基于NiosII的可移动空气污染物检测系统

1.一种基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，包括控制模块、SDRAM模块、EPCS模块、无线通信模块、卫星信号解算模块、温湿度检测模块、人机交互模块以及若干空气污染物检测模块；所述控制模块与SDRAM模块、EPCS模块、无线通信模块、卫星信号解算模块、温湿度检测模块、人机交互模块以及若干空气污染物检测模块分别连接；所述控制模块采用嵌入Nios II处理器的现场可编程门阵列FPGA。
2.根据权利要求1所述的基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，所述FPGA还设置有系统ID、系统CLOCK、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG_UART下载调试器、I2C接口、PIO接口和UART接口功能IP，通过Avalon总线与Nios II处理器进行通信，也与FPGA外围模块进行数据交互。
3.根据权利要求1所述的基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，所述SDRAM模块采用HY57V2562GTR，作为Nios II处理器的数据和指令缓存。
4.根据权利要求1所述的基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，所述EPCS模块采用意法半导体ST公司型号为M25P16VP的存储芯片，作为 FPGA系统的启动镜像。
5.根据权利要求1所述的基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，所述卫星信号解算模块采用的解算芯片为UM220‑III，通过SMA接口连接卫星天线，通过I2C、SPI或UART三个接口串行输出解算后的数据。
6.根据权利要求1所述的基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，所述无线通信模块采用SIM900A芯片，通过UART接收Nios II处理器模块打包处理完的数据，经由GPRS网络传送数据到服务器。
7.根据权利要求1所述的基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，所述温湿度检测模块采用SHT20。
8.根据权利要求1所述的基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，其特征在于，所述空气污染物包括SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5六类空气污染物。

基于Nios II的可移动空气污染物检测系统\n技术领域\n[0001] 本实用新型涉及空气质量检测领域，具体为一种基于Nios II的可移动空气污染物检测系统。\n背景技术\n[0002] 随着经济的快速增长，虽然人们生活水平逐步提高，但同时对环境的破坏也越来越严重。环境受到破坏所引发的空气质量问题和雾霾天气频发等问题已经对人们的健康、生活和安全产生了严重的影响，于是关注了解并改善环境空气质量成为普遍诉求。空气污染物检测是寻求改善空气质量的前提，有利于公众掌握实时的环境空气质量信息，以作出相应的出行安排，给人们的生活提供方便。\n[0003] 传统定点空气污染物实时监测系统体积一般比较复杂庞大、价钱昂贵，且监测点的安装数量有限。如果能够在现有固定监测点之下，开发空气污染物可移动监测系统，特别是针对工厂厂区、建筑工地等场所，作为固定监测系统的有益补充，那么监测的结果和数据将是更有广泛实用意义。目前关于可移动空气污染物检测的可见文献报道或实物所采用的核心控制器主要是基于单片机或STM处理器，其控制器的规模资源均固化受限。当待检测污染物的数量发生变化，或系统功能需要升级调整时，往往需要重新设计电路；若新增污染物检测传感器的的接口通信方式与核心控制器所提供的通信接口不匹配，甚至需要重新更换核心控制器。\n发明内容\n[0004] 有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，以解决上述问题。