄像头摄像头（CAMERA）又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年以来，随着互联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的水平。摄像头的工作原理大致为景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像传感器表面上，然后转为电信号，经过A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号，再送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，再通过USB接口传输到电脑中处理，通过显示器就可以看到图像了。安徽工程大学毕业设计（论文）15第3章需求分析31火灾预警系统基于ARM的嵌入式森林火灾预警系统是针对森林火灾防护的一种远程监控系统。由于嵌入式技术以及网络技术的迅速发展，使得基于嵌入式网络监控技术的发展成为未来趋势，以更低的投资建立一个基于嵌入式的远程森林火灾监控预警系统成为可能。本系统的主要功能是通过ARMLINUX体系以及各种外围设备收集并监测森林中被检测处的图像，温湿度，烟雾等数据，并将收集到的数据通过无线的方式传送到监护中心节点，由监护人员进行分析管理。一旦发现异常，或者收到系统发来的报警信息，则立即采取相应措施进行处理，从而达到远程监控预警的目的。基于ARM的嵌入式森林火灾预警系统的设计中，主要有三个模块，分别是数据收集模块，网络通信模块和上位机模块。数据收集模块主要是放置于森林中进行数据采集的，该模块使用温湿度传感器，烟雾传感器和摄像头等，该模块将收集到的数据及时发送出去。数据的采集部分包括了传感器，AD转换，及信号汇总等相关工作，数据传输主要使用了TFTP协议，SOCKET无阻塞式网络编程。数据分别在主控制器和上位机上进行分析计算，这样有效的加大数据处理的数量和精度，同时也降低了单独模块的耗电量，延长了系统的使用时间。32可行性分析321经济可行性本设计使用三星公司生产的MINI2440ARM9开发板。性能优越，功耗低。一次性投入能长期工作而不需要更换。另外本开发板支持LINUX系统，而基于UBOOT和LINUX内核开源免费的特点，能为开发节约可观的资金。设计中使用的传感器等器件，能以较便宜的价格从市场批发导购，且器件能够长期稳定为系统服务。开发环境的搭建也都是免费的，开发所需资料齐全，开发过程无需投入更多的资料费。总体来看，开发所需的环境与器件的经费都在可接受的范围内，系统的开发在经济方面是可行的。322技术可行性本系统将采集到的数据，通过网络传输实现无线监测。在使用时需要考虑到应用的使用时长和数据采集的稳定性，所以在选用主控芯片时，考虑到这两点，因此使用了基于ARM9S3C2440芯片的开发板。MINI2440开发板低功耗和大容量的特性，为系统的低功耗设计提供了基础。本设计所需技术包括ARMLINUX以及交叉编译模型环境的创建，系统软件的移植，LINUX下驱动以及测试程序的编写，C语言高级指针的使用，网络编程以及C（MFC）的使用等，本系统的设计人员能够掌握这些技术的使用并加以运用，此系统的开发，在技术方面可行。郑少飞基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计1633功能需求分析基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计的主要功能模块有数据和图像采集模块、网络通信模块。其中数据采集模块包括温度采集模块，湿度采集模块，烟雾采集模块，图片采集模块。网络通信模块包括GPRS短信报警模块，TFTP传送图片模块，网络发送指令模块。数据采集模块实时采集森林现场的温湿度，相对烟雾浓度，将采集到的数据提交给主控制器进行处理，判断采集到的数据是否处在正常值之间。若超过正常值则通过GPRS发送报警短信，同时启动蜂鸣器的鸣叫便于找到起火位置。与此同时，采集到的数据通过网络实时传送到监控处，在监控处可以观测采集到的数据值以及现场图像，同时还能调节摄像头的观测角度，在监测处就可更加直观的了解现场。34性能需求分析1实时性。作为森林火灾预警系统，应该能及时发送和接收数据，并能在较短的时间内对信息进行计算、分析和处理。2可靠性。森林火灾预警系统要求能够长时间可靠稳定地工作。这就要