摘  要： 介紹了一種基于嵌入式Linux的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控智能儀表的平臺設(shè)計。該儀表通過ARM核心處理器連接其他外設(shè)功能模塊,，實(shí)現(xiàn)硬件平臺搭建；通過裁剪和移植Linux內(nèi)核，完善操作系統(tǒng)和驅(qū)動程序等開發(fā),，實(shí)現(xiàn)硬件平臺上成功安裝操作系統(tǒng)。該智能儀表主要用于水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)的監(jiān)測,，能夠滿足未來養(yǎng)殖的高效率和高質(zhì)量的需要,。

　　關(guān)鍵詞： 智能儀表；平臺設(shè)計,；移植

0 引言

　　水產(chǎn)養(yǎng)殖是我國農(nóng)業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)之一,，近年來，水產(chǎn)養(yǎng)殖的品種和產(chǎn)量不斷增加,，且養(yǎng)殖的規(guī)模越來越大,，這為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應(yīng)用提供了良好的條件和廣闊的發(fā)展空間。未來的水產(chǎn)養(yǎng)殖將以高成活率和高質(zhì)量為目的,，實(shí)現(xiàn)這些目的的前提條件之一是要保持養(yǎng)殖水質(zhì)的穩(wěn)定性,，如水溫、溶解氧,、PH值和濁度等水質(zhì)參數(shù),，都需要及時獲取[1]。

　　傳統(tǒng)的定時取樣和化學(xué)分析法獲取養(yǎng)殖水質(zhì)數(shù)據(jù),，獲取不及時,、可靠性低、實(shí)時操作性差且成本高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)上述的需求,。后來,，人們引入了水質(zhì)實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ZigBee,、GPRS,、智能水質(zhì)監(jiān)測傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為手段，能實(shí)時采集養(yǎng)殖水的水位,、溶解氧,、PH值、溫度和濁度等參數(shù),，實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)的實(shí)時監(jiān)測[2],。但是，該系統(tǒng)主要是與上位機(jī)通信,，需要一個固定的PC終端來進(jìn)行遠(yuǎn)程,、實(shí)時的監(jiān)控和操作。因此,，設(shè)計一種可靠的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控系統(tǒng)的智能儀表,，對養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

1 硬件平臺架構(gòu)設(shè)計

　　本文中的智能儀表的硬件平臺選用了天嵌公司出品的tq2440開發(fā)板實(shí)驗(yàn)平臺,。該開發(fā)板的CPU是基于ARM920T的S3C2440芯片,、512 MB的Nand Flash和64 MB的DDRAM、117個I/O通用Pin腳和24位外部中斷源,、12位的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器等，處理器資源豐富,，基本滿足數(shù)據(jù)的采集和信號的轉(zhuǎn)化[3],。

　　1.1 智能儀表監(jiān)控平臺的架構(gòu)

　　平臺硬件架構(gòu)設(shè)計采用了模塊化設(shè)計模式，即各模塊之間相互獨(dú)立地掛載到控制板上,，以ARM處理器為核心,，協(xié)調(diào)其他各個功能模塊工作。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

　　其中,，ARM處理器上運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集,、運(yùn)算和通信等功能,；圖像采集模塊是常用的USB攝像頭；水質(zhì)檢測模塊主要由采集各類參數(shù)的傳感器構(gòu)成,，通過串口連接平臺,，即插即用；標(biāo)準(zhǔn)輸出模塊主要是輸出處理后的數(shù)據(jù)[4]。4G無線通信模塊使用USB 4G無線網(wǎng)卡,；LCD模塊作為智能儀表的輸入和輸出模塊,；存儲器模塊，因板子Flash容量不足,，大存儲主要靠SD卡,。

　　1.2 平臺系統(tǒng)的工作模式

　　為實(shí)現(xiàn)儀表低功耗、高效率的工作,，設(shè)置了兩種工作模式：常態(tài)模式和用戶態(tài)模式,。常態(tài)模式即系統(tǒng)在一般狀態(tài)下的工作模式，該模式下,，儀表處于低功耗狀態(tài),，多數(shù)模塊處于休眠狀態(tài)，不占CPU資源,。用戶模式即用戶控制儀表工作的模式,，該模式下，各模塊受用戶控制搶占CPU資源工作,。

