曾永西，周免免，王穎鑫，曾崢，陳木生

摘要：設(shè)計(jì)一種基于Nios II處理器的可移動(dòng)空氣污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng).系統(tǒng)以可編程邏輯器件FPGA內(nèi)嵌Nios II處理器作為控制核心，外圍搭配SDRAM模塊、EPCS模塊、衛(wèi)星信號(hào)解算模塊、空氣污染物檢測(cè)模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、無線通信模塊及人機(jī)交互模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)終端所在位置的空氣污染物濃度參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將包含時(shí)間、位置、污染物濃度和溫濕度等四類數(shù)據(jù)整理打包上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器供進(jìn)一步應(yīng)用開發(fā).

關(guān)鍵詞：Nios II;FPGA;空氣污染物監(jiān)測(cè)

[中圖分類號(hào)]TP216[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

Mobile Air Pollutants Monitoring System Based On Nios II Processor

ZENG Yongxi*，CHEN Musheng，ZHOU Mianmian，

WANG Yingxin，ZENG Zheng

（College of Physics and Information Engineering，Quanzhou Normal University，Quanzhou 362000，China）

Abstract：A portable air pollutant monitoring system based on Nios II processor is designed.This system uses FPGA embedded NIOS II processor as the control core，with SDRAM module，EPCS module，satellite signal analysis module，air pollutants detection module，temperature and humidity detection module，wireless communication module and human-computer interaction module on the periphery.And it can carry out real-time monitoring of the air pollutant concentration parameters at the location of the monitoring terminal，and pack and upload four types of data to the remote server，including time，location，pollutant concentration and temperature and humidity.The system can be used as a supplement to the traditional fixed ambient air quality monitoring station.

Key words：Nios II;FPGA;air pollutants monitoring

空氣污染和霧霾天氣頻發(fā)對(duì)人們的健康、生活和安全產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，改善環(huán)境空氣質(zhì)量成為普遍訴求.空氣污染物監(jiān)測(cè)是改善空氣質(zhì)量的前提.[1-2]傳統(tǒng)定點(diǎn)環(huán)境空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積一般比較龐大，價(jià)錢昂貴，監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝數(shù)量有限.如果能夠在現(xiàn)有固定監(jiān)測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上針對(duì)工廠廠區(qū)、建筑工地等場(chǎng)所，開發(fā)可移動(dòng)空氣污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為固定環(huán)境空氣監(jiān)測(cè)站的有益補(bǔ)充，監(jiān)測(cè)的結(jié)果和數(shù)據(jù)將更有針對(duì)性.筆者提出以可編程邏輯器件FPGA內(nèi)嵌Nios II處理器作為控制核心，結(jié)合北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)解算技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款可移動(dòng)空氣污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng).[3-5]該系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需要定制相應(yīng)功能IP，在不改動(dòng)硬件電路架構(gòu)的前提下，當(dāng)待檢測(cè)空氣污染物參數(shù)的種類或數(shù)量發(fā)生變化、系統(tǒng)功能升級(jí)或人機(jī)交互顯示信息調(diào)整時(shí)，可增加或裁剪Nios II控制器的外設(shè)功能模塊，以最精簡(jiǎn)靈活的方式實(shí)現(xiàn)空氣污染物的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于Nios II處理器的可移動(dòng)空氣污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括Nios II處理器模塊、SDRAM模塊、EPCS模塊、無線通信模塊、衛(wèi)星信號(hào)解算模塊、溫濕度檢測(cè)模塊、人機(jī)交互模塊及多個(gè)空氣污染物檢測(cè)模塊.

Nios II處理器模塊為通過Qsys工具在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA內(nèi)部嵌入，可選擇不同的Nios II內(nèi)核等級(jí)，定制不同種類和數(shù)量的功能IP.SDRAM模塊為FPGA外圍存儲(chǔ)模塊，用于配合Nios II處理器，提供處理器數(shù)據(jù)和指令的存儲(chǔ)空間.EPCS模塊作為FPGA系統(tǒng)鏡像存儲(chǔ)器，用于固化保存所設(shè)計(jì)的FPGA整體電路結(jié)構(gòu)，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)供電之后，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)鏡像電路下載到FPGA中，以脫離計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)平臺(tái).衛(wèi)星信號(hào)解算模塊用于接收并解算北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)，獲取檢測(cè)系統(tǒng)硬件終端所的位置信息和當(dāng)前的UTC時(shí)間信息，與其他空氣污染物傳感器的數(shù)據(jù)一起打包發(fā)送.溫濕度檢測(cè)模塊用于檢測(cè)硬件終端所在位置的溫度和濕度數(shù)據(jù)，空氣污染物檢測(cè)模塊為檢測(cè)相應(yīng)空氣污染物參數(shù)的傳感器模組，無線通信模塊用于將打包后（包括時(shí)間、位置、空氣污染物含量和溫濕度）四類數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器平臺(tái)，供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā).人機(jī)交互模塊是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互用的顯示界面.

