環境監測系統采用模塊化設計，可以靈活、經濟地實現CO、SO2、氮氧化物等多種參數的測量。模塊化設計是將產品的某些要素組合在一起，構成一個具有特定功能的子系統，然后再將這個子系統作為通用性的模塊與其他產品進行多種組合，構成新的系統，產生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產品。即模塊化先進行系統的分解，再進行組合。采用這種模塊化設計思想，用戶可以根據實際情況，選用最合理的資源配置，實現較高的性價比。

1 系統設計方案

1．1 系統基本原理

環境監測系統以ARM系列LPC2214為核心，內置嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ，該操作系統對整個系統調度，具有數據采集、數據處理、數據存儲等功能。數據經過處理后，通過DTU無線模塊傳輸到上位機，然后上位機接收、顯示、存儲、報警，并結合數據挖掘技術對大量的采集結果進行分析處理，存儲于服務器數據庫。μC／OS-Ⅱ具有處理多個任務和外部接口接入數據的功能，使得監測系統可以同時處理多個事務，并具有更大的可擴展性。

環境監測系統是一個集成度高，可選擇測量多種場所環境的智能型環境監測系統，測量的環境參數有：溫度、濕度、風力、二氧化硫濃度、氮氧化物濃度、一氧化碳濃度、臭氧濃度、可吸入顆粒物濃度、噪聲、雨量等多個環境指標。其中，根據不同的場所選擇不同的測量模式，系統大體分為3種模式供用戶選擇：污染源模式、交通路口模式、居民小區模式。

1)污染源是指對環境造成污染的污染物發生源，通常指的是向環境中排放有害物質或對環境產生有害影響的場所、設備、裝置或人體，環境監測系統主要監測大氣污染，這里的污染源主要是大氣污染。大氣污染指大氣中污染物濃度達到的有害程度，超過了環境質量標準的現象。在此模式中列出了常見的也是對人體危害比較大的氣體污染物的監測，其中有二氧化硫、總懸浮顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)、氮氧化物、二氧化氮、一氧化碳、臭氧等。

2)交通路口模式主要是市中心、高速路口等交通繁忙的路段，監測的環境指標主要是汽車尾氣中的有害物質，還包含了實用的氣象狀況。

3)居民小區是指人們日常生活和活動場所的環境。環境質量是住宅小區健康要素中的最為直接的因素，是綠色健康小區最為鮮明的標志。居民小區模式中監測的參數有：空氣溫度、相對濕度、風力、風向、紫外線指數、噪聲、顆粒物等，這些參數都是和居民生活息息相關的環境指標。

環境監測系統的基本組成包括傳感器數據采集部分、信號處理模塊、鍵盤輸入模塊、顯示模塊、通信部分模塊、遠程監控中心。其系統硬件結構如圖1所示。

通信部分DTU模塊內嵌SIM卡，是構成一款基于GPRS網絡的無線數據傳輸終端設備，提供全透明數據通道，可以方便地實現遠程、無線、網絡化的通信方式，具有網絡覆蓋范圍廣(移動網絡覆蓋范圍就可以使用)、組網靈活快捷(安裝即可使用)、運行成本低(按流量計費)等諸多優點。

1．2 器件選型

ARM處理器以其低功耗、高性能、低成本等優點在嵌入式應用領域占據領先地位。LPC2214是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7 TDMI-STM處理器，并帶有128／256 KB的嵌入式高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在較大時鐘速率下運行。其中ARM處理器的另一個優點是采用數據保密安全性的設計方法，這對于實現網絡化的嵌入式系統具有重要作用。

LPC2214是一款功能強大的超低功耗微處理器，其構成原理圖如圖2所示。集成了Thumb擴展指令集，16 KB片內靜態RAM和128／256 KB片內Flash程序存儲器。128位寬接口／加速器可實現高達60 MHz的工作頻率，通過片內boot裝載程序實現在系統編程(ISP)和在應用編程(IAP)，8路10位A／D轉換器，2個32位定時器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實時時鐘和看門狗，多個串行接口，包括2個標準UART、高速I2C接口(400 Kb／s)和2個SPI接口，向量中斷控制器，可配置優先級和向量地址，通過外部存儲器接口可將存儲器配置成4組，每組的容量高達16 MB，數據寬度為8／16／32位，多達112個通用I／0接口(可承受5 V電壓)，9個邊沿或電平觸發的外部中斷引腳，通過片內PLL可實現最大為60 MHz的CPU操作頻率，片內晶振頻率范圍：1～30 MHz，2個低功耗模式：空閑和掉電，通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。

1．3 嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ

μC／OS-Ⅱ尤其適合學習和移植，將其使用在環境監測系統中，可以更好管理各個任務，使系統更穩定。μC／OS-Ⅱ開放源代碼，可移植，可固化，可裁減，它是完全可剝奪型的實時內核，即總是運行就緒條件下優先級最高的任務。μC／OS-Ⅱ最多可管理64個任務，其中其本身占用8個任務，應用程序使用56個任務，這樣可以解決多傳感器接入問題。

2 系統軟件設計

2．1 嵌入式操作系統移植

μC／OS-Ⅱ移植源代碼相關的代碼主要在OS_CPU．H，OS_CPU．C，OS_CPU．ASM這3個文件中。移植時主要在這3個文件中進行，使之適合處理器。在OS_CPU．H中對一些參數進行修改，把OS_CPU．C包含進自己的項目中。

2．2 多傳感器接入的實現

在實現環境監測系統中核心問題是多傳感器的接入，因環境監測系統應用場合不同有必要監測多種環境參數，故需要接入多種傳感器，如CO傳感器、SO2傳感器、氮氧化合物傳感器。本系統利用嵌入式操作系統多任務管理功能，對接入的傳感器處理分成各個任務模塊，并對這些任務模塊進行管理、執行。

2．3 系統軟件流程設計

系統共設計了6個任務，最高優先級的任務為自刪除任務，首先進行首次上電初始化，其后依次執行采集任務(以確保采集工作的順利進行)、按鍵任務、串口任務、LCD顯示任務。由于操作系統總是執行優先級最高的就緒態任務，這就要求軟件設計過程中，不僅要注意各個任務的優先級問題，還要注意之間的延時設計，確保每個任務都能被執行，防止在有些任務還沒被執行完時就被打斷進行新的循環。工作流程如圖3所示。

3 結論

系統使用ARM處理器降低了系統的功耗，同時提高了穩定性。應用μC／OS-Ⅱ提高了系統的調度和管理能力，使用模塊化設計方便了用戶根據自身需求選擇不同的資源配置，使用GPRS無線網絡彌補了人工監測的不足，解決了監測點分散、監測位置偏僻、站點無人值守、施工布線困難甚至無法實現等問題。該系統適合小型的環?；驓庀蟊O測站使用。