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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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 -
基于 ARM 的嵌入式新型大气污染综合监控系统的研究
§1.2 空气质量监测的国内外发展动态
§1.2.1 国外空气质量监测的发展动态
发达国家进入 20 世纪中叶后，由于生产力的高速发展和科学技术的突飞猛进，
排放的工业污染物迅速增加，由此引发的环境公害事件接连不断。如:1948 年10
月美国的多诺拉烟雾事件，1952 年12 月英国的伦敦烟雾事件【3】等。
在经历了环境污染公害时代后，一些发达国家采取了一系列的措施，控制了
污染，减少了排放总量。城市空气质量监测普遍采取空气地面自动监测系统，实
现了空气质量的实时监测，工业锅炉、窑炉，烟尘、粉尘等大气污染源采用了在
线连续监测系统。代表性的国家地理信息系统的计算机技术系统有：Arc/Info，
Maps，Usemap， Infomap， Mapinfo 等；特别是 Mapinfo 是美国 Mapinfo 公司推
出的功能强大的信息系统。它的主要功能包括数据生成与输入、数据查询与检索、
数据分析与图形分析、图表分析成果输出【3】等四方面的内容。它基于 Windows 操
作系统，并可用于 Internet 和万维服务器。
§1.2.2 我国空气质量监测的发展动态
我国在这方面的研究工作虽然起步较晚，但发展较为迅速，目前已不同程度
地在全国大部分地区开展起来。以前我国的空气质量都是靠人工手动监测的，导
致了监测的间断性和不准确性。近几年，随着计算机技术和网络技术的发展，对
空气质量实施实时监控和自动化管理已成为可能。现在，我们所指的空气质量监
测就是对城市或区域范围内的空气质量进行连续监测和自动化管理的计算机网络
系统。
从1989 年我国颁布了环保法后国家及部分地区的环保部门每年都将上年度的
环境状况予以公告。到目前为止，我国大部分大、中、小城市都建立了空气质量
监测，全国先后有 60 多个城市开始发布空气质量周报。在周报工作的基础上，已
有数个城市正利用自动监测数据进行空气质量的日报和预报工作（空气质量预报
就是根据污染物的排放情况，以及地理地貌条件和未来的气象条件等预报出关心
区域内空气污染程度，以便使有关部门及时做出防范和控制措施）。
目前，我国各个城市使用的自动空气质量监测仪器绝大多数是从国外进口的，
也有个别城市使用自己开发的控制系统，其功能和技术水平比较落后(如只能用于
输出模拟量的旧型仪器等)，已不适应目前监测仪器向智能化、数字化发展的需要。
对于引进国外进口的仪器又有下列先天的缺点【5】
。
- 2 -
第一章 绪 论
(1) 引进系统价格昂贵。
(2) 软件是由外国人开发，我们不能掌握核心技术， 难以进行二次开发。
(3) 升级换代成本高。
(4) 操作界面多为外文，对一般的操作员来说操作相对困难。由于监测指标
与国外不同，系统许多功能在国内不适用，造成资源闲置或浪费。
基于以上分析，开发出适合我国自身特点的空气质量监测仪器是很有必要的。
与此同时，随着我国环保力度的不断加大，经济、技术水平的不断提高，越来越
多的城市都将采用空气质量监测。除了节省费用和脱离对国外技术的依赖外，也
可以促进国内相关环保产业的发展。可以预见，该系统有其广阔的市场。
§1.3 嵌入式系统的现状和发展趋势
在多任务的大气污染综合监控系统中，任务的安排和调度是影响系统性能的
重要问题，虽然死循环式的程序安排也能实现系统监测功能，但是它不具有良好
的可扩展性和易升级性。因此，该系统采用嵌入式系统技术。
§1.3.1 嵌入式系统的概念
嵌入式系统(Embedded System)是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并
且软硬件是可裁剪的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指
标的严格要求的专用计算机系统。它可以实现对其他设备的控制、监视或管理等
功能。
嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入
式应用软件等几大部分组成。
§1.3.2 嵌入式技术发展现状
随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式系统技术也将获得广阔的发展
空间。美国著名未来学家葛洛庞帝 1999 年1月访华时预言，4-5 年后嵌入式智能(电
脑)工具将是 PC 和INTERNET 之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪
榜院士 1998 年11 月在武汉全国第 11 次微机学术交流会上发表的《计算机的发展
与技术》一文中，对未来 10 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐
述和展望。
进入 20 世纪 90 年代，嵌入式技术全面展开，目前己成为通信和消费类产品
的共同发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领
域，美国己经开始由模拟电视向数字电视的转变，欧洲 DVB(数字电视广播)技术
己在全球大多数国家推广。数字音频广播(DA)也己进入商品化试播阶段。而软件、
- 3 -
基于 ARM 的嵌入式新型大气污染综合监控系统的研究
集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不
开嵌入式系统技术。在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处
理和通信软件。由于嵌入式设备具有自然的人机交工界面，GUN 屏幕为中心的多
