基于龙芯处理器的移动式多场景环境监测设备研发_薛晓康.pdf

论点 ARGUMENT 理论研究102基于龙芯处理器的移动式多场景环境监测设备研发 文/薛晓康，汪诚，章樑，方腾楷所谓环境污染防治，防治是末端，避免污染超标是根本，其核心在于微尺度的主动监测预警。1目前，我国环保部门对大气、污水、核辐射、危化品等污染管控及监测大多仍沿用建立固定站点并进行采样监测，以及卫星遥感、激光雷达扫描、傅立叶红外扫描等大中尺度的环境监测手段，鲜少采用快速精准的微尺度溯源技术手段。2-3基于此，本文提出一种适应多场景监测任务的移动式环境监测设备体系构建方法，以满足移动式监测设备尺寸小、精度高、实效性强等关键需求。基于此设想，笔者研制出大气、水质、核辐射、危化品等污染的监测设备，这些设备可以根据不同场景需求搭载在无人机、无人船、移动机器人等移动载具上，进而进行微尺度的数据捕捉，实时监测管控区域内不同类型的污染源，助力实现环境污染的局部精准管控和治理。3一、研究背景目前，市面上的环境监测仪器大部分为进口，少部分国产仪器的核心芯片也基本来自国外。4就生态环境监测设备的整体功能来看，数据还需要进行采集运算、模型也需要定制，数据安全性、仪器的稳定性和售后要求高，设备需要应对的场景多样，这些都离不开一系列以国产芯片、平台、加密算法为主的技术支持。基于龙芯1C300处理器研制出的USW系列大气监测、水环境监测、核辐射监测等移动智能监测设备，构建了成熟的地空水一体化、移动式、多场景的环境污染微尺度监测及预警体系。现阶段，我国大部分移动式环境监测产品的芯片及传感器依赖进口器件，打破技术壁垒、实现仪表仪器和系统的自主替代成现阶段，城市环境污染表现出排放源多样、环境动力因素复杂、传播速度快等特点，由于缺乏有效手段对污染源进行快速准确的定位，区域大气污染的防治效率难以有效提升。这就需要相关部门加大无人机、无人船、移动机器人等移动式环境监测设备的研发力度，以加快实现精准实时的微尺度快速环境监测。本文中，笔者基于大气、水质、核辐射、危化品等多种场景的环境监测需求，自主研发了基于龙芯嵌入式处理器的移动式环境监测系列设备。此类设备能够挂载接入不同场景的传感器，并且具备对环境监测数据的本地处理、存储及回传功能，能够增强地方环保部门的应急监测和快速响应能力。理论研究 论点 ARGUMENT103为当前的主要任务，也是增强国产环境监测仪器设备技术实力和市场竞争力的关键。也就是说，自主研发从芯片电路、传感器到软件系统的国产环境监测设备，具有极大的经济效益和社会效益。二、移动式环境监测设备软硬件系统研发基于龙芯嵌入式处理器的移动式环境监测系列设备能够挂载接入不同场景的传感器，可满足大气、水质、核辐射、危化品等多场景的环境监测需求。本文基于算力、通信能力和安全性等需求，选取龙芯 1C300处理器作为系统的核心处理器，并在此基础上研发出基于龙芯平台的移动式多场景环境监测设备，自主开发了一套适配龙芯处理器的环境监测程序。该程序包含基于汇编语言和C/C+的裸机程序、一套开源实时操作系统以及配套的监测软件。设备研发的主要工作包括主控板硬件设计、传感器接入板硬件研发、软件系统研发等三个部分。（一）主控板硬件设计本文根据环境监测任务需求，决定对主控板开展围绕龙芯1C300 处理器、面向环境监测需求的感知、处理、通信电路设计。该环节的主要工作包括：设计模拟量到数字量转换的电路，设计一套具有多种通信接口、本地交互、硬件电路校准、本地数据可视化、本地数据存储、蜂窝数据通信、本地断点续传等功能的嵌入式硬件。为了满足以上要求，本文中，主控板采用四层板以上的电路板设计，即在电路板正面和背面进行信号布线，中间两层为坚实的地平面，8 组传感器尽可能居中放置，供电模块则放置在角落并且施加额外保护措施，主控板集成了多个RS232和RS485串口。因此，笔者利用国产CH341F芯片作为烧写和调试的接口，并确认该主控板可以直接利用 USB TYPEC 接口进行烧写和调试信息的输出。此外，笔者还为板卡开放了 JTAG（联合测试工作组）调试接口，以便软件设计人员烧写程序，评估软件设计的可行性，此举大大缩短了软件开发周期。（二）传感器接入板硬件研发 传感器接入板上集成了多个传感器和对应的多级运放信号处理电路、一个锂电池接口以及可靠的电源处理单元。同时，由于多个传感器组高度模块化，该设备可以根据不同的环境监测参数需求快速调整为不同类型的传感器。此外，传感器接入板以环境感知传感器为核心，采用国产的运算放大器对模拟信号进行处理，支持大气、水质、辐射、危化品等不同场景传感器的统一挂载接入框架，以及不同类型的传感器接入。主控板和传感器接入板通过硬件直接相连，并采用定制协议进行通信与供电。同时，主控板采用外设的十六通道 ADC读取来自传感器接入板的信号，可以与龙芯1C300处理器直接通信。