基于嵌入式Linux的智能瓦斯监控系统设计

Ｄｅｓｊｇｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ
Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
Ｚｈａｎｇ Ｇｅｎｂａｏ，
ｏｆ Ｇａｓ Ｂａｓｅｄ Ｗｕ
Ｙａｎ
ｏｎ
Ｅｍｂｅｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ
（Ｓｈａｎｘｉ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ ｓｃｉｅｎｃｅ＆ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ Ａｂｎｎｃｔ：Ｔｏ
ｂａｓｅｄ
ｏｎ
７ｌ００２１，Ｃｈｉｎａ）
在任何一台ＰＣ机上溯览器通过ＨＴＭＬ表单或超链接请 求指上一个ＣＧＩ应用程序的ＵＲＬ。服务器收发到请求后指定 所ｃＧｌ应用程序。ＣＧＩ应用程序基于浏览者输人的内容来实 现需要的功能。然后把结果格式化为网络服务器和浏览器能够 理解的文档（通常是ＨＴＭＬ同页）。最后网络服务器把结果返 回到浏览器中，供浏览者查询．由于嵌入式资源有限・本系统 采用Ｂ０ａ作为ｗｅｂ Ｓｅｒｖｅｒ。Ｂ∞是一个单任务的小型Ｈ１ｖｒＰ 服务器，源代码开放、性能优秀、可执行代码只有大约６０ｋＢ・ 特别适合应用在嵌入式系统中。Ｂ０ａ涉及的目标是速度和安 全。嵌入式ｗｅｂ服务器Ｂ０ａ和普通ｗｅｂ服务器一样・能够完 成接受客户端请求、分析请求、相应请求、向客户端返回请求
眦
Ｈｎｒｒ
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图３
ＡＲＭ和ＤＳＰ的接口连接
其中ＨＤ［１５：ｏ］为ＤｓＰ的ＨＰｌ数据总线，与ＡＲＭ的 数据总线直接相连，可以提高数据的传输速度。ＨｃＳ、 ＨＤＳｌ、ＨＤＳ２、共同构成ＤＳＰ芯片的选通逻辑信号。ＨＣ— ＮＴＬＯ、ＨＣＮＴＬｌ为ＨＰｌ的访问控制信号．
存在本地数据库中，可以通过本地触摸屏查询，也可以通过网 络在客户端的浏览器里查询。对ＳＱＬｉｔｅ的操作可以通过Ｃ／Ｃ ＋＋语言操作。Ｓｑｌｉｔ∞一ｏｐｅｎ（）可以创建一个数据库， ｓｑｌｉｔ∞一ｅｘｅｃ（）执行一个ＳＱＬ语句，包括插入数据、删除数 据、改变数据，而查询数据用ｓｑＩｉｔｅ３一ｇ吼一ｔａｂＩｅ（），最后用 ｓｑＩｉｔｅ—ｃｌｏｓｅ（）关闭敬据库． ３．３网络服务器［‘１的实现 随着嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术的兴起，在嵌入式设备的管理与 交互中，基于ｗｅｂ方式的应用成为目前的主流，这种程序的 结构也就是大家非常熟悉的Ｂ／Ｓ结构．即在嵌入式设备上运 行一个支持脚本或ＣＧＩ功能的ｗｅｂ服务器，能够生成动态页 面．在用户端只需要通过ｗｅｂ浏览器就可以对嵌入式设备进 行管理和监控，非常方便使用。它的实现方式如图４所示．
ｌ系统的实现
系统的整体结构如图１所示。
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瓦 瓦 斯 斯 －●一 传 监 感 测 器 点
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信 号 调 理
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嵌入式 系统
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嵌 入 式
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路ＤＭＡ，４路带ＰＷＭ的Ｔｉｍｅｒ，ｌ／（）口，ＲＴＣ，８路１０位
ＡＤＣ，Ｔｏｕｃｈ
Ｓｃｒｅｅｎ接口，ＩｌＣ—ＢＵＳ接口，１ｌＳ—ＢＵＳ接口，
络
２个ＵＳＢ主机．１个ＵＳＢ设备．ＳＤ主机和ＭＭＣ接口，２路 ＳＰＩ，Ｓ３Ｃ２４１０处理器最高可运行在２０３ＭＨｚ广泛的应用于嵌
Ｔｈｅ
