Linux人工智能開發(fā)實例 課件 3.2 城市揚塵監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)案例

第3章城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例

3.2城市揚塵監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)案例城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例項目采用Web服務(wù)器BOA提供服務(wù)，通過字符設(shè)備驅(qū)動獲取氣體傳感器采集數(shù)據(jù)值，最終軟件界面使用WEB框架實現(xiàn)，根據(jù)功能需求分析，城市揚塵監(jiān)測系統(tǒng)主要分為兩個功能界面，分別如下:1）運營首頁頁面：將TVOC氣體傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過儀表盤以及曲線圖顯示在界面上。2）環(huán)境數(shù)據(jù)頁面：城市PM2.5：環(huán)境數(shù)據(jù)動態(tài)分布圖。3.2.1軟件界面框架分析城市揚塵監(jiān)測系統(tǒng)運營首頁環(huán)境數(shù)據(jù)揚塵天氣揚塵曲線城市綜合信息展示城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例Web頁面總體上采用bootstrap框架實現(xiàn)，通過fusioncharts圖表庫設(shè)計儀表盤以及曲線圖。主界面分為左右兩部分，左邊用于顯示一級導航，右邊用于顯示二級導航以及主體內(nèi)容。主體內(nèi)容通過柵格系統(tǒng)進行布局顯示城市揚塵監(jiān)測系統(tǒng)功能界面。3.2.1軟件界面框架分析div.headul.side-navul.top-navdiv.contentdiv.maincontainer-fluiddiv.col-lg-6col-md-6col-sm-6col-xs-6div.col-lg-6col-md-6col-sm-6col-xs-6div.rowdiv.row城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例1）內(nèi)核采用工業(yè)I/O子系統(tǒng)來控制ADC，該子系統(tǒng)主要為AD轉(zhuǎn)換或者DA轉(zhuǎn)換的傳感器設(shè)計。下面以SAR-ADC為例子，介紹ADC的基本配置方法。2）SAR-ADC設(shè)備樹配置方法如下：RK3399SAR-ADC的DTS節(jié)點在kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/rk3399.dtsi文件中定義，如下所示：3.2.2TVOCLinux驅(qū)動開發(fā)ADC設(shè)備驅(qū)動開發(fā)（程序源碼詳細請查看文檔）saradc:saradc@ff100000{compatible="rockchip,rk3399-saradc";reg=<0x00xff1000000x00x100>;interrupts=<GIC_SPI62IRQ_TYPE_LEVEL_HIGH0>;#io-channel-cells=<1>;clocks=<&cruSCLK_SARADC>,<&cruPCLK_SARADC>;clock-names="saradc","apb_pclk";status="disabled";};城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例ADC驅(qū)動已經(jīng)被編譯到缺省內(nèi)核中，不需要使用insmod方式加載。TVOC傳感器ADC驅(qū)動測試通過sysfs方式進行操作，首先調(diào)用open函數(shù)打開設(shè)備文件“/sys/devices/platform/ff100000.saradc/iio:device0”，接著在adcReadRaw中調(diào)用設(shè)備文件的read函數(shù)讀取ADC接口原始電壓數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)在adcReadCh0Volage函數(shù)轉(zhuǎn)換成有效TVOC檢測數(shù)據(jù)。3.2.2TVOCLinux驅(qū)動開發(fā)TVOC應(yīng)用程序（程序源碼詳細請查看文檔）intadcReadRaw(intch){ intret=-1; if(ch>=0&&ch<=5){ charbuf[128]; snprintf(buf,128,DEVDIR"/in_voltage%d_raw",ch); intfd=open(buf,O_RDONLY); if(fd>0){ ret=read(fd,buf,128); if(ret>0){ buf[ret]='\0'; ret=atoi(buf); } close(fd); } } returnret;}城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例GPIO（GeneralPurposeInputOutput，GPIO是微處理器的通用輸入/輸出接口。