1.1FPGA內(nèi)部架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用Intel的Cyclone IV系列FPGA芯片，型號(hào)為EP4CE10F17C8，集成10320個(gè)邏輯單元（LEs），414 Kbits內(nèi)存，資源豐富，能滿足監(jiān)測(cè)系統(tǒng)資源定制的需求.圖1為FPGA模塊內(nèi)部框圖.根據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需要，除Nios II處理器核心外，添加了系統(tǒng)ID、系統(tǒng)CLOCK、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG_UART下載調(diào)試器、I2C接口、PIO接口、UART接口等外設(shè)功能IP.Nios II處理配置的系統(tǒng)時(shí)鐘為100 MHz，I2C接口主要與溫濕度檢測(cè)模塊通信，PIO接口主要與用于人機(jī)交互用的顯示模塊LCD12864通信.UART接口的數(shù)量與系統(tǒng)外接（以UART為通信方式）的模塊數(shù)量有關(guān)，主要與無線通信模塊SIM900A模塊、衛(wèi)星信號(hào)解算模塊UM220-III和相應(yīng)的空氣污染物傳感器模塊進(jìn)行通信，串口波特率均設(shè)置為9 600 bps，數(shù)據(jù)格式為8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位、1個(gè)校驗(yàn)位.

1.2FPGA外圍電路設(shè)計(jì)

FPGA外圍電路主要有SDRAM模塊電路、EPCS模塊電路、UM220-III衛(wèi)星信號(hào)解算模塊電路、SIM900A模塊電路、空氣污染物和溫濕度傳感器模塊電路.圖2為SDRAM模塊電路圖，芯片型號(hào)為HY57V2562GTR，容量為256 Mbit，數(shù)據(jù)位寬為16 bit，地址位寬為13 bit，供電電壓3.3 V，用作Nios II處理器的數(shù)據(jù)和指令緩存.

圖3為EPCS模塊電路結(jié)構(gòu)圖，采用ST公司型號(hào)為M25P16VP的FLASH芯片，容量大小為16 Mbit，是FPGA系統(tǒng)的啟動(dòng)鏡像.供電電壓為3.3 V，系統(tǒng)上電后，通過DCLK，ASDO，DATA0，nCSO四個(gè)引腳，自動(dòng)將其存儲(chǔ)的電路鏡像下載至FPGA中.

圖4為UM220-III北斗/GPS衛(wèi)星信號(hào)解算模塊電路圖，通過SMA接口連接衛(wèi)星天線，模塊提供I2C，SPI或UART串口輸出衛(wèi)星解算數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過UART接口將數(shù)據(jù)串行輸送給NiosII處理器模塊.

圖5為無線通信模塊電路圖，采用SIM900A芯片，模塊通過UART接口接收Nios II處理器模塊打包處理后的數(shù)據(jù)，經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)程服務(wù)器，供進(jìn)一步的數(shù)據(jù)應(yīng)用開發(fā).[6]

圖6為溫濕度檢測(cè)模塊電路圖，其型號(hào)為SHT20，可采集的溫度范圍-40～125 ℃，相對(duì)濕度范圍0～100%RH，模塊通過I2C接口將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)輸送給Nios II處理器模塊進(jìn)行打包處理，注意模塊的SDA和SCL接口需要接10 K的上拉電阻，實(shí)現(xiàn)與Nios II系統(tǒng)正常通信.

系統(tǒng)檢測(cè)的空氣污染物參數(shù)包括國(guó)家環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012中所列的基本項(xiàng)目，即PM2.5，PM10，O3，SO2，CO，NO2等六類參數(shù).[7]

圖7為SDS011懸浮顆粒物檢測(cè)模塊接口電路圖，模塊采用激光散射原理[8]，能夠檢測(cè)空氣中0.3～10 μm懸浮顆粒物濃度，模塊內(nèi)置風(fēng)扇，且數(shù)字化輸出，響應(yīng)快速，場(chǎng)景變換響應(yīng)時(shí)間小于10秒.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過將SDS011模塊的RXD和

TXD連接至Nios II串口外設(shè)的S1_TXD和S1_RXD，進(jìn)行數(shù)據(jù)串口通信.