未来，研究人员可利用龙芯1C300 强大的同步串行通信控制器进一步增加 ADC 的通道数。（三）软件系统研发 软件系统研发主要分为裸机程序和实时操作系统任务程序两个阶段。第一阶段的主要任务是，开发出成熟可靠的裸机程序，以测试和评估硬件平台的表现，包括调试各个模块的功能和板间通信的可靠性等；第二阶段的任务是，移植适配基于 FreeRTOS（嵌入式系统）的实时操作系统，并在确保系统运行稳定的前提下，开发出一套用于移动环境监测的任务程序，以确保软件开发具备通用性和可移植性。软件系统研发关键主要体现在以下三个方面。（1）基于 MIPS 架构的启动程序开发。笔者使用 MIPS 汇编语言设计启动代码，配置好处理器用于通信的各个配置寄存器，并启动所有的异步串口，同步串口和 SDRAM 控制器。（2）环境监测数字信号处理。笔者结合软硬件滤波，对硬件采用缓冲和 RC 滤波器，软件则使用均值滤波和 FFT 算法滤波，并论点 ARGUMENT 理论研究104对传感器接入板的模拟信号进行有效处理。（3）监测设备软件系统开发。笔者整合了龙芯硬件平台的各个外设，并基于汇编语言和 C/C+语言开发出一套完整的裸机代码，用于对设备开展整体的软硬件协同测试；向龙芯平台移植适配基于 FreeRTOS 的开源实时操作系统，并基于该系统设计出具备较强移植性和通用性的环境监测软件。三、设备产品指标及优势分析（一）设备产品指标 该系列设备主要包含主控板、传感器接入板等硬件板卡，可接入不同类型的传感器，是适用于多种场景的移动式环境监测设备产品。同时，主控板支持FreeRTOS 实时操作系统，在此配置下，技术人员可针对不同场景的传感器数据，定制和开发环境监测数字信号处理程序，实时、精确、稳定地输出环境监测数据。当前，该设备支持的监测场景主要有4种：大气、水质、辐射、危化品。笔者针对这些监测场景的具体载具，设计出不同型号的监测设备，进而构建出移动式多场景环境监测产品体系。其中，大气监测设备主要搭载无人机或者车载走航监测设备进行大气监测；水质监测设备搭载无人船进行水质监测；核辐射监测设备搭载无人机进行远距离辐射监测；危化品监测设备搭载无人机或者机器人进行危化品移动监测。（二）优势分析 本文研制的基于龙芯 1C300处理器的移动式环境监测设备，打破了国外仪表仪器计算、采集、运算等核心技术垄断，同时还能匹配国产传感模块，真正实现了全国产方案替代，填补了国内市场中国产移动式环境监测设备的空白。本文设计的移动式环境监测设备可适应大气、水质、核辐射、危化品等不同场景的环境监测需求，并且可以针对更多场景进行接入板的定制化研发，应用场景更加广泛。此外，本文设计的基于龙芯平台的主控板适配和实时操作系统，不仅可以用于环境监测领域，同时可用于其他对实时性要求较高的应用场景。四、结语本文基于龙芯嵌入式处理器，研发出了移动式环境监测系列设备，满足大气、水质、核辐射、危化品等多种场景的环境监测需求。更重要的是，本文介绍的软硬件体系具有较强的兼容性和扩展性，未来，研究人员可以在现有设备的基础上进一步丰富传感器类型，扩展设备的监测因子范围；也可以针对新的监测场景进行扩展，接入相应的传感器，并定制开发相应的数据处理程序，从而缩短研发适应新场景的监测设备的时间。参考文献：1 L i P e i m i n g,X i a o J u n,W a n g Wenjin,et al.Research on Distribution of Electromagnetic Environment around Substations and Optimization Layout of On-line MonitoringJ.Meteorological and Environmental Research,2019,10(06):60-63.2Chong Min Kyung.Smart Sensors for Health and Environment MonitoringM.Dordrecht:Springer,2020.3Ying Lu,Chao Chen,Hailing Gu,et al.Remote sensing monitoring of ecological environment based on Landsat dataC/Proceedings of 2019 2nd International Conference of Green Buildings and Environmental Management,2019:233-238.4 孙志朋.基于物联网技术的水稻生长环境监测系统及关键技术研究 D.长春:吉林大学,2021.本文作者薛晓康，就职于上海化工院检测有限公司；汪诚，就职于安徽省宣城生态环境监测中心；章樑、方腾楷，就职于中科赛悟科技（安徽）有限公司