\n[0005] 为实现上述目的本实用新型采用以下技术方案实现：\n[0006] 一种基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，包括控制模块、\n[0007] SDRAM模块、EPCS模块、无线通信模块、卫星信号解算模块、温湿度检测模块、人机交互模块以及若干空气污染物检测模块；所述控制模块与SDRAM模块、EPCS模块、无线通信模块、卫星信号解算模块、温湿度检测模块、人机交互模块以及若干空气污染物检测模块分别连接。\n[0008] 进一步的，所述控制模块采用嵌入Nios II处理器的现场可编程门阵列FPGA。\n[0009] 进一步的，所述FPGA定制有系统ID、系统CLOCK、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG_UART下载调试器、I2C接口、PIO接口和UART接口等功能IP。所定制的IP通过Avalon总线与Nios II处理器进行通信，也与FPGA外围模块进行数据交互。\n[0010] 进一步的，所述SDRAM模块采用HY57V2562GTR，作为Nios II处理器的数据和指令缓存。\n[0011] 进一步的，所述EPCS模块采用意法半导体ST公司型号为M25P16VP的存储芯片，作为 FPGA系统的启动镜像。\n[0012] 进一步的，所述卫星信号解算模块采用的解算芯片为UM220‑III，通过SMA接口连接卫星天线，通过I2C、SPI或UART三个接口串行输出解算后的数据。\n[0013] 进一步的，所述无线发送模块电路采用SIM900A芯片，通过UART接收Nios II处理器模块打包处理完的数据，经由GPRS网络传送数据到服务器。\n[0014] 进一步的，所述温湿度检测模块采用SHT20。\n[0015] 进一步的，所述空气污染物包括SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5六类空气污染物。\n[0016] 本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：\n[0017] 本实用新型以在现场可编程门阵列FPGA中内嵌的Nios Ⅱ处理器作为控制核心，以北斗/GPS双模定位模块UM220‑Ⅲ实现移动监测点的定位，结合空气污染物传感器和温湿度传感器实现对空气污染物含量数据和温湿度的实时采集，最后以GPRS无线数据传输为通信方式将采集到的包含时间、位置、空气污染物含量和温湿度等四类数据上传至远程服务器，可用于进一步数据应用开发，能够实时监测环境空气质量数据。本实用新型所设计的系统硬件架构，在不改变电路连接的情况下，可增加或裁剪相关功能IP，以满足实际所需的接口资源，且检测系统控制功能可后期升级，实现SOPC片上可编程系统。\n附图说明\n[0018] 图1是本实用新型系统结构框图；\n[0019] 图2是本实用新型一实施例中SOPC设计结构框图；\n[0020] 图3是本实用新型一实施例中SDRAM模块电路图；\n[0021] 图4是本实用新型一实施例中EPCS模块电路图；\n[0022] 图5是本实用新型一实施例中卫星信号解算模块电路图；\n[0023] 图6是本实用新型一实施例中无线发送模块电路图；\n[0024] 图7是本实用新型一实施例中温湿度模块电路图；\n[0025] 图8是本实用新型一实施例中 SDS011模块电路图；\n[0026] 图9是本实用新型一实施例中SO2检测模块电路图。\n具体实施方式\n[0027] 下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步说明。\n[0028] 请参照图1本实施例提供一种基于Nios II的可移动空气污染物检测系统，包括控制模块、SDRAM模块、EPCS模块、无线通信模块、卫星信号解算模块、温湿度检测模块、人机交互模块以及若干空气污染物检测模块；所述控制模块与SDRAM模块、EPCS模块、无线通信模块、卫星信号解算模块、温湿度检测模块、人机交互模块以及若干空气污染物检测模块分别连接。\n[0029] 在本实施例中，优选的，所述控制模块采用嵌入Nios II处理器的现场可编程门阵列FPGA。FPGA采用Intel公司的Cyclone IV系列FPGA芯片，型号为EP4CE10F17C8，其集成\n10320个逻辑单元（LEs），414Kbits内存。 优选的，参考图2，为FPGA实现SOPC的设计结构框图，中央的位置为Nios II处理器，为了达到最佳的处理器性能，该系统所选择的是快速型的Nios II内核，其针对最佳性能进行优化，工作流水线达到6级，乘法器工作周期为1个时钟，支持指令和数据缓存。