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ｗ袖；ｅｍｂｅｄｅｄ“ｎｕｘＩ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ． ｇ丑ｓｆ
ｗｏｒｋｉｎｇ州ｎｃｉｐｌｅ，
ｄｅｓｉｇｎ ｏｆｈａｒｄｗａｒｅ ８ｎｄ ｓｏｆｅｗａｒｅ ｉｎ
ｄｅｔａｉｌ．
ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＩ
ｒｅｍｏｔｅ ｍＯｎｉｔｏｒｉｎｇ
Ｏ
引言
煤矿事故中瓦斯爆炸所带来的灾难最为严重。防ＩＥ瓦斯爆
ｆｒｉｅｎｄｌｙ ｈｕ—
ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ、９００ｄ ｇａｓ
ａｒｅ
ｒ髓ｌ—ｔｉｍｅ
ａｎｄ ｓｉｍｐＩｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ，Ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏＩｏｇｙ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ
ｐｒａｃｔｉｃａｌ．
ａｓ
ｔｈｅ ｍａｉｎ
ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ
ｆｏｒ ｈａｒｄｗａｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ， ｐｒｏｔｏｃｏｌ， ｉｔ
ｃａｎ
ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｋｅｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ
ｔｏ
ｔｈｅ ｏｐｅｒａ—
ｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｉ）ＳＰ ａｎｄ ｃｏｎｔｒ０１．
ｄａｔａ
ａｑｕｉ Ｓｉｔｏｎ ｍｏｄｕｌｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｂａｓｅｄ
图１系统的整体结构
入式领域。ＤＳＰ模块由ＴＭＳ３２０ＶＣ５５０９Ａ芯片完成。系统的 硬件框图如图２所示。
首先瓦斯传感器采集到现场的被测信号，对其做一定的调 理后送入嵌入式系统，嵌入式系统把信号处理分析后把记录存 储在本机上，通过ＬＣＤ实时显示现场数据。另外各个客户端 可以通过网络访问记录的数据．来实现远程监控…。
２嵌入式系统的硬件设计
本系统由于需要监测的数据量比较大．而且实时性要求比 较高，ＤＳＰ由于其独特的结构、专门的硬件乘法器和特殊的 指令，使其能够实现各种数字信号处理和满足各种实时性要 求，所以数据采集模块由ＤＳＰ完成。但ＤＳＰ对数据的的后期 处理比较困难，而ＡＲＭ和ｌｉｎｕｘ的结合，使数据的后期处理 实现起来比较简单。它主要是实现对数据的后期处理、ＬＣＤ 实时显示数据、存储现场数据并充当客户机访问数据的ｗｅｂ 服务器。 ＡＲＭ采用Ｓａｍｓｕｎｇ公司的基于ＡＲＭ９２０Ｔ核的ｓ３ｃ２４１０ 芯片，采用Ｏ．１８“ｍ制造工艺的３２位微控制器，该处理器拥 有：独立的１６ｋＢ指令Ｃａｃｈｅ和１６ｋＢ数据Ｃａｃｈｅ，ＭＭＵ。支 持ＴＦＴ的ＬＣＤ控制器，ＮＡＮＤ闪存控制器．３路ＵＡＲＴ．４
ａ
ｍｅａｓｕｒｅ ｇａｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ Ｔｈｅ ｓ３ｃ２４ １０ ｉｓ ｕｓｅｄ
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ｉｍｐｒｏｖｅ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ，
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ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｇａｓ
