基于龍芯處理器的移動式多場景環(huán)境監(jiān)測設(shè)備研發(fā)

文/薛曉康，汪誠，章樑，方騰楷

現(xiàn)階段，城市環(huán)境污染表現(xiàn)出排放源多樣、環(huán)境動力因素復(fù)雜、傳播速度快等特點(diǎn)，由于缺乏有效手段對污染源進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定位，區(qū)域大氣污染的防治效率難以有效提升。這就需要相關(guān)部門加大無人機(jī)、無人船、移動機(jī)器人等移動式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)力度，以加快實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的微尺度快速環(huán)境監(jiān)測。本文中，筆者基于大氣、水質(zhì)、核輻射、危化品等多種場景的環(huán)境監(jiān)測需求，自主研發(fā)了基于龍芯嵌入式處理器的移動式環(huán)境監(jiān)測系列設(shè)備。此類設(shè)備能夠掛載接入不同場景的傳感器，并且具備對環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的本地處理、存儲及回傳功能，能夠增強(qiáng)地方環(huán)保部門的應(yīng)急監(jiān)測和快速響應(yīng)能力。

所謂環(huán)境污染防治，防治是末端，避免污染超標(biāo)是根本，其核心在于微尺度的主動監(jiān)測預(yù)警。[1]目前，我國環(huán)保部門對大氣、污水、核輻射、危化品等污染管控及監(jiān)測大多仍沿用建立固定站點(diǎn)并進(jìn)行采樣監(jiān)測，以及衛(wèi)星遙感、激光雷達(dá)掃描、傅立葉紅外掃描等大中尺度的環(huán)境監(jiān)測手段，鮮少采用快速精準(zhǔn)的微尺度溯源技術(shù)手段。[2-3]

基于此，本文提出一種適應(yīng)多場景監(jiān)測任務(wù)的移動式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備體系構(gòu)建方法，以滿足移動式監(jiān)測設(shè)備尺寸小、精度高、實(shí)效性強(qiáng)等關(guān)鍵需求。基于此設(shè)想，筆者研制出大氣、水質(zhì)、核輻射、危化品等污染的監(jiān)測設(shè)備，這些設(shè)備可以根據(jù)不同場景需求搭載在無人機(jī)、無人船、移動機(jī)器人等移動載具上，進(jìn)而進(jìn)行微尺度的數(shù)據(jù)捕捉，實(shí)時(shí)監(jiān)測管控區(qū)域內(nèi)不同類型的污染源，助力實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染的局部精準(zhǔn)管控和治理。[3]

一、研究背景

目前，市面上的環(huán)境監(jiān)測儀器大部分為進(jìn)口，少部分國產(chǎn)儀器的核心芯片也基本來自國外。[4]就生態(tài)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的整體功能來看，數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行采集運(yùn)算、模型也需要定制，數(shù)據(jù)安全性、儀器的穩(wěn)定性和售后要求高，設(shè)備需要應(yīng)對的場景多樣，這些都離不開一系列以國產(chǎn)芯片、平臺、加密算法為主的技術(shù)支持。

基于龍芯1C300處理器研制出的USW 系列大氣監(jiān)測、水環(huán)境監(jiān)測、核輻射監(jiān)測等移動智能監(jiān)測設(shè)備，構(gòu)建了成熟的地空水一體化、移動式、多場景的環(huán)境污染微尺度監(jiān)測及預(yù)警體系。

現(xiàn)階段，我國大部分移動式環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品的芯片及傳感器依賴進(jìn)口器件，打破技術(shù)壁壘、實(shí)現(xiàn)儀表儀器和系統(tǒng)的自主替代成為當(dāng)前的主要任務(wù)，也是增強(qiáng)國產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備技術(shù)實(shí)力和市場競爭力的關(guān)鍵。也就是說，自主研發(fā)從芯片電路、傳感器到軟件系統(tǒng)的國產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

二、移動式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備軟硬件系統(tǒng)研發(fā)

基于龍芯嵌入式處理器的移動式環(huán)境監(jiān)測系列設(shè)備能夠掛載接入不同場景的傳感器，可滿足大氣、水質(zhì)、核輻射、危化品等多場景的環(huán)境監(jiān)測需求。