微處理器可以通過向GPIO控制寄存器寫入數(shù)據(jù)來控制GPIO的模式，實現(xiàn)對某些設(shè)備的控制或信號采集功能。GPIO在工作時有3種工作模式，即輸入、輸出和高阻態(tài)，這三種狀態(tài)的使用和功能都有所不同，在設(shè)置時需要根據(jù)實際的外接設(shè)備來對引腳進行配置。下面對GPIO的這三種狀態(tài)進行簡單的概述。（1）輸入模式。輸入模式是指GPIO被配置為接收外接電平信息的模式，通常讀取的信息為電平信息，即高電平為1，低電平為0。這時讀取的高低電平是根據(jù)微處理器的電源高低來劃分的，相對于5V電源的微處理器，判斷為高電平時的檢測電壓為3.3～5V；小于2V時則微處理器判斷為低電平。相對于3.3V電源的微處理器，判斷為高電平時的檢測電壓為2～3.3V；小于0.8V時則微處理器判斷為低電平。3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)GPIO驅(qū)動開發(fā)基礎(chǔ)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例（2）輸出模式。輸出模式是指GPIO被配置為主動向外部輸出電壓的模式，通過向外輸出電壓可以實現(xiàn)對一般開關(guān)類設(shè)備的實時主動控制。當程序中向相應(yīng)引腳寫1時，GPIO會向外輸出高電平，通常這個電平為微處理器的電源電壓；當程序中向相應(yīng)引腳寫0時，GPIO會向外輸出低電平，通常這個低電平為電源地的電壓。（3）高阻態(tài)模式。高阻態(tài)模式是指GPIO引腳內(nèi)部電阻的阻值無限大，大到幾乎占有外接輸出的全部電壓。這種模式通常在微處理器采集外部模擬電壓時使用，通過將相應(yīng)GPIO引腳配置為高阻態(tài)模式和輸入模式，通過配合微處理器的ADC可以實現(xiàn)準確的模擬量電平讀取。GPIO驅(qū)動是Linux驅(qū)動開發(fā)中最基礎(chǔ)、常用的驅(qū)動。例如要驅(qū)動一個LED燈、鍵盤掃描、輸出高低電平等等。Linux內(nèi)核在硬件操作層的基礎(chǔ)上封裝了一些統(tǒng)一的GPIO操作接口，也就是GPIO驅(qū)動框架。3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)GPIO驅(qū)動開發(fā)基礎(chǔ)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例1）設(shè)備樹基本概念ARM內(nèi)核版本3.x之后引入了原來體系架構(gòu)用于描述硬件資源的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)FlattenedDeviceTree，通過bootloader將硬件資源傳給內(nèi)核，使得內(nèi)核和硬件資源描述相對獨立。3.x之后的內(nèi)核支持設(shè)備樹，除了內(nèi)核編譯時需要打開相對應(yīng)的選項外，bootloader也需要支持將設(shè)備樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳給內(nèi)核。DeviceTree描述的信息包括CPU的數(shù)量和類別、內(nèi)存基地址和大小、總線和橋、外設(shè)連接、中斷控制器和中斷使用情況和GPIO使用情況等。2）設(shè)備樹的組成和使用設(shè)備樹包含DTC（devicetreecompiler），DTS（devicetreesource和DTB（devicetreeblob）。其對應(yīng)關(guān)系如圖所示。

設(shè)備樹DTS、DTSIDTBDTC3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例3）DTS和DTSI*.dts文件是一種ASCII文本對DeviceTree的描述，位于內(nèi)核的/arch/arm/boot/dts目錄下，一個*.dts文件對應(yīng)一個ARM處理器，*.dtsi文件作用：一個SOC可能有多個不同的電路板，而每個電路板擁有一個*.dts，為了減少代碼的冗余，設(shè)備樹將這些共同部分提煉保存在*.dtsi文件中，供不同的dts共同使用。*.dtsi的使用方法，類似于頭文件的使用，在dts文件中需要進行包含用到的*.dtsi文件。4）DTC編譯工具DTC可以將.dts文件編譯成.dtb文件。DTC的源代碼位于內(nèi)核的scripts/dtc目錄，內(nèi)核選中CONFIG_OF，編譯內(nèi)核的時候，主機可執(zhí)行程序DTC就會被編譯出來。即scripts/dtc/Makefile中：

