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1、基于ARM的嵌入式森林防火预警系统的设计摘 要 森林火灾作为一种突发性强、破坏性大、处置救助较为困难的自然灾害之一，其防治工作已经成为中国防震减灾和国家公共应急体系建设的重要组成部分，因此设计并完成一种有效的森林防火预警系统对国家建设有着重要的意义。为此，本文介绍一种基于嵌入式的森林防火预警系统。此系统要满足长期、无间歇监控工作的需求，研究发现，ARM-Linux嵌入式体系具有低功耗、开源稳定等特性，该系统采用ARM9 系列的S3C2440A芯片作为核心控制器，通过对Linux内核中Video4linux2驱动的使用，利用摄像头将现场信息传送到监控中心，并通过各类传感器将森林的温湿度、烟雾等数
2、据采集出来，经AD转换及IO数据的读取，将得到的数据传给主控制器，同时通过网络协议传送至监控方。主控制器进行数据融合分析，决定是否鸣叫警示和发送报警信息。本系统不仅能自动监控、报警，又能通过网络将信息传送至监控处，使得监控人员更加了解森林情况，从而更加有效及时地对森林火灾进行预警报告。ARM-Linux嵌入式体系结构化的开发模式具有稳定、可靠、易维护等特点，分析与测试表明，此系统采集数据具有较高的可靠性，数据分析精确，能够及时报警，这种灵活的森林防火预警系统在实现全天候远程监控的同时更提高了预警质量，有望在今后得到广泛的应用。关键词：森林防火预警；低功耗；开源；ARM-Linux；数据融合；远
3、程监控Design of embedded forest fire prevention and warning system based on ARMAbstractForest fire is one of the natural disasters, which is one of the more sudden, destructive and difficult to dispose and rescue. Its prevention and cure has already become the important part of the China earthquake dis
4、aster reduction and the national public emergency system construction, so it is important to design and accomplish an effective forest fire warning system for the national construction. To this end, this paper describes an embedded forest fire warning system.This system should meet the needs of the
5、long-term and uninterrupted monitoring. Research findings, Linux-ARM embedded system has the characteristics of low power consumption, stability and open source. The system uses the ARM9 S3C2440A chip processor as the core controller. Through the use of Video4linux2 driver in the Linux kernel, use t
6、he camera to send field information to the monitoring center, And through all kinds of sensors, collect the forest temperature and humidity, smoke and other data, via conversion of AD and IO data read, pass the data to the master controller, and at the same time to the monitoring side through the ne
7、twork protocol. Master controller makes data fusion analysis, decide whether to tweet alerts and send alarm messages. This system can not only monitor the alarm automatically, but also transmit the information to the monitoring department through the network, that can makes the monitoring staff more
8、 understanding of forest conditions. So as to more effectively and timely to forest fire warning report.The development mode of ARM-Linux embedded system has the features of stable, reliable and easy maintenance. Analysis and test show that this system has the high reliability, the data analysis is
9、accurate, and can timely warning. This flexible forest fire early warning system can improve the quality of the early warning and is expected to be widely used in the future.Keywords：Forest fire warning; low power consumption; open source; ARM-Linux; data fusion; remote monitoring目 录引 言.1第1章 绪论21.1课
10、题背景及意义21.2国内外发展现状和存在问题31.3远程监控系统介绍41.4课题的主要内容4第2章 相关知识介绍62.1嵌入式系统及ARM处理器介绍62.2硬件和软件开发环境92.3传感器介绍12第3章 需求分析143.1火灾预警系统14 3.2可行性分析14 3.3功能需求分析15 3.4性能需求分析15 第4章 系统设计164.1系统整体架构164.2系统硬件结构164.3系统软件结构20第5章 硬件系统设计225.1硬件整体设计225.2电源管理模块. 225.3传感器模块235.4网络传输模块30第6章 软件系统设计31 6.1系统开发环境的搭建316.2软件系统的搭建366.3数据采
11、集单元376.4数据处理和网络通信单元526.5上位机的实现59第7章 系统测试647.1功能测试647.2系统可靠性测试667.3测试总结66结论与展望67致 谢68参考文献.69附录A 外文文献及其译文71附录B 主要参考文献及其摘要82附录C 主要代码.85插图清单图2-1嵌入式系统结构图.6图2-2烟雾传感器原理图.12图4-1系统总体框图.16图4-2系统硬件结构.16图4-3开发板实物图.17图4-4通讯过程图.18图4-5通讯过程.18图4-6数字0信号表示方法.19图4-7数字1信号表示方法.19图5-1开发过程硬件布局.22图5-2电源模块23图5-3 DHT11模块原理图.
