μC／OS-II的远程环境监测实现

　　环境监测环境系统系统地收集、分析和评价各种环境状况变化因素的数据和环境在时间和空间上的变化情况，但不直接承担具体的监测工作，而是负责协调国际上有关的监测活动，特别是联合国系统各组织的有关活动。监测系统支持的活动主要有5个方面：气候的观测，污染物远程迁移的监测，人体健康的检验，陆地可更新资源的监测，海洋污染状况的监测。列举的国际监测项目包括4大类：生态监测，污染物监测，自然灾害监测，环境监测研究。我国从1978年起先后参加了大气污染监测、水质监测、食品污染监测、人体接触环境污染物评价点监测等活动。模块化设计是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，然后再将这个子系统作为通用性的模块与其他产品进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。

　　1 系统设计方案

　　1.1 系统基本原理

　　环境监测系统以ARM系列LPC2214为，LPC2114是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，并带有128/256 k字节（kB）嵌入的高速Flash存储器。操作系统对整个系统调度，具有数据采集、数据处理、数据存储等功能。数据经过处理后，通过DTU无线模块传输到上位机，然后上位机接收、显示、存储、报警，并结合数据挖掘技术对大量的采集结果进行分析处理，存储于服务器数据库128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。

　　环境监测系统是一个集成度高，可选择测量多种场所环境的智能型环境监测系统，测量的环境参数有：温度、湿度、风力、二氧化硫浓度、氮氧化物浓度、一氧化碳浓度、臭氧浓度、可吸入颗粒物浓度、噪声、雨量等多个环境指标。

　　1）污染源是指对环境造成污染的污染物发生源，通常指的是向环境中排放有害物质或对环境产生有害影响的场所、设备、装置或人体，环境监测系统主要监测大气污染，这里的污染源主要是大气污染。大气污染指大气中污染物浓度达到的有害程度，超过了环境质量标准的现象。

　　2）交通路口模式主要是市中心、高速路口等交通繁忙的路段，监测的环境指标主要是汽车尾气中的有害物质，还包含了实用的气象状况。

　　3）居民小区是指人们日常生活和活动场所的环境。环境质量是住宅小区健康要素中的为直接的因素，是绿色健康小区为鲜明的标志。

　　环境监测系统的基本组成包括传感器数据采集部分、信号处理模块、键盘输入模块、显示模块、通信部分模块、远程监控中心。其系统硬件结构如图1所示。

　　通信部分DTU模块内嵌SIM卡，是构成一款基于GPRS网络的无线数据传输终端设备，提供全透明数据通道，可以方便地实现远程、无线、网络化的通信方式，具有网络覆盖范围广（移动网络覆盖范围就可以使用）、组网灵活快捷（安装即可使用）、运行成本低（按流量计费）等诸多优点。

　　随着移动通信与Internet技术的发展，传统单一的固定点监测已无法满足应用要求，迫切需要与移动监测形成以Internet与各种无线接入技术相结合的复合型测控网络。与传统的固定点监测相比，移动监测灵活，机动性强，弥补了固定点监测覆盖面小的不足。移动监测系统一般由DTU、数据采集设备、终端管理计算机、监控中心组成，并将数据采集设备安装于可移动载体。它将现场采集到的数据经终端管理计算机处理后，通过GPRS DTU模块传送到监控中心，因此监控中心就可以随时了解现场状况，实现远程无线移动监测。

　　1.2 器件选型

　　ARM处理器是一个32位元精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。LPC2214 微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32 位ARM7TDMI-S CPU,并带有256kB 的嵌入的高速Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。

　　LPC2214是一款功能强大的超低功耗微处理器，其构成原理图如图2所示。128位宽接口/加速器可实现高达60 MHz的工作频率，通过片内boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP），8路10位A/D转换器，2个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗，多个串行接口，包括2个标准UART、高速I2C接口（400 Kb/s）和2个SPI接口，向量中断控制器，可配置优先级和向量地址，通过外部存储器接口可将存储器配置成4组，每组的容量高达16 MB,数据宽度为8/16/32位，多达112个通用I/0接口（可承受5 V电压），9个边沿或电平触发的外部中断引脚，通过片内PLL可实现为60 MHz的CPU操作频率，片内晶振频率范围：1~30 MHz,2个低功耗模式。

　　1.3 嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ

　　μC/OS-Ⅱ尤其适合学习和移植，将其使用在环境监测系统中，可以更好管理各个任务，使系统更稳定。μC/OS-Ⅱ开放源代码，可移植，可固化，可裁减，它是完全可剥夺型的实时内核，μC/OS-Ⅱ多可管理64个任务，其中其本身占用8个任务，应用程序使用56个任务。

　　2 系统软件设计

　　2.1 嵌入式操作系统移植

　　μC/OS-Ⅱ移植源代码相关的代码主要在OS_CPU.H,OS_CPU.C,OS_CPU.ASM这3个文件中。移植时主要在这3个文件中进行，使之适合处理器。在OS_CPU.H中对一些参数进行修改，把OS_CPU.C包含进自己的项目中。

　　2.2 多传感器接入的实现

　　在实现环境监测系统中问题是多传感器的接入，因环境监测系统应用场合不同有必要监测多种环境参数，故需要接入多种传感器，本系统利用嵌入式操作系统多任务管理功能，对接入的传感器处理分成各个任务模块，并对这些任务模块进行管理、执行。

　　2.3 系统软件流程设计

　　系统共设计了6个任务，优先级的任务为自删除任务，首先进行首次上电初始化，其后依次执行采集任务（以确保采集工作的顺利进行）、按键任务、串口任务、LCD显示任务。由于操作系统总是执行优先级的就绪态任务，这就要求软件设计过程中，要确保每个任务都能被执行，防止在有些任务还没被执行完时就被打断进行新的循环。工作流程如图3所示。

　　3 结论

　　系统使用ARM处理器降低了系统的功耗，同时提高了稳定性。应用μC/OS-Ⅱ提高了系统的调度和管理能力，使用模块化设计方便了用户根据自身需求选择不同的资源配置，使用GPRS无线网络弥补了人工监测的不足，解决了监测点分散、监测位置偏僻、站点无人值守、施工布线困难甚至无法实现等问题。