基于龍芯2k1000處理器的智慧多功能桿設計

劉必廣 王軍祥

福建船政交通職業學院 福建 福州 350007

引言

在社區、廠區、社會公共空間可以使用多功能桿提供信息發布、環境數據收集、安全監控服務管理，為提高管理水平提供必要的支撐。本文基于國產處理器龍芯2k1000設計一個具備氣象服務、環境監測、信息發布和安全監控功能的多功能桿。

1 系統設計方案

智慧多功能桿系統由主控系統和終端設備組成。主控系統使用龍芯2k1000開發板。各個終端設備實現多功能桿的數據采集和應用控制。終端設備的功能有：遠程路燈控制、智能氣象監測、巡檢人員人工操作、安環監控等。系統由終端設備采集數據發送到主控系統進行處理和判斷、主控系統通過終端設備實現控制、監控和信息發布功能。

2 硬件設計

智慧多功能桿的主控系統使用龍芯2k1000[1]開發板，配置有龍芯2k1000處理器常用的GPIO接口、RJ45網絡接口、USB接口、HDMI接口。GPIO接口除了能夠進行通用的輸入輸出之外，還可以通過GPIO接口復用功能實現UART、I2C、SPI、CAN、CAN等接口應用。智慧多功能桿有多種終端設備，終端設備的接口也不盡相同，根據終端設備不同連接方式、物理特性、設計好和龍芯2k1000開發板的連接方式，能夠充分發揮系統的作用，提高系統工作效率。系統硬件模塊如圖1所示。

圖1 硬件模塊圖

2.1 智慧氣象站功能

智慧氣象站[2]包括溫濕度、光強、粉塵、噪聲，氣壓等氣象數據監測和處理。各種氣象監測以自己的方式連接到主控系統，接收主控系統指令，執行相應氣象數據監測工作并將監測到的氣象數據發送給主控設備進行處理。

2.1.1 溫濕度檢測設計。系統使用DHT22[3]作為溫濕度監測設備，監測當前環境溫濕度值。DHT22只有一根數據線，用于接收命令和輸出數據。由于DHT22為單總線數據傳輸，在和DHT22指令/數據交互時，龍芯2k1000開發板需要使用漏極開路的GPIO口連接到DHT22，并為DHT22數據線上拉一個5.1kΩ電阻，確保沒有收到指令的情況下為高電平。

DHT22的驅動程序主要有2個模塊：初始化模塊和數據讀取模塊。

初始化模塊負責定義DHT22的數據引腳、數據緩沖區。數據讀取模塊負責讀取溫濕度數據并分別轉換為溫度值和濕度值。當數據讀取模塊讀取溫濕度數據時，按照DHT22的工作時序讀取溫濕度值：先發送800μs低電平作為DH22啟動信號，然后釋放數據線，通過數據線接收DHT22發送的溫濕度數據。當收到DHT22的數據起始信號（80μs低電平后80μs高電平）后，接收40位數據，每一位數據都由一段低電平加一段高電平組成。1的時序為50μs低電平后70μs高電平，0的時序為50μs低電平后25μs高電平。程序設計時可以在低電平結束后的45μs采集電平，電平為0，高電平為1。讀取到的40位溫濕度數據高位在前低位在后。接收到的40位數據從高位到低位分為5個字節，其中第4、3字節分別為濕度數據的高位和地位，第2、1字節分別為溫度數據的高位和地位。收到溫濕度數據后要先校驗，校驗的方法是若溫濕度數據4～1字節和等于0字節，數據無誤，校驗通過，否則數據不可用。校驗通過后計算濕度值為4～3字節數據值除以10。2～1字節的最高位為溫度符號，1位負數、0位負數，其余位的值除以10為溫度絕對值。

2.1.2 粉塵檢測設計。系統使用GP2Y1014AU粉塵傳感器[4]檢測環境粉塵值。GP2Y1014AU的LED引腳連接龍芯處理器的一個GPIO引腳，當LED為高電平，GP2Y1014AU的發光二極管亮，280μs后，GP2Y1014AU的引腳out輸出粉塵檢測的模擬值，out引腳和其反相信號分別接A/D轉換器AD7810的VIN+和VIN-，經A/D轉換得到粉塵檢測值Vo。

GP2Y1014AU的驅動程序的初始化程序完成GP2Y1014AU和AD7810引腳設置。數據讀取模塊要分3步執行，第一步，通過設置GP2Y1014AU的LED 引腳為高電平，啟動GP2Y1014AU采樣；第二步，0.28ms后，GP2Y1014AU采樣完成，out引腳輸出檢測結果，設置AD7810的CONVST引腳1μs的高電平，啟動AD7810進行A/D轉換。2μs后后A/D轉換完成，向AD7810的SCLK引腳連續輸出10個脈沖，與此同時從AD7810的Dout引腳讀取10位A/D轉換結果Vo。然后計算粉塵濃度檢測值：當Vo＜0.6，粉塵濃度粉塵濃度density=0；當0.6＜=Vo＜=3.6,density=(Vo-0.6)/5；當Vo＞3.6, density=0.6。