根据可移动空气污染物检测系统的需要，除Nios II处理器核心外，定制了系统ID、系统CLOCK、SDRAM控制器、EPCS控制器、JTAG_UART下载调试器、I2C接口、PIO接口、UART接口等外设功能IP。图2所示的SOPC设计结构电路中，Nios II处理配置的系统CLOCK为100MHz，I2C接口用于与温湿度检测模块通信，PIO接口用于与人机交互用的显示模块LCD12864通信。UART接口的数量与系统外接的以UART为通信方式的模块数量有关，本检测系统主要与无线通信模块SIM900A模块、卫星信号解算模块UM220‑III和相应的空气污染物传感器模块进行通信，本检测系统串口波特率设置为9600bps，数据格式为8个数据位、\n1个停止位、1个校验位。\n[0030] 在本实施例中，参考图3，优选的，SDRAM模块采用HY57V2562GTR，作为Nios II处理器的数据和指令缓存。其容量为256Mbit，数据位宽为16bit，地址位宽为13bit，供电电压为\n3.3V。\n[0031] 在本实施例中，参考图4，优选的，EPCS模块采用意法半导体ST公司型号为M25P16VP的存储芯片，作为 FPGA系统的启动镜像。其容量大小为16Mbit，用于作为 FPGA系统的启动镜像。它的供电电压为3.3V，在系统上电时，通过DCLK、ASDO、DATA0、nCSO四个引脚，将其存储的电路镜像自动下载至FPGA中。为使模块电路稳定工作，芯片第4脚在硬件上需要可靠接地，芯片第8脚除接3.3V直流电源外，还需要通过104电容可靠接地。\n[0032] 在本实施例中，参考图5，优选的，卫星信号解算模块采用的解算芯片为UM220‑III，通过SMA接口连接卫星天线，通过I2C、SPI或UART三个接口串行输出解算后的数据。优选的，在本实施例中，通过UART接口将卫星信号解算后的数据输送给Nios II处理器模块。\n[0033] 在本实施例中，参考图6，优选的，无线发送模块电路采用SIM900A芯片，通过UART接收Nios II处理器模块打包处理完的数据，经由GPRS网络传送数据到服务器。\n[0034] 在本实施例中，参考图7，优选的，温湿度检测模块采用SHT20。可采集的温度范围－40 125摄氏度，相对湿度范围0 100%RH，模块通过I2C接口进行通信。图2所示SOPC设计~ ~\n结构中已经定制了I2C外设IP，所以本模块将采集到的温湿度数据通过I2C接口协议输送给Nios II处理器模块进行打包处理，注意本模块的第1脚SDA和第6脚SCL均需要外接10K的上拉电阻,方能与Nios II处理器正常交互通信。\n[0035] 在本实施例中，空气污染物包括国家环境空气质量标准GB3095‑2012中所列的基本项目，即SO2、NO2、CO、O3、PM10、PM2.5等六类空气污染物参数。\n[0036] 在本实施例中，参考图8，优选的，悬浮颗粒物检测模块采用SDS011，该模块采用激光散射原理，能够检测环境空气中0.3 10um悬浮颗粒物浓度，模块内置风扇，数字化输出，~\n响应快速，场景变换响应时间小于10秒，易于与Nios II处理器通信连接。模块引脚1为备用引脚；引脚2以PWM 输出PM2.5悬浮颗粒物浓度；引脚3为5V供电引脚；引脚4以PWM 输出PM10悬浮颗粒物浓度；引脚5为接地端；引脚6为RXD串口接收端；引脚7为TXD 串口发送端。由于在图2所示SOPC电路设计结构中，已经定制了相应的UART外设IP，故检测系统通过将SDS011模块的RXD和TXD引脚连接至Nios II处理器外围UART串口外设IP的S1_TXD和S1_RXD，进行数据通信。\n[0037] 在本实施例中，参考图9，优选的，SO2检测模块采用德国EC Sense固态聚合物传感器，测量范围为0~10ppm,分辨率为0.001ppm，串口数字输出。检测系统通过将SO2模块的RXD和TXD引脚连接至Nios II处理器外围UART串口外设IP的S2_TXD和S2_RXD，进行数据通信。\n[0038] 其它的传感器模组的UART通信接口连接方式与图8悬浮颗粒物检测模块和图9 SO2检测模块的连接方式相似，但需要注意的是传感器模块侧的RXD引脚与UART串口外设IP的TXD相接，而传感器模块侧的TXD引脚与UART串口外设IP的RXD相接。\n[0039] 以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本实用新型的涵盖范围。

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