12、23图5-4 DHT11模块连接图.24图5-5 MQ135原理图.25图5-6 GPRS功能模块图.27图5-7 SIM900A模块的接口设计.27图5-8 SIM900A天线接口电路图.28图5-9 6引脚SIM卡电路图.29图5-10蜂鸣器原理图.30图5-11 DM9000网卡模块连接图.30图6-1 arm-linux-gcc v打印信息.32图6-2 FLASH存储器分布图.33图6-3内核子系统关系图.34图6-4 Linux进程空间分配图.34图6-5 Linux虚拟文件系统.35图6-6系统软件结构.37图6-7温湿度采集流程图.38图6-8烟雾采集流程图.42图6-9图像采
13、集流程图.44图6-10数据采集和远程传送流程.52图6-11上位机原图1.59图6-12上位机原图2.59图6-13上位机原图3.59图7-1 USB摄像头拍摄图.65表格清单表5-1 MQ135的标准工作条件规格表.24表5-2 MQ135的环境条件规格表.24表5-3 MQ135的灵敏度特性表.24表5-4 SIM900A主要特性.25表5-5 SIM接口引脚定义.28表7-1 温度测试结果分析表.64表7-2 湿度测试结果表.64表7-3 烟雾测试结果分析表.65表7-4 GPRS报警测试结果分析表.66表7-5 GPRS蜂鸣器报警测试结果分析表.66引 言随着造林事业的不断发展，林地
14、面积、林业蓄积量逐年增加，防火工作是首要任务。森林火灾作为森林三大自然灾害之首，能在短时间内烧毁大片森林，造成巨大损失，如何对森林火险进行实时、准确的监测预警，进而为林火的预防和灭火指挥提供决策支持，已成为亟待解决的问题。近几十年,我国森林防火行业也取得了长足的发展，但由于研究经费严重不足，研究深度不够等原因，我国森林防火行业的科研整体水平与世界水平还有很大的差距，森林防火的应用基础研究不够深入和连续，没有成熟完善的森林火灾预警系统。基于ARM的嵌入式森林防火预警系统可以长期对森林进行监控，能够对森林中的各种数据进行采集分析，时刻关注森林情况。无论有无监控人员进行监测，只要有异常发生，都能够及
15、时进行报警，对森林火灾的预警有重要意义。本系统是基于远程监控在无线网络和嵌入式技术上的应用。是根据基于嵌入式领域的发展趋势，开发的一套基于 ARM9-Linux 模式的嵌入式森林防火监控系统。利用无线网络能够进行远程监控，嵌入式技术和无线移动网络技术的融合，实现了远程实时图像的监控，可以被广泛地应用在不同的场合监控1，由于能够打破时间、空间的限制，嵌入式监控技术已经成为监控领域中的热点。第1章 绪论1.1课题背景及意义森林火灾是林业的灾难，是森林的最可怕的敌人。森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点，它会给森林带来最有害，最具有毁灭性的后果。森林火灾不但烧毁成片的森
16、林，伤害林内的动物，而且还降低森林的繁殖能力，引起土壤的贫瘠和破坏森林涵养水源的作用，甚至会导致生态环境失去平衡。尽管当今世界的科学在日新月异地向前发展，但是，人类在制服森林火灾上，却依然尚未取得长久的进展。 目前,我国森林防火行业的科研整体水平与世界水平还有很大的差距。主要体现在:一是研究经费严重不足,与森林防火研究对象的复杂性不匹配,制约着科研水平的提高;二是研究深度不够、实用性差,成果转化率低;三是重大关键问题突破困难。主要是森林火灾的高效扑救工具和扑救技术等问题。由于问题的复杂性和现有科研水平的限制,研究进展缓慢;四是基础研究薄弱。林火生态学、森林火灾损失评估等工作开展少,应用成果少;