本文基于算力、通信能力和安全性等需求，選取龍芯1C300處理器作為系統(tǒng)的核心處理器，并在此基礎(chǔ)上研發(fā)出基于龍芯平臺的移動式多場景環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，自主開發(fā)了一套適配龍芯處理器的環(huán)境監(jiān)測程序。該程序包含基于匯編語言和C/C++的裸機(jī)程序、一套開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及配套的監(jiān)測軟件。設(shè)備研發(fā)的主要工作包括主控板硬件設(shè)計(jì)、傳感器接入板硬件研發(fā)、軟件系統(tǒng)研發(fā)等三個(gè)部分。

（一）主控板硬件設(shè)計(jì)

本文根據(jù)環(huán)境監(jiān)測任務(wù)需求，決定對主控板開展圍繞龍芯1C300 處理器、面向環(huán)境監(jiān)測需求的感知、處理、通信電路設(shè)計(jì)。該環(huán)節(jié)的主要工作包括：設(shè)計(jì)模擬量到數(shù)字量轉(zhuǎn)換的電路，設(shè)計(jì)一套具有多種通信接口、本地交互、硬件電路校準(zhǔn)、本地?cái)?shù)據(jù)可視化、本地?cái)?shù)據(jù)存儲、蜂窩數(shù)據(jù)通信、本地?cái)帱c(diǎn)續(xù)傳等功能的嵌入式硬件。

為了滿足以上要求，本文中，主控板采用四層板以上的電路板設(shè)計(jì)，即在電路板正面和背面進(jìn)行信號布線，中間兩層為堅(jiān)實(shí)的地平面，8 組傳感器盡可能居中放置，供電模塊則放置在角落并且施加額外保護(hù)措施，主控板集成了多個(gè)RS232和RS485串口。因此，筆者利用國產(chǎn)CH341F芯片作為燒寫和調(diào)試的接口，并確認(rèn)該主控板可以直接利用USB TYPEC 接口進(jìn)行燒寫和調(diào)試信息的輸出。此外，筆者還為板卡開放了JTAG（聯(lián)合測試工作組）調(diào)試接口，以便軟件設(shè)計(jì)人員燒寫程序，評估軟件設(shè)計(jì)的可行性，此舉大大縮短了軟件開發(fā)周期。

（二）傳感器接入板硬件研發(fā)

傳感器接入板上集成了多個(gè)傳感器和對應(yīng)的多級運(yùn)放信號處理電路、一個(gè)鋰電池接口以及可靠的電源處理單元。同時(shí)，由于多個(gè)傳感器組高度模塊化，該設(shè)備可以根據(jù)不同的環(huán)境監(jiān)測參數(shù)需求快速調(diào)整為不同類型的傳感器。此外，傳感器接入板以環(huán)境感知傳感器為核心，采用國產(chǎn)的運(yùn)算放大器對模擬信號進(jìn)行處理，支持大氣、水質(zhì)、輻射、危化品等不同場景傳感器的統(tǒng)一掛載接入框架，以及不同類型的傳感器接入。主控板和傳感器接入板通過硬件直接相連，并采用定制協(xié)議進(jìn)行通信與供電。同時(shí)，主控板采用外設(shè)的十六通道ADC讀取來自傳感器接入板的信號，可以與龍芯1C300 處理器直接通信。未來，研究人員可利用龍芯1C300 強(qiáng)大的同步串行通信控制器進(jìn)一步增加ADC 的通道數(shù)。

（三）軟件系統(tǒng)研發(fā)

軟件系統(tǒng)研發(fā)主要分為裸機(jī)程序和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)任務(wù)程序兩個(gè)階段。第一階段的主要任務(wù)是，開發(fā)出成熟可靠的裸機(jī)程序，以測試和評估硬件平臺的表現(xiàn)，包括調(diào)試各個(gè)模塊的功能和板間通信的可靠性等；第二階段的任務(wù)是，移植適配基于FreeRTOS（嵌入式系統(tǒng)）的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并在確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定的前提下，開發(fā)出一套用于移動環(huán)境監(jiān)測的任務(wù)程序，以確保軟件開發(fā)具備通用性和可移植性。軟件系統(tǒng)研發(fā)關(guān)鍵主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（1）基于MIPS 架構(gòu)的啟動程序開發(fā)。筆者使用MIPS 匯編語言設(shè)計(jì)啟動代碼，配置好處理器用于通信的各個(gè)配置寄存器，并啟動所有的異步串口，同步串口和SDRAM 控制器。