　　攝像頭,、LCD模塊應(yīng)設(shè)置為常態(tài)模式，一般處在休眠狀態(tài),，當(dāng)用戶向內(nèi)核進(jìn)程發(fā)送喚醒消息后,，模塊被內(nèi)核喚醒，才會向CPU申請資源,，運(yùn)行起來,。4G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，考慮通信流量的費(fèi)用高,，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)模塊定時聯(lián)網(wǎng),，間歇式打包發(fā)送數(shù)據(jù)。水質(zhì)監(jiān)測模塊的各個傳感器是實(shí)時采集數(shù)據(jù)的,，但實(shí)際中,，養(yǎng)殖水質(zhì)參數(shù)如溫度、溶解氧等是不會實(shí)時快速變化的,，所以,，該模塊常態(tài)模式下，設(shè)置為定時采樣,，用戶可自定義采集時間,，這樣既降低了功耗，同時避免采集太多冗余數(shù)據(jù),。

　　1.3 平臺系統(tǒng)的智能處理機(jī)制

　　因?yàn)樵撝悄軆x表是監(jiān)控養(yǎng)殖水質(zhì)的,，所以該儀表的智能性主要體現(xiàn)在系統(tǒng)對水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理上，即實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中先加載各個參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫,，當(dāng)模塊采集的參數(shù)數(shù)據(jù)定時被CPU采樣時,，CPU會對比采樣參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)：若結(jié)果沒有發(fā)生異常，CPU將數(shù)據(jù)自動保存到存儲器模塊,，打包聯(lián)網(wǎng)傳送給數(shù)據(jù)庫,；若比較結(jié)果發(fā)生異常，CPU立即進(jìn)入異常處理模式,，網(wǎng)絡(luò)模塊搶占資源聯(lián)網(wǎng),，CPU向用戶發(fā)送異常警報，同時將已經(jīng)采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給用戶,。平臺系統(tǒng)的智能處理機(jī)制能幫助養(yǎng)殖戶及時,、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)問題所在，還可以結(jié)合用戶的專家系統(tǒng)給出一些解決問題的方法,，有效降低了養(yǎng)殖風(fēng)險,。

2 軟件平臺架構(gòu)設(shè)計

　　由于智能儀表的整個系統(tǒng)比較復(fù)雜，為了管理和協(xié)調(diào)好各項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù),，決定選用嵌入式Linux操作系統(tǒng)[5],。

　　結(jié)合嵌入式Linux軟件開發(fā)步驟，確定開發(fā)流程如圖2所示,。

　　2.1 建立Linux交叉編譯環(huán)境

　　首先在PC上安裝上Linux操作系統(tǒng)并建立適用于ARM的交叉編譯器arm-linux-gcc,。交叉編譯工具安裝包可以從網(wǎng)上獲取。建立好Linux交叉開發(fā)環(huán)境后,，即可開始軟件系統(tǒng)平臺的移植了,。

　　2.2 移植Bootloader和Linux內(nèi)核

　　Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一段小程序。通過這段小程序,，可以初始化硬件設(shè)備,、建立內(nèi)存空間映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適狀態(tài),，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境,。

　　Bootloader的制作過程這里不做詳細(xì)介紹,。不同于以往的移植方法,，在tq2440平臺上，本文提出一種基于USB的移植方法,，該方法操作簡單,，效率高。下面以Bootloader的移植為例,，給予詳細(xì)介紹,。將開發(fā)板從nor_flash啟動，進(jìn)入命令輸入模式，如圖3所示,。

　?。?）輸入命令usbslave 1 30008000，開發(fā)板處于下載等待狀態(tài),；

　?。?）進(jìn)入Linux下，輸入命令dnw u-boot.bin 30008000,，使用dnw將u-boot.bin文件下載到內(nèi)存地址30008000處,；

　　（3）輸入命令nand erase 0 40000,，擦除從0地址開始長度為40000的內(nèi)存空間,；

　　（4）輸入命令nand write 30008000 0 40000,，從30008000地址處讀取數(shù)據(jù),，寫入到0地址處，長度為40000,。