17、五是研究力量薄弱。专业研究机构和人员数量少;研究人员知识结构不合理,缺乏多学科交叉的机制;实验手段落后,缺乏野外试验基地和协作机制。总之,这些问题导致森林防火的应用基础研究不够深入和连续,严重影响了我国森林防火行业的发展。我国只有少数部分的森林防火工作到位，大部分的地区森林防火体系不健全。火灾发生率较高和受害率仍然偏高，森林防火手段落后，火情发现迟、报警慢,小火容易变成大祸。新形势下做好森林防火工作必要性众所周知,森林防火它的重要性,它是维护气候稳定的关键2.火灾扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时，分析是否准确合理，决策措施是否得当。为此国内外都在为预防、减少
18、和控制森林火灾而努力。1.森林防火是保护森林发展林业的需要森林火灾是森林三大自然灾害之首，防止火灾就是保护森林。森林是发展林业的基础，没有森林就没有林业。森林防火是保护森林资源和发展林业事业的基础工作。林业是国民经济的重要组成部分。森林防火的好坏，将严重影响国民经济快速发展。2.森林防火是保护生态建设的需要火灾可以使森林毁于一瞬,而恢复往往需要几十年甚至数百年。森林是人类及野生动物赖以生存的良好环境。众所周知，森林在维持和保护生态环境方面具有十分重要的作用。然而，森林火灾会使森林的这些功能减弱，甚至消失。因此，防止森林火灾就是保护生态环境。3.森林防火是社会安定的需要在林区，森林防火关系到千家
19、万户，森林是林区人民赖以生存的物质基础，森林火灾会使森林遭受破坏，甚至消失，给林区人民生产生活带来困难。另外，森林火灾还会直接威胁林区人民的生命财产安全。森林防火不仅要防止意外因素引发的森林火灾，而且还要同少数不法分子作斗争，防止其故意 纵火，维护林区社会安定。扑救森林火灾要消耗大量的人力、物力和财力,影响工农业生产。有时还可能造成人身伤亡,影响社会的安定。我区正处在经济转型的关键时期，需要一个安定的社会环境。因此森林防火工作是保障我区社会安定的需要。基于arm的嵌入式的研究意义：本系统的设计是基于ARM-Linux计算机嵌入式系统的设计。由于融合了计算机技术、数字通信技术、半导体技术等多种技
20、术，符合当前电子类设备对体积，成本，性能的需求，而得到了高速的发展。嵌入式系统不同于原来的单片机系统,它不仅有自己的操作系统，上层应用程序,而且还具备网络通信和信息管理功能。ARM体系的处理器是目前嵌入式系统中使用最广泛的处理器。它采用了RISC技术，具有寻址方式简单,寄存器多，指令长度固定等特点，使得它的处理速度快、执行效率高。由于Linux对于ARM技术的支持,具有内核可裁减，网络功能强大，代码开放的特点，把Linux应用到嵌入式系统中,能充分发挥ARM和Linux的优势3。1.2国内外发展现状和存在问题1.2.1 国外现状 随着科学技术的进步和森林防火信息化需求的逐渐升级，新的火灾探测器
21、也不断出现，气象科学、遥感技术、电子计算机、激光、通讯和航空航天技术的蓬勃发展，化学和生物技术的不断革新，加上现代科学管理的渗透，为森林防火提供了先进的手段和技术条件。如林火预测预报、 红外线监测 林火、雷达监测林火、激光监测林火、卫星遥感监测林火、通讯、人工降雨灭火、飞机灭火以及计算机林火管理系统等新技术的应用，为有效地控制森林火灾的发生，把森林火灾的损失降低到最低限度提供了保证。国外森林防火行业在对现代高科技的应用与研究主要表现在以下两方面：首先是以计算机应用技术为主的林火管理系统（包括计算机网络传输与通信系统、森林防火辅助决策系统、火场图像实时传输系统，与航天技术结合的地理信息系统、定位
22、跟踪系统、预测预报系统等，与现代视频技术结合的林火监测系统、视频指挥系统等）应用研究，其次是与航空技术结合高效灭火装置、灭火剂的应用研究等。1.2.2 国内森林防火现状森林火灾监测技术是森林防火技术的重要组成部分，目前森林火灾监测技术已经逐渐从单一的地面林火监测向地面、航空与航天遥感立体林火监测转变,这种立体监测包括地面巡护、瞭望台监测、飞机巡护监测和卫星监测4个层次，虽然这种转变能够更好的对森林火灾进行监测，但是近年来，由于受到全球气候异常的影响，我国许多地区高温、干旱、大风和极端冻害天气增多，致使森林火险等级持续居高不下。夏季的雷击火，冬季的反常火灾频频发生，森林火灾的发生已经完全突破了以