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ｅｍｂｅｄｅｄ Ｌｉｎｕｘ。
ａｍ／ｍａｃｈ—ｓ３ｃ２４ｌＯ／ｍａｃｈ—ｓｍｄｋ２４１０．ｃ文件中添加它的设
备，ＬＣＤ模块和网络模块就可以用。而ＤＳＰ设备驱动【５Ｊ则需 要根据设计的电路来设计驱动程序． 每一个设备驱动程序都提供了固定的人口点以便应用程序 对该设备进行存期操作。数据从内核空间传到用户空间一般有
圈４ Ｂ／ｓ结构实现方式
万方数据
笙！塑
堕塑塞：篁！茎王塑△塞！：！翌！！盟塑矍匹堑堕塑墨竺堡盐
打开肝Ｉ设备
：！！！！：
结果等任务。目前Ｗｅｂ技术中生成动态Ｗｅｂ页面的方法有 ＣＧＩ、ＰＨＰ和服务器脚本，但后两者需要Ｗｅｂ服务器具有这 些脚本的运行支持模块。在嵌入式Ｗｅｂ服务器中，考虑到资 源限制问题，一般都只提供ＣＧｌ支持．因此在嵌入式设备中 ｗｅｂ方式应用实际上就是基于ＣＧｌ的程序的开发。在嵌入式 开发中一般采用Ｃ语言。ＣＧＩ程序的工作一般就是接受表单数 据，根据应用需求进行数据处理，最后根据处理结果生成新的 页面放回给浏览器。 在监控模块中．用Ｃ语言实现数据采集。内嵌ｈｔｍｌ脚本． 这样当执行ＣＧｌ程序时，首先完成对硬件的操作，然后用ｈｔ— ｍｌ脚本实现在网页上的显示。主要代码如下：
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ｈｏＣｓ２Ｐ———一 ａ】ｃ１０———一 脚Ｙ
．岫出ｔｉ由一
ｊ１日出｝ｄ由一
应用程序中对设备文件调用ｍｍａｐ（）函数时，就会调用 此映射函数。通过此函数就会将内核空间的数据映射到用户空 间上，也就是说用户可以直接对起始地址为ｏｘｌｏｏｏｏｏｏｏ－ ｏｘｌ０００大小的内存空间进行操作，这该段空间正是ＤＳＰ的 ＨＰＩ对应的地址。 ３．２嵌入式数据库的实现 ＳＱＬｉｔｅ［６３是一个非常适合嵌入式应用的数据库，可以在所
炸已成为霞要的研究课题。为了防止瓦斯爆炸事故的发生，瓦 斯信息管理系统显得尤为重要，包括瓦斯数据的采集、存储、 安全等方面。由于瓦斯在矿井下，所以远程监测瓦斯浓度非常 重要。本文以３２位ＡＲＭ９处理器Ｓ３Ｃ２４１０为核心的，提出了 将嵌入式系统运用到瓦斯监控系统中．并以ｌｉｎｕｘ作为嵌入式 操作系统，实现数据的监测．通过ＴＣＰ／ＩＰ坍议将嵌入式系统 接人到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，实现通过互联网访问现场数据，以便及时准 确地＿ｒ解瓦斯浓度的情况。
ｉｎｔ
存储空间和外围设备。在本系统中是通过ＨＰｌ来实现删和
联沪之间的通信的。ＨＰｌ作为从设备，为Ⅸ沪和主机相连提供灵 活方便的接口。ＡＲＭ和Ⅸ沿的接口连接如图３所示。
啪ａ一＞虬ｆｌａｇｓ Ｉ—ＶＭ＿１０；
砌ａ一＞ｖＴⅡ一ｎａｇｓ
０ｘ２０００００００。０ｘ１００００，
ｈｐＬｍｍａｐ（ｓｔｎｌｃｔ ｆｉｌｅ＊ｆｉｌｐ，ｓｔ州ｃｔ ＶｆＩＬａｒ∞一ｓｔｒｕｃｔ－ｗｎａ）｛
有的主要操作系统上运行。它是用Ｃ语言编写的开源嵌入式 数据库引擎，是完全独立的，不具有外部依赖行，所以本系统 采用ＳＱＬｉｔｅ作为系统运行的数据库。 本系统中，ＤＳＰ采集模块采集到的瓦斯浓度的数据被保
３嵌入式系统软件的设计［２训
在众多的嵌入式操作系统中，嵌入式Ｉ．ｉｎｕｘ由于其源代码 开发、支持平台多、易于裁剪移植备受业界亲睐。因此本智能 瓦斯远程监控系统采用嵌入式“ｎｕｘ作为操作系统。整个软件 设计包括驱动程序、界面显示、数据处理和远程监控。其中界 面采用ＱＴ／Ｅｍｂｅｄｅｄ设计，实现现场数据显示。远程监控利 用嵌入式Ｉｎｔｅｒｎｅｔ技术和数据库技术来实现。本智能瓦斯远程 监控系统将实现现场数据采集、数据状态显示、数据存储技 术、网络信息共享等功能。 ３．１驱动程序的设计 在ＡＲＭ—ｌｉｎｕｘ系统中，每个物理设备都有自己的控制 器，针对硬件操作就是对这些寄存器操作，设备驱动程序的就 是完成对设备寄存器的操作。设备驱动程序为应用程序屏蔽了 硬件的细节，这样在应用程序看来．硬件设备只是一个文件， 应用程序可以像操作普通文件一样操作硬件。对于ＬＣＤ和 ｄｍ９０００ａ驱动，ｌｉｎｕｘ内核已经有很好的支持．只要在／ａｒｃｈ／