基于龍芯處理器的移動式多場景環境監測設備研發

文/薛曉康，汪誠，章樑，方騰楷

現階段，城市環境污染表現出排放源多樣、環境動力因素復雜、傳播速度快等特點，由于缺乏有效手段對污染源進行快速準確的定位，區域大氣污染的防治效率難以有效提升。這就需要相關部門加大無人機、無人船、移動機器人等移動式環境監測設備的研發力度，以加快實現精準實時的微尺度快速環境監測。本文中，筆者基于大氣、水質、核輻射、危化品等多種場景的環境監測需求，自主研發了基于龍芯嵌入式處理器的移動式環境監測系列設備。此類設備能夠掛載接入不同場景的傳感器，并且具備對環境監測數據的本地處理、存儲及回傳功能，能夠增強地方環保部門的應急監測和快速響應能力。

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

基于此，本文提出一種適應多場景監測任務的移動式環境監測設備體系構建方法，以滿足移動式監測設備尺寸小、精度高、實效性強等關鍵需求。基于此設想，筆者研制出大氣、水質、核輻射、危化品等污染的監測設備，這些設備可以根據不同場景需求搭載在無人機、無人船、移動機器人等移動載具上，進而進行微尺度的數據捕捉，實時監測管控區域內不同類型的污染源，助力實現環境污染的局部精準管控和治理。[3]

一、研究背景

目前，市面上的環境監測儀器大部分為進口，少部分國產儀器的核心芯片也基本來自國外。[4]就生態環境監測設備的整體功能來看，數據還需要進行采集運算、模型也需要定制，數據安全性、儀器的穩定性和售后要求高，設備需要應對的場景多樣，這些都離不開一系列以國產芯片、平臺、加密算法為主的技術支持。

基于龍芯1C300處理器研制出的USW 系列大氣監測、水環境監測、核輻射監測等移動智能監測設備，構建了成熟的地空水一體化、移動式、多場景的環境污染微尺度監測及預警體系。

現階段，我國大部分移動式環境監測產品的芯片及傳感器依賴進口器件，打破技術壁壘、實現儀表儀器和系統的自主替代成為當前的主要任務，也是增強國產環境監測儀器設備技術實力和市場競爭力的關鍵。也就是說，自主研發從芯片電路、傳感器到軟件系統的國產環境監測設備，具有極大的經濟效益和社會效益。

二、移動式環境監測設備軟硬件系統研發

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

本文基于算力、通信能力和安全性等需求，選取龍芯1C300處理器作為系統的核心處理器，并在此基礎上研發出基于龍芯平臺的移動式多場景環境監測設備，自主開發了一套適配龍芯處理器的環境監測程序。該程序包含基于匯編語言和C/C++的裸機程序、一套開源實時操作系統以及配套的監測軟件。設備研發的主要工作包括主控板硬件設計、傳感器接入板硬件研發、軟件系統研發等三個部分。

（一）主控板硬件設計

本文根據環境監測任務需求，決定對主控板開展圍繞龍芯1C300 處理器、面向環境監測需求的感知、處理、通信電路設計。該環節的主要工作包括：設計模擬量到數字量轉換的電路，設計一套具有多種通信接口、本地交互、硬件電路校準、本地數據可視化、本地數據存儲、蜂窩數據通信、本地斷點續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計，即在電路板正面和背面進行信號布線，中間兩層為堅實的地平面，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措施，主控板集成了多個RS232和RS485串口。因此，筆者利用國產CH341F芯片作為燒寫和調試的接口，并確認該主控板可以直接利用USB TYPEC 接口進行燒寫和調試信息的輸出。此外，筆者還為板卡開放了JTAG（聯合測試工作組）調試接口，以便軟件設計人員燒寫程序，評估軟件設計的可行性，此舉大大縮短了軟件開發周期。

（二）傳感器接入板硬件研發

傳感器接入板上集成了多個傳感器和對應的多級運放信號處理電路、一個鋰電池接口以及可靠的電源處理單元。同時，由于多個傳感器組高度模塊化，該設備可以根據不同的環境監測參數需求快速調整為不同類型的傳感器。此外，傳感器接入板以環境感知傳感器為核心，采用國產的運算放大器對模擬信號進行處理，支持大氣、水質、輻射、危化品等不同場景傳感器的統一掛載接入框架，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，并采用定制協議進行通信與供電。同時，主控板采用外設的十六通道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 強大的同步串行通信控制器進一步增加ADC 的通道數。

（三）軟件系統研發

軟件系統研發主要分為裸機程序和實時操作系統任務程序兩個階段。第一階段的主要任務是，開發出成熟可靠的裸機程序，以測試和評估硬件平臺的表現，包括調試各個模塊的功能和板間通信的可靠性等；第二階段的任務是，移植適配基于FreeRTOS（嵌入式系統）的實時操作系統，并在確保系統運行穩定的前提下，開發出一套用于移動環境監測的任務程序，以確保軟件開發具備通用性和可移植性。軟件系統研發關鍵主要體現在以下三個方面。

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

（2）環境監測數字信號處理。筆者結合軟硬件濾波，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行有效處理。

（3）監測設備軟件系統開發。筆者整合了龍芯硬件平臺的各個外設，并基于匯編語言和C/C++語言開發出一套完整的裸機代碼，用于對設備開展整體的軟硬件協同測試；向龍芯平臺移植適配基于FreeRTOS 的開源實時操作系統，并基于該系統設計出具備較強移植性和通用性的環境監測軟件。

三、設備產品指標及優勢分析

（一）設備產品指標

該系列設備主要包含主控板、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境監測設備產品。同時，主控板支持FreeRTOS 實時操作系統，在此配置下，技術人員可針對不同場景的傳感器數據，定制和開發環境監測數字信號處理程序，實時、精確、穩定地輸出環境監測數據。

當前，該設備支持的監測場景主要有4 種：大氣、水質、輻射、危化品。筆者針對這些監測場景的具體載具，設計出不同型號的監測設備，進而構建出移動式多場景環境監測產品體系。其中，大氣監測設備主要搭載無人機或者車載走航監測設備進行大氣監測；水質監測設備搭載無人船進行水質監測；核輻射監測設備搭載無人機進行遠距離輻射監測；危化品監測設備搭載無人機或者機器人進行危化品移動監測。

（二）優勢分析

本文研制的基于龍芯1C300處理器的移動式環境監測設備，打破了國外儀表儀器計算、采集、運算等核心技術壟斷，同時還能匹配國產傳感模塊，真正實現了全國產方案替代，填補了國內市場中國產移動式環境監測設備的空白。本文設計的移動式環境監測設備可適應大氣、水質、核輻射、危化品等不同場景的環境監測需求，并且可以針對更多場景進行接入板的定制化研發，應用場景更加廣泛。此外，本文設計的基于龍芯平臺的主控板適配和實時操作系統，不僅可以用于環境監測領域，同時可用于其他對實時性要求較高的應用場景。

四、結語

本文基于龍芯嵌入式處理器，研發出了移動式環境監測系列設備，滿足大氣、水質、核輻射、危化品等多種場景的環境監測需求。更重要的是，本文介紹的軟硬件體系具有較強的兼容性和擴展性，未來，研究人員可以在現有設備的基礎上進一步豐富傳感器類型，擴展設備的監測因子范圍；也可以針對新的監測場景進行擴展，接入相應的傳感器，并定制開發相應的數據處理程序，從而縮短研發適應新場景的監測設備的時間。