23、往防火期的概念，森林防火形势严峻20。保护森林资源逐渐受到人们的高度重视及广泛关注，防护森林火灾已经成为林业主管部门和各级政府部门致力于研究的重大课题。由此可见，森林火灾预警体系，有着非常重要的社会及现实意义21。1.2.3 我国森林防火预警中存在的问题正是因为我国森林防火预警工作体系的开展步伐相对较晚，尤其是在很大程度上受到科研力量、基础理论研究及技术以及资金等一系列条件的束缚，这便使得森林防火预警体系工作中有着许多有待于解决的问题存在21。主要表现在：1.基础设施比较薄弱我国森林防火预警工作的数据主要来源于国家气象观测网，但是观测地点几乎都远离森林，使得许多重要林区和高火险区都没有气象观测
24、资料。此外，由于国家对森林防火工作投入不足，行业部门之间数据无法共享等问题，也影响了森林防火工作的开展。2.森林管理难度较大绝大部分的森林资源都生长在山区，地形复杂，小道众多，给森林管理造成一定的难度23。3.管理工作有待规范森林防火预警体系的建设不是一蹴而就的，而是有着较强的复杂性且覆盖极广的一个大系统，迫切的需要家相关部门最大限度的加强火灾预警工作的规范化以及标准化。4.科研工作较为落后现阶段我国大多数区域在预报森林火险等级的工作上依旧是一大空白,未切实形成森林火险全性的预报预测体系,有待于进一步研究与我森林火险等级相适应的的预报模型。1.3 远程监控系统介绍远程监控指本地计算机或监控终端
25、通过网络对远端的设备进行检测与控制。它是计算机技术、信息技术、及网络技术在监控系统中结合的产物。主要包括远程监视和远程控制两部分2425。通过远程监控,技术人员无须亲临现场，就可以进行监视。当现场地理位置比较偏僻或条件比较恶劣时，这一点就显得尤为重要。通过远程监控还可以实现现场数据的实时采集和存储,更加清楚的了解现场。实现远程监控的系统架构分为：1.基于WEB技术以HTTP协议和WWW规范为基础的B/S(Browser/server)模型。其特点是监控端使用统一的WEB浏览器控制,无需开发监控端程序;远程设备通过嵌入式WEB服务器,响应监控端26。2.基于socket的C/S(client/s
26、erve)模型。其特点是直接以TCP/IP协议为基础,需要同时开发监控端和目标机的程序。目前，嵌入式技术以及网络服务技术的不断快速发展，使得远程监控技术越来越完善。林火监控系统必然会更加成熟，相信在不久的将来，基于嵌入式的远程森林防火技术必然会大规模的应用于森林防火预警。1.4课题的主要内容本课题拟研究一种基于ARM的嵌入式森林防火预警系统。旨在开发出一种卓有成效的森林防火预警系统，以取得森林防火技术的进步。本设计以嵌入式ARM-Linux系统构建，使用u-boot，修改并移植到ARM9IC中的NOR FLASH存储器，作为Linux系统启动的BootLoader。使用Linux-2.6.32
27、.2版本内核,裁剪并移植内核模块，构建ARM9简易Linux操作系统内核。使用busybox，利用其以构建成型的Linux的shell命令建立根文件系统，实现驱动程序的加载，以使得不同功能模块正常工作采用模块化的设计思想，分为主控模块（嵌入ARM9微处理器的IC）和不同的功能模块 （GPRS、温湿度传感器、烟雾传感器、摄像头等），硬件机制能否满足不同模块独自工作而不相互影响，并且能够满足需求扩展而增添不同的模块。首先通过查阅大量相关资料，了解森林防火预警的条件，即如何实时观测森林状况，如何识别森林起火，如何进行报警等等。本课题是基于ARM的嵌入式技术，要在软硬件结合的基础上进行设计开发.本设计
28、主要分为以下六个大步骤：1.Ubuntu OS下安装交叉编译环境，以便编译出能够在ARM9平台运行的驱动模块；2.Ubuntu OS下安装tftp服务器，以便后期驱动的下载；3.使用uboot 进行BootLoader的移植；4.使用Linux-2.6.32.2版本内核，在交叉编译环境下进行内核的编译与移植；5.使用busybox 创建根文件系统，为驱动软件的装载提供运行环境；6.编写各个模块的驱动，并使用tftp服务器下载到ARM的nand flash，以使各个模块能够正常运行；本系统由以下五个模块组成：1.视频显示模块 反映现场的森林状况，使用USB摄像头将实时的视频信息传送到监控处，清楚