圖8為SO2檢測(cè)模塊電路連接圖，該模塊采用德國(guó)EC Sense固態(tài)聚合物傳感器，測(cè)量范圍為0～10 ppm，分辨率為0.001 ppm，串口數(shù)字輸出.監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過將SO2模塊的RXD和TXD連接至Nios II串口外設(shè)的S2_TXD和S2_RXD，進(jìn)行數(shù)據(jù)串口通信.

空氣污染物傳感器模組的UART通信接口連接方式與圖7懸浮顆粒物檢測(cè)模塊、圖8 SO2檢測(cè)模塊的電路連接方式相同.該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以根據(jù)檢測(cè)模組的數(shù)量，為Nios II處理器搭建相應(yīng)的UART功能IP，與相應(yīng)的傳感器模組進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)基于Nios II SBT平臺(tái)，采用C語言，對(duì)Nios II接收到的定位數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5/PM10濃度值以及各氣體傳感器檢測(cè)到的氣體濃度值進(jìn)行處理，整合并打包發(fā)送給SIM900A無線發(fā)送模塊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地人機(jī)交互顯示和遠(yuǎn)程無線傳輸.系統(tǒng)軟件總體程序流程如圖9所示.

第一步，進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括設(shè)置SHT20模塊分辨率、設(shè)置人機(jī)交互顯示模塊初始顯示內(nèi)容和數(shù)據(jù)顯示位置.第二步，各功能模塊的初始化，包括設(shè)置O3傳感器模塊A/D轉(zhuǎn)換參數(shù)，設(shè)置UM220-III模塊、SDS011模塊、SIM900A模塊的串口波特率，設(shè)置SIM900A模塊通過UDP協(xié)議傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器的本地端口號(hào)和遠(yuǎn)程服務(wù)器的端口號(hào)，建立起UDP通信.第三步，接收衛(wèi)星信號(hào)解算數(shù)據(jù)、溫濕度數(shù)據(jù)、PM2.5/PM10濃度值以及各氣體傳感器檢測(cè)的氣體濃度值.UM220-III模塊接收到衛(wèi)星數(shù)據(jù)后會(huì)觸發(fā)UART中斷，將接收到的數(shù)據(jù)暫存，待接收到一條完整的數(shù)據(jù)后對(duì)所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取所需要的信息并判斷該數(shù)據(jù)的完整性.第四步，將處理后的包含時(shí)間、位置、空氣污染物數(shù)據(jù)和溫濕度四類數(shù)據(jù)整合，控制人機(jī)交互顯示屏顯示內(nèi)容的實(shí)時(shí)更新;通過UART串口將數(shù)據(jù)上傳給SIM900A模塊，通過UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器.

3系統(tǒng)測(cè)試

在Quartus II和Nios II SBT平臺(tái)上對(duì)系統(tǒng)代碼的各個(gè)模塊進(jìn)行編譯、綜合、適配，經(jīng)USB-Blaster下載固化FPGA系統(tǒng)鏡像至EPCS芯片，然后進(jìn)行系統(tǒng)硬件測(cè)試.當(dāng)系統(tǒng)上電初始化后，人機(jī)交互顯示屏第一行的中間位置顯示“空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，待Nios II處理器接收到完整數(shù)據(jù)后，將在液晶屏的第一頁顯示溫/濕度數(shù)據(jù)、速度、經(jīng)緯度、日期時(shí)間和定位狀態(tài);5秒后顯示屏自動(dòng)切換，顯示PM2.5，PM10，SO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的界面;5秒后顯示屏自動(dòng)切換至第三頁，顯示O3，CO和NO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的界面;人機(jī)交互三頁顯示內(nèi)容自動(dòng)切換，不必人為操作.待Nios II處理器處理完接收的數(shù)據(jù)后，通過UART通信的方式將其發(fā)送給SIM900A模塊，由其通過UDP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳遠(yuǎn)程服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸.

系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果表明，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能正常實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星定位及相應(yīng)空氣污染物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和本地顯示功能，能將整合數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送，供服務(wù)器端進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用.

4結(jié)語

基于Nios II處理器的可移動(dòng)空氣污染物監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以FPGA內(nèi)嵌Nios II處理器為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍空氣污染物傳感器模塊及衛(wèi)星信號(hào)解算模塊的控制及信息獲取，整合傳遞數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程發(fā)送至服務(wù)器，供遠(yuǎn)程進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用，達(dá)到了可移動(dòng)監(jiān)測(cè)效果.該系統(tǒng)可根據(jù)監(jiān)測(cè)參數(shù)的種類和數(shù)量變化，在不改動(dòng)硬件連接的情況下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)調(diào)整，有很好的靈活性和適應(yīng)性，對(duì)現(xiàn)有固定的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站是一種有益的補(bǔ)充.參考文獻(xiàn)

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編輯：琳莉