（2）環(huán)境監(jiān)測數(shù)字信號處理。筆者結(jié)合軟硬件濾波，對硬件采用緩沖和RC 濾波器，軟件則使用均值濾波和FFT 算法濾波，并對傳感器接入板的模擬信號進(jìn)行有效處理。

（3）監(jiān)測設(shè)備軟件系統(tǒng)開發(fā)。筆者整合了龍芯硬件平臺的各個(gè)外設(shè)，并基于匯編語言和C/C++語言開發(fā)出一套完整的裸機(jī)代碼，用于對設(shè)備開展整體的軟硬件協(xié)同測試；向龍芯平臺移植適配基于FreeRTOS 的開源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)出具備較強(qiáng)移植性和通用性的環(huán)境監(jiān)測軟件。

三、設(shè)備產(chǎn)品指標(biāo)及優(yōu)勢分析

（一）設(shè)備產(chǎn)品指標(biāo)

該系列設(shè)備主要包含主控板、傳感器接入板等硬件板卡，可接入不同類型的傳感器，是適用于多種場景的移動式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備產(chǎn)品。同時(shí)，主控板支持FreeRTOS 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在此配置下，技術(shù)人員可針對不同場景的傳感器數(shù)據(jù)，定制和開發(fā)環(huán)境監(jiān)測數(shù)字信號處理程序，實(shí)時(shí)、精確、穩(wěn)定地輸出環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

當(dāng)前，該設(shè)備支持的監(jiān)測場景主要有4 種：大氣、水質(zhì)、輻射、危化品。筆者針對這些監(jiān)測場景的具體載具，設(shè)計(jì)出不同型號的監(jiān)測設(shè)備，進(jìn)而構(gòu)建出移動式多場景環(huán)境監(jiān)測產(chǎn)品體系。其中，大氣監(jiān)測設(shè)備主要搭載無人機(jī)或者車載走航監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行大氣監(jiān)測；水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備搭載無人船進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測；核輻射監(jiān)測設(shè)備搭載無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輻射監(jiān)測；危化品監(jiān)測設(shè)備搭載無人機(jī)或者機(jī)器人進(jìn)行危化品移動監(jiān)測。

（二）優(yōu)勢分析

本文研制的基于龍芯1C300處理器的移動式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，打破了國外儀表儀器計(jì)算、采集、運(yùn)算等核心技術(shù)壟斷，同時(shí)還能匹配國產(chǎn)傳感模塊，真正實(shí)現(xiàn)了全國產(chǎn)方案替代，填補(bǔ)了國內(nèi)市場中國產(chǎn)移動式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的空白。本文設(shè)計(jì)的移動式環(huán)境監(jiān)測設(shè)備可適應(yīng)大氣、水質(zhì)、核輻射、危化品等不同場景的環(huán)境監(jiān)測需求，并且可以針對更多場景進(jìn)行接入板的定制化研發(fā)，應(yīng)用場景更加廣泛。此外，本文設(shè)計(jì)的基于龍芯平臺的主控板適配和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，不僅可以用于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，同時(shí)可用于其他對實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場景。

四、結(jié)語

本文基于龍芯嵌入式處理器，研發(fā)出了移動式環(huán)境監(jiān)測系列設(shè)備，滿足大氣、水質(zhì)、核輻射、危化品等多種場景的環(huán)境監(jiān)測需求。更重要的是，本文介紹的軟硬件體系具有較強(qiáng)的兼容性和擴(kuò)展性，未來，研究人員可以在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富傳感器類型，擴(kuò)展設(shè)備的監(jiān)測因子范圍；也可以針對新的監(jiān)測場景進(jìn)行擴(kuò)展，接入相應(yīng)的傳感器，并定制開發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理程序，從而縮短研發(fā)適應(yīng)新場景的監(jiān)測設(shè)備的時(shí)間。