29、了解现场情况；2.温度湿度和烟雾模块系统监控森林现场的温度高低，烟雾浓度大小，当发现指标高于预定的阀值时，便会向系统发出报警信号；3.GPRS模块系统采用GPRS模块发送无线数据，当监视到森林环境异常而报警时，GPRS模块便会发送相应信息到工作人员的移动终端（如智能手机），告知现场情况；4.BEEP报警系统装有蜂鸣器，在检测到异常时会鸣起蜂鸣器报警；5.ARM9核心嵌入式控制模块本模块是系统的总司令部，系统的一切消息反应都是由此模块进行数据分析和处理，从而做出正确的反应；本设计总有七章，分别如下：第一章介绍了本课题研究的背景，分析了嵌入式的现状和远程监控，以及本课题的研究目的和意义，提出了本文
30、的研究内容和章节安排。第二章介绍了与本课题相关的知识，包括硬件平台，开发环境，嵌入式发展趋势等。第三章对嵌入式监控森林火灾系统的实现进行了可行性分析，并从开发者技术及需要实现的功能做需求分析。第四章主要描述了系统的总体设计方案，从技术的角度进行了功能设计，对系统的硬件总体结构和软件的架构进行了设计，对本系统的传感器软件设计方案进行了详细的阐述。第五章详细介绍了系统硬件电路的具体设计，按照系统功能模块的分类，给出了硬件设计方案和电路原理图。第六章主要描述了系统的软件设计，介绍了系统的软件设计结构以及系统的主程序流程图，将系统软件按照不同构建模块，具体分析每个模块的实现和工作流程。第七章主要进行系
31、统的测式与分析，从功能、可靠性和安全性等方面对系统进行了测试与分析。最后，总结了本文的主要工作内容，并对系统的发展提出了进一步的展望。第2章 相关知识介绍2.1嵌入式系统及ARM处理器介绍2.1.1 嵌入式系统概念根据国际电气和电子工程师协会(IEEE)的定义，嵌入式系统就是“控制、监控或者辅助设备、机器和车间运行的装置。目前普遍认同的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，使用用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统16。嵌入式系统可以嵌入于各种产品内部的微型计算机操作系统，使产品能够高效、实时、稳定的完成各种功能任务的调度，并且便于裁剪和维护，提高了系
32、统的智能化，使应用更加方便14。嵌入式系统是整合了整个系统的软硬件，包括嵌入式处理器和外围设备以及移植到嵌入式处理器上的操作系统和相应的应用软件15。其大体结构如图2-1所示：图2-1嵌入式系统结构图更具体地说，嵌入式系统是由嵌入式微处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外围设备接口和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算机是嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。执行装置接收嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或者任务。嵌入式系统无处不在，在移动电话、冰箱、微波炉、数码相机、数字电视机顶盒、各种智能ATM终端、车辆导航、汽车内部的喷油控制系统、机器人等装置或设
33、备都使用了嵌入式系统。2.1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统具有以下四个特点：1.特定性嵌入式系统通常是依据特定的功能，并在相应的处理器上移植完成特定的任务，所以具有特定性14。2.实时性 嵌入式系统具有实时性的特点，主要是因为其内核小，支持多任务调度及运行，这样保证其比PC机有更好的实时性。3.可裁剪性 嵌入式系统具有可裁剪性，用户可根据需要进行任务的创建和删除，裁剪冗余，提高芯片使用效率，节省体积和成本。4.可固性和稳定性嵌入式操作系统可以根据产品的不同功能要求，可以固化在其内部和芯片上，使其成为产品的一部分，由于自身多任务管理和调度机制，使得其稳定性更高。2.1.3 嵌入式系统的发展趋势