2.1.3 光強檢測設計。系統使用TSL2561[5]進行光強監測。TSL2561為I2C協議訪問。TSL2561引腳連接如表。DDR SEL 器件訪問地址選擇，本系統將DDR SEL接地，其I2C地址為0X29，通過SCLSDA按照I2C協議讀寫TSL2561數據。當光強超過預設范圍后，TSL2561通過INT發出中斷信號，連接GPIO37復用67號中斷。

光強檢測設計驅動程序的初始化模塊通過設置i2c_sel為1，復用I2C1，設置67號中斷及中斷服務程序，開辟數據緩沖區用于存放光強數據。數據讀取模塊負責TSL2561光強數據讀寫。讀寫TSL2561溫濕度數據，要按照TSL2561工作時序進行。寫數據或命令時，先將TSL2561的地址和操作命令寫入I2C數據格式幀中，然后發送到I2C總線，TSL2561確認I2C數據格式幀中的地址和自己的地址匹配后，向會系統發送應答信號，系統收到應答信號后會向TSL2561發送多個數據，發送每個數據后都要等待TSL2561響應后才會繼續后繼發送。

讀數據時，當系統收到應答信號后，系統將通信模式改變為TSL2561發送，系統接收模式。然后，系統等待TSL2561的應答信號，當系統收到TSL2561應答信號后，就可以接收數據。當數據接收完成后，系統要發送一個非應答信號，表示系統不在接收數據。

2.1.4 氣壓檢測設計。系統使用bmp280[6]監測大氣壓，使用I2C方式訪問bmp280。連接時，時鐘信號SCL接龍芯2k1000開發板I2C1時鐘線，數據信號SDA接龍芯2k1000開發板I2C1數據線，地址控制SDO接地，即bmp280的I2C地址為0XEC。

氣壓檢測的初始化程序主要工作有：設置bmp280的測量控制寄存器值為00100111；即設置bmp280的大氣壓采樣模式為16位，普通模式；配置寄存器值的7～5位為000，即轉換時間間隔為0,5ms。大氣壓強采樣模式為16位采樣模式，即設置ctrl_meas寄存器的Bit7～Bit5位為001，設置bmp280工作于大氣壓采樣模式，即設置即設置ctrl_meas寄存器的Bit7～Bit5位為001。讀取氣壓過程為，讀取bmp280中地址單元0xf7～0xf9中的氣壓數據，按照轉換公式轉換為氣壓值。

2.1.5 噪聲檢測設計。噪聲檢測模塊由LM386對將麥克風采集到的聲音信息進行放大后送A/D轉換得到噪聲數據。

麥克風的輸出連接到LM386輸入端，LM386和麥克風輸出共地，LM386輸出端連接A/D轉換器，A/D轉換的輸出連接到龍芯2k1000開發板。

2.2 管理應用功能

2.2.1 巡檢人員考勤。本系統使用指紋簽到作為管理人員的考勤，其功能包括考勤、考勤情況上報、信息變更、考勤信息錄入和修改等等。

系統使用AS608[7]指紋識別模塊作為考勤終端。連接時將指紋識別模塊的Tx和Rx引腳分別接龍芯2k1000開發板UART3_RXD和UART3_TXD引腳，使用串行方式訪問指紋識別模塊。

考勤模塊考勤信息錄入功能用于采集指紋圖像，生成指紋特征數據并將指紋特征數據保存到指紋庫。指紋特征數據是根據指紋紋路、指紋線條交叉點等特點提取指紋圖案的參數而生成，由于每個人指紋信息各不相同，指紋特征值也會各不相同。輸入指紋生成特征值后，搜索指紋庫，若有相同的指紋特征值，發出提示并忽略新輸入的指紋數據?？记谀K考勤程序會先從指紋識別模塊讀取考勤人員指紋信息并生成指紋特征值，然后到指紋庫中檢索該指紋特征值。若檢索到，則獲取該指紋特征值對應的員工信息，將員工號、簽到時間、簽到多功能桿標記等簽到信息記錄到簽到數據表中。

巡檢人員在巡檢后需錄入巡檢記錄、系統異常、設備檢修等信息。本系統預留2個USB接口用于即時連接鍵盤和鼠標。當巡檢人員發現系統異?；蛟O備故障后登錄系統的巡檢記錄模塊，錄入系統異常信息或設備檢修信息。錄入的信息將會發送到信息處理服務器，如果故障未修復，將會提醒相關人員。