媒体界面给人很大的亲和力。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及
彩色图形、图像己取得初步成效。
目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上己实现汉字写入、短消息语音发布，应用
范围也就日益广阔。对于企业专用解决方案，如物流管理、条码扫掐、移动信息
采集等，这种小型手持嵌入式系统将发挥巨大的作用。自动控制领域，不仅可以
用于 ATM 机、自动售货机、工业控制等专用设备，和移动通信设备、GPS、娱乐等
相结合，嵌入式系统同样可以发挥巨大的作用。近期长虹推出的 ADSL 产品，就是
把网络、控制、信息结合起来，这种智能化、网络化将是家电发展的新趋势。
嵌入式技术的迅速发展不仅使之成为当前微电子技术与计算机技术中的一个
重要分支，同时也使计算机的分类从以前的巨型机、大型机、小型机、微机之分
变为通用计算机与嵌入式系统之分。嵌入式的应用更是遍及金融、航天、电信、
网络、信息家电、医疗、工业控制、军事等各个领域，以致有些学者断言，嵌入
式技术将成为后 PC 时代的主宰。
§1.3.3 嵌入式技术发展前景
以信息家电为代表的互联网时代嵌入式产品，不仅为嵌入式市场展现了美好
前景，注入了新的生命;同时也对嵌入式系统技术，特别是软件技术提出新的挑战。
这主要包恬:支持日趋增长的功能密度、灵活的网络联接、轻便的移动应用和多媒
体的信息处理，此外，当然还需对付更加激烈的市场竞争。
(1) 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持
随着因特网技术的成熟、带宽的提高，ICP 和ASP 在网上提供的信息内容日
趋丰富、应用项目多种多样，像电话手机、电话座机及电冰箱、微波炉等嵌入式
电子设备的功能不再单一，电气结构也更为复杂。为了满足应用功能的升级，设
计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如 32 位、64 位RISC 芯片或信号处理器
DSP 增强处理能力；同时还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。
目前，国外商品化的嵌入式实时操作系统，己进入我国市场的有 WindRiver,
Microsoft, QNX 和NuClear 等产品。我国自主开发的嵌入式系统软件产品如科银
CoreTek 公司的嵌入式软件开发平台 DeltaSystem，它不仅包括 DeltaCore 嵌入式实
时操作系统，而且还包括 LamdaTools 交叉开发工具套件、测试工具、应用组件等。
- 4 -
第一章 绪 论
(2) 网络互联成为必然趋势
为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，面向 21 世纪的嵌入式系统要求
配备标准的一种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入设备必需配有通
信接口，相应需要 TCP/IP 协议族软件支持;由于家用电器相互关联(如防盗报警、
灯光能源控制、影视设备和信息终端交换信息)及实验现场仪器的协调工作等要求，
新一代嵌入式设备还需具备工 EEE1394, USB,CAN, Bluetooth 或IrDA 通信接口，
同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。为了支持应用软件
的特定编程模式，如 Web 或无线 Web 编程模式，还需要相应的浏览器，如 HTML,
WML 等。
(3) 支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本
为满足这种特性，要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存
容量和复用接口芯片。这就相应提高了对嵌入式软件设计技术要求。如选用最佳
的编程模型和不断改进算法，采用 Java 编程模式，优化编译器性能。因此，既要
软件人员有丰富经验，更需要发展先进嵌入式软件技术，如 Java, Web 和WAP 等。
(4) 提供精巧的多媒体人机界面
嵌入式设备之所以为亿万用户乐于接受，重要因素之一是它们与使用者之间
的亲和力，自然的人机交互界面，如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习
惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。人们与信息终端交互要求以 GUI 屏幕为中心的多
媒体界面。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像己
取得初步成效。目前一些先进的 PDA 在显示屏幕上己实现汉字写入、短消息语音
发布。
§1.4 课题研究的主要内容
本文基于空气质量监测系统领域现阶段的技术为参考，提出并研制了一种基
于ARM 内核的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统的空气质量无线监测系统。
文中在总结各种模式的空气质量无线监测系统利弊的基础上，详细介绍了该系统
的原理与构成及其优点;着重分析了以 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（General Packet Radio Service, 是通
用分组无线业务的简称）无线传输模块的软件硬件设计原理，给出了硬件原理图;
对于该系统的关键技术之一的操作系统移植和应用程序的开发等问题本文作了系
统、细致的论述，并给出了相关的移植程序。
本文的主要工作：
(1) 分析了空气质量监测技术的国内外现状，总结了当前空气质量检测系
- 5 -
摘要：
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