　　說明：（1）中的subslave是啟動USB下載的命令,，上述的內(nèi)存起始地址和長度，在內(nèi)核文件中已經(jīng)固定設(shè)置,，不可更改,；（2）中dnw是USB下載軟件，可以由其他USB下載軟件替換,；（3）格式化內(nèi)存空間,；（4）向內(nèi)存中燒寫B(tài)ootloader。

　　完成了Bootloader的移植以后,，下面進(jìn)行移植Linux內(nèi)核,。

　　Linux內(nèi)核文件提供了大量的功能驅(qū)動文件，因此需要選擇適當(dāng)?shù)哪K來裁剪內(nèi)核,，配置步驟如下：

　?。?）make distclean，清除原有的配置文件和中間文件,；

　?。?）make menuconfig ARCM=arm，進(jìn)入內(nèi)核配置界面,，按需要裁剪內(nèi)核模塊,，如圖4所示。

　?。?）make uImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-,，編譯內(nèi)核,，產(chǎn)生uImage鏡像文件。注意,，這個內(nèi)核鏡像是不帶根文件系統(tǒng)的,，因調(diào)試需要，內(nèi)核中文件系統(tǒng)配置為NFS文件系統(tǒng),。

　　移植內(nèi)核,，步驟基本重復(fù)移植U-Boot的步驟。

　　2.3 移植根文件系統(tǒng)

　　文件系統(tǒng)是操作系統(tǒng)的重要組成部分,。在嵌入式Linux系統(tǒng)啟動時,，首先是啟動U-Boot引導(dǎo)程序，然后便會進(jìn)入制作的文件系統(tǒng)中,，如果沒有設(shè)置或掛載文件系統(tǒng),，那么Linux就會進(jìn)行系統(tǒng)報錯，并重新啟動,。在啟動的同時可以手動掛載新的文件系統(tǒng),。所以，可以制作多個不同的文件系統(tǒng),，放在Linux下[6],。

　　本文中制作的是yaffs2文件系統(tǒng)。制作好yaffs2文件鏡像后,，移植到ARM平臺上,，移植步驟基本重復(fù)Bootloader移植步驟。

　　這3步成功燒寫到開發(fā)板上,，儀表的系統(tǒng)平臺就構(gòu)建完成了,，從Nand Flash啟動儀表的系統(tǒng)，如圖5所示,。

　　2.4 開發(fā)調(diào)試應(yīng)用程序

　　軟件應(yīng)用程序?qū)⑹褂脤ｉT為嵌入式Linux操作系統(tǒng)的消費(fèi)電子設(shè)備而開發(fā)的應(yīng)用平臺——Qtopia構(gòu)建,。Qtopia是構(gòu)建在Qt/Embeded上，專為嵌入式設(shè)備的圖形用戶接口和應(yīng)用開發(fā)而設(shè)計的C++工具包[7],。其包含有完整的應(yīng)用層,、用戶界面、窗口操作系統(tǒng),、應(yīng)用程序的啟動程序和開發(fā)框架,。Qt/E開發(fā)的應(yīng)用程序最終要成功在開發(fā)板上運(yùn)行，開發(fā)過程一般是先在Linux系統(tǒng)上使用Qt/E進(jìn)行應(yīng)用程序的編寫和調(diào)試,，進(jìn)行交叉編譯后下載到開發(fā)板,。

3 結(jié)論

　　本文提出了一種基于嵌入式Linux的養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)控智能儀表的平臺設(shè)計,。所介紹的儀表的模塊化架構(gòu)和系統(tǒng)的兩態(tài)工作模式能實(shí)現(xiàn)該智能儀表的高效率和低功耗工作,。儀表的智能處理機(jī)制能有效降低養(yǎng)殖風(fēng)險,。文中還給出了該平臺系統(tǒng)的一種新的基于USB的詳細(xì)移植過程，實(shí)現(xiàn)了平臺系統(tǒng)從零到操作系統(tǒng)移植的實(shí)現(xiàn)過程,，讓讀者更容易理解和實(shí)現(xiàn),。同時，文中的模塊化的設(shè)計思想也可以有效地移植到其他實(shí)驗(yàn)平臺上,。

　　總體而言,，該智能儀表能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)監(jiān)測的要求，對實(shí)現(xiàn)未來養(yǎng)殖業(yè)的高效率和高質(zhì)量具有重要意義,。

　　參考文獻(xiàn)

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