34、 本课题的火灾预警系统基于arm嵌入式，当前嵌入式计算机技术广泛应用于国民生产生活中的各个领域,无人机、无人驾驶汽车、可穿戴设备、智能家居、智慧交通、物联网等这些创新应用和创新需求的不断涌现，对基础芯片、软件、嵌入式系统提出了更多新的需求和挑战。目前整个工业界对工业计算机和嵌入式系统的需求进入平缓增长的状态4。工业设备智能仪器、智能仪表、各类汽车、家用电器、电子商务、网络通信、国防军事等各个领域中,都使用到了嵌入式计算机技术,而且嵌入式计算机技术对各个产业产生了的积极影响,也因此引起了社会各个领域的广泛关注。据统计,现在全世界,有几十亿台嵌入式设备处于运行当中。美国、欧洲、日本等国家已经把普适
35、计算上升到国家战略高度,加大了资金投入和研发力度5.嵌入式产品的广泛应用，从最开始的普通低端到现在使用的高端行业应用，对我们的生产生活产生了极大的影响，主要体现在以下三个领域：1.仪表领域自动化仪表的核心领域是处理器，仪表行业应用嵌入式技术，是的仪表的性能大大提高5；2.系统监控领域目前使用的远程监控系统运用了计算机技术和通信技术，把通讯网络系统和通讯数据标准接口系统，都连接到移动终端，便可进行监控；3.办公生活领域嵌入式计算机技术的特点是软件代码小、自动化程度高、响应速度快等等，所以广泛应用到各种家用电器当中，如手机、电冰箱、空调、洗衣机、数字电视机、数码相机打印机、扫描仪等。当今嵌入式计算
36、机技术变成了电子信息技术应用领域里的基本技术,它的优势是可以实现整体最优化。专业处理系统是嵌入式系统的发展方向。专业处理系统的优点是能够提供最优化的基础。嵌入式技术的设计方法非常快捷，而且既能面向系统进行设计，又能面向功能进行设计。它的显著特点是标准化、集成化、构件化、可以重复使用等等。这也使得嵌入式计算机技术与网络、无线电、人工智能等技术融合在一起。嵌入式计算机技术与其它技术的广泛融合，使得嵌入式计算机技术的发展前景非常好5。现今嵌入式技术已经实现了首期的发展目标智能化6。具有了一定的智能后，设备之间的联系便成为主要需求，因而需要嵌入式设备具有网络化功能，目前嵌入式正向着网络方向发展，也即目
37、前的两大网络方向物联网和云计算7-8。嵌入式是物联网产业发展的基础，物联网是嵌入式技术发展的核心推动力,物联网时代是微处理器两大分支(通用处理器与嵌入式处理器）从分离到融合发展的新时代8。云计算(cloud computing)是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需求提供给计算机和其他设备。它描述了一种基于互联网的新IT服务、使用和交付模式6。移动办公已经成为可能，因为随着云计算技术的不断发展，人们只需要通过移动终端登陆云中，便可利用云中的各种应用，来实现更为复杂的移动办公，而接入云中的所有移动终端都是嵌入式技术开发的智能终端设备。目前研究界已认识到，嵌入式系
38、统中最主要的挑战来自其与物理过程的相互作用，而不是其自身的有限资源9。传统嵌入式系统解决物理系统相关问题所采用的单点解决方案不再适应新一代物理设备信息化和网络化的需求、现有各种网络技术不能满足新一代物理设备 网络可控、可信和可扩展的新需求等促进了cps理论的提出10。cps就是嵌入式系统与物理环境的结合11。是一种综合计算、网络和物理环境的多维异构的混杂自治系统12,通过3c技术,即计算(computation）、通信(communication)和控制(control)的有机融合与深度协作，实现大型工程系统的实时感知、动态控制和信息服务，进而实现“ 智慧地球”。这种系统设 计需要理解计算机、