2.2.2 信息顯示和廣告投放。龍芯2k1000開發板通過HDMI接口可以連接不同型號的顯示器。用于分屏顯示系統信息和廣告投放。

將智慧氣象站模塊監測到的氣象信息以列表的格式在氣象信息顯示區域顯示。每10min刷新溫濕度、光強、粉塵、噪聲，氣壓等監測數據。

廣告顯示區域用于根據客戶要求顯示或播放廣告信息。廣告投放模塊分為文字廣告、圖片廣告和視屏廣告三種。文字廣告內容播放時要設置好顯示背景、設置根據要求設置好字體大小、動態效果顯示文字。圖片廣告可以顯示單個圖片或將多張圖片組合后顯示；視屏顯示需要先讀取視頻文件，獲取文件播放時長，然后在定時時間內只能不能切換播放，確保一段廣告播放完整。然后定時切換文字廣告、圖片廣告和視屏廣告內容。

2.2.3 智能路燈控制。智能路燈控制模塊通過一個繼電器開關控制路燈，能夠通過網絡根據遠程命令控制路燈，還可以根據不同日期天黑天亮時間開啟或關閉路燈。

2.2.4 視頻監控[8]。龍芯2k1000開發板通過USB接口連接攝像頭。然后，搭建視屏讀取平臺，以固定的時間間隔將視頻文件保存在本地臨時目錄，按照系統的要求，將相應視頻文件傳送到視屏服務器。由于視頻文件比較大，本地保存的視頻文件會以約定的規則定時清理。

3 軟件模塊設計

主程序啟動后，主線程在初始化工作完成后，創建若干個子線程，每個子線程完成相應的功能，主線程負責協調個子線程工作。系統模塊圖如圖2所示。

圖2 系統模塊圖

軟件模塊功能有系統初始化、功能模塊實現、顯示信息等功能。

3.1 系統初始化模塊

初始化模塊完成系統初始化配置，配置系統數據區；定義各檢測模塊數據緩沖區；調用各檢測模塊的初始化程序設置各檢測模塊GPIO引腳工作模式；定義簽到數據庫、初始化指紋庫；定義攝像頭視屏存放路徑和視屏命名規則；初始化路燈開關時間；初始化廣告信息；調用各功能模塊初始化函數，分別對各功能模塊進行初始化工作。

3.2 啟動監測功能線程

系統初始化模塊之后，啟動各模塊監測線程，各模塊監測線程完成監測任務后把監測到的氣象數據存放到對應的數據緩沖區中，在數據緩沖區起始字節設置一個標志位，用于標記數據緩沖區中的數據是否有效。各監測線程分別負責相應的數據監測，防止因監測氣象數據延時或氣象監測設備故障導致系統遲滯。

溫濕度監測線程調用溫濕度數據讀取函數得到溫濕度數據，按照數據協議轉換為溫濕度值分別放到溫度值緩沖區和濕度值緩沖區中。粉塵監測線程調用粉塵數據讀取函數，由于粉塵檢測需要進行A/D轉換，需等待粉塵檢測結果后再讀取粉塵數據值放入粉塵值緩沖區。噪聲監測線程調用讀取函數后要等待A/D轉換完成信號，然后才能讀取噪聲值放入噪聲值緩沖區。光強監測線程調用光強讀取函數獲取光強數據放入光強值緩沖區，當光強值超過預設范圍，由67號中斷處理，光強數據要做超值處理。氣壓監測線程調用氣壓數據讀取函數放入氣壓數據緩沖區。

由于氣象數據變化不是很快，無須每一個主系統循環都進行氣象數據監測，系統使用定時的方式啟動氣象監測線程。這樣可以節約系統資源，提升系統運行效率。

3.3 監控處理線程

監控處理線程調用視頻監控處理函數，按照設定的分辨率將監控視屏保存在指定路徑，定期清理超期視屏。

3.4 顯示信息

顯示信息模塊將信息分為基本信息、監測信息和廣告信息三種來處理。基本信息有日期時間、提示等信息，基本信息以固定格式在固定區域顯示；監測信息顯示要先根據監測信息標志字節判斷相應監測數據是否有效，然后在固定區域顯示有效的監測信息；系統以輪詢方式在顯示器的廣告區域輪流顯示各個廣告信息。

3.5 路燈控制

路燈控制是在系統設定的時間打開或關閉路燈。

3.6 管理人員考勤

管理人員考勤只有在按了考勤按鈕后才啟動，啟動指紋識別，指紋識別成功后將考勤信息包括員工號、考勤時間、考勤地點等信息記錄到數據表中。

3.7 信息錄入

在選擇信息錄入按鈕后會啟動信息錄入，錄入人員可以輸入系統運行情況、設備檢修信息、巡檢信息等信息并保存到系統信息表中。

4 結束語

基于龍芯2k1000處理器的多功能桿，利用龍芯2k1000處理器開發板開放接口，結合多功能桿應用的功能，提供了一個集環境數據采集、公共信息服務、公共安全監控平臺。