39、软件、网络和物理过程的动态融合13。嵌入式cps被认为是IT的发展版，即ICT（imfornation communication technology，信息与通信技术）未来最重要的应用领域10。相对于现有的实时嵌入式系统和网络控制系统,CPS更注重于计算12，关注资源的合理整合利用与调度优化，能实现对大规模复杂系统和广域环境的实时感知与动态监控，提供相应的网络信息服务。在研究 CPS的过程中，会遇到一些在通用计算中很少出现的关键问题，如通用软件中，执行一个任务的时间与性能有关，但不与正确性相关。在CPS中，执行一个任务所需的时间可能对系统的正确功能实现至关重要9。可以说，嵌入式系统是CPS的
40、核心，而CPS技术是嵌入式技术的升华。最初的嵌入式系统多用于工业控制领域，他们对嵌入式系统的要求较低，嵌入式系统的运算器运算速度较慢，系统节和功能相对简单。进入二十一世纪，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅速发展，不仅广泛渗透到社会经济、交通、通讯军事等相关行业，还深入到加点、娱乐、艺术、社会文化等各个领域。在事迹生产生活需求的推动下，它必将展现出智能化、信息化、网络化的发展趋势17。1.提供强大的网络服务随着Internet的普及，我们已经进入互联网时代，无论是家用电器还是工业控制，未来的嵌入式设备都应该具备网络的能力，都将嵌入式微处理器通过各种网络接口与Internet连接。这就要求
41、设备提供各种网络接口，例如对TCP/IP协议的支持，具备WIFI、WLAN、USB、Bluetooth、CAN等通信接口18。2.系统化嵌入式系统具有软硬件紧密联系、技术密集等的特点，为了实现功能强大。可靠稳定的系统，开发商不断创新，不仅要提供嵌入式系统的软硬件平台，还应该具有丰富的软件支持包以及强大的硬件开发工具19。3.小型化、低成本、低功耗为了实现这些特征，要做到接口芯片多次利用，内存容量必须限制，这必然会导致处理器的性能降低，所以对系统软件的设计提出了更高的要求，开发人员需要有足够丰富的开发经验，不断提高嵌入式软件的技术。4.人性化的人机界面嵌入式设备能被亿万用户接受使用，重要原因之一
42、就是他们与使用者之间的亲和力，人性化的人家交互界面，人们与信息终端交互要求以GUI屏幕为中心的多媒体界面。5.嵌入式系统结构将更加复杂网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、宽带的提高，使得以往单一功能的设备，如手机、电冰箱、智能卡等功能更加丰富。结构更加复杂。这就促使了新的性能的更加强大的微处理器层出不穷，以及嵌入式操作系统的迅速发展。开发人员将选用处理能力更强，如32/64位的RISC或DSP来作为嵌入式的处理器。在操作系系统系统方面将采用内核小、移植性好、源码开放、执行速度高、网络能力完整等特点的系统。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计。
43、保障软件质量和缩短开发周期，从而嵌入式系统平台进一步完善，系统的结构也将更加复杂。2.1.4 ARM处理器介绍ARM架构，曾被称作高级精简指令集机器，是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通信领域，符合其主要设计目标为低成本、高性能、低耗电的特性。本文采用的ARM9 S3C2440就是三星公司生产的ARM芯片。ARM处理器可作为目前嵌入式内核的代表，不仅具有较低的功耗和体积，而且成本也很低，这些优势使得ARM注定成为最适宜便携设备开发的平台。最近几年，ARM处理器已经成为高端嵌入式应用的首选。2.1.5 ARM处理器的特点1.支持双指令集：Thumb(16位指令集)、ARM(32位指令集)；2.性能好、功耗低、成本低；3.内部集成了大量的寄存器，可以使得指令执行速度更高；4.多种寻址方式，简单灵活；5.大部分的数据操作都可以在寄存器内完成；6.指