設(shè)備樹hostprogs-y:=dtcalways:=$(hostprogs-y)5）DTBDTC編譯*.dts生成的二進制文件(*.dtb)，bootloader在引導內(nèi)核時，會預先讀取*.dtb到內(nèi)存，進而由內(nèi)核解析。3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例LED硬件如圖所示。4個LED燈最左側(cè)D1可以用PWM0通道來控制，D2，D3，D4地址分別對應(yīng)：gpio29，gpio211，gpio212。LED驅(qū)動開發(fā)3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例1）設(shè)備樹分析：設(shè)備樹位于：gw3399/kernel/arch/arm64/boot/dts/rockchip/x3399-linux.dts由此可知四個LED燈的IO口分別對應(yīng)：LED驅(qū)動開發(fā)gpios=<&gpio29GPIO_ACTIVE_LOW>;gpios=<&gpio211GPIO_ACTIVE_LOW>;gpios=<&gpio212GPIO_ACTIVE_LOW>; gpios=<&gpio08GPIO_ACTIVE_LOW>;2）LED配置需要在設(shè)備樹里添加如下內(nèi)容，LED共有四個，所以需要添加四個子節(jié)點，LED配置如下：leds{compatible="gpio-leds";（程序源碼詳細請查看文檔）3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例3）LED驅(qū)動開發(fā)驅(qū)動源代碼位置：gw3399-linux/kernel/drivers/leds/leds-gpio.c。驅(qū)動代碼如下所示：LED驅(qū)動開發(fā)（完整程序源碼詳細請查看文檔）staticstructplatform_drivergpio_led_driver={.probe=gpio_led_probe,.shutdown=gpio_led_shutdown,.driver={.name="leds-gpio",.of_match_table=of_gpio_leds_match,},};staticconststructof_device_idof_gpio_leds_match[]={{.compatible="gpio-leds",},{},};MODULE_DEVICE_TABLE(of,of_gpio_leds_match);3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例3）LED驅(qū)動開發(fā)驅(qū)動源代碼位置：gw3399-linux/kernel/drivers/leds/leds-gpio.c。驅(qū)動代碼如下所示：LED驅(qū)動開發(fā)（完整程序源碼詳細請查看文檔）staticstructplatform_drivergpio_led_driver={.probe=gpio_led_probe,.shutdown=gpio_led_shutdown,.driver={.name="leds-gpio",.of_match_table=of_gpio_leds_match,},};staticconststructof_device_idof_gpio_leds_match[]={{.compatible="gpio-leds",},{},};MODULE_DEVICE_TABLE(of,of_gpio_leds_match);3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例LED驅(qū)動主要實現(xiàn)對硬件設(shè)備的基本控制，具體的功能要由上層應(yīng)用調(diào)用驅(qū)動提供的接口對設(shè)備進行控制。LED應(yīng)用功能函數(shù)說明如表所示。LED應(yīng)用程序（完整LED源碼詳細請查看文檔）3.2.3LEDLinux驅(qū)動開發(fā)函數(shù)名稱參數(shù)說明函數(shù)功能voidledInit(void)無led初始化voidledOn(intleds)leds：led燈參數(shù)LED打開函數(shù)voidledOff(intleds)leds：led燈參數(shù)LED關(guān)閉函數(shù)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例PWM（PulseWidthModulation,PWM）脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制，來等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值），根據(jù)設(shè)定的周期和占空比從I/O口輸出控制信號，一般用來控制LED燈亮度或電機轉(zhuǎn)速。占空比：輸出的PWM中，高電平保持的時間與該時鐘周期的時間之比。如圖所示。PWM驅(qū)動開發(fā)概述（完整LED源碼詳細請查看文檔）3.2.4PWMLinux驅(qū)動開發(fā)脈沖時間脈沖時間周期城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例RK3399下PWM的驅(qū)動編寫，依賴于內(nèi)核pwm的API，開發(fā)步驟如下：1）PWM控制的設(shè)備驅(qū)動文件中包含以下頭文件：2）申請PWM使用3）配置PWM的占空比4）使能PWM函數(shù)5）禁止pwm6）釋放PWM資源，比如釋放所申請的pwm7）設(shè)置PWM輸出極性8）內(nèi)核PWM驅(qū)動常見結(jié)構(gòu)體與函數(shù)PWM設(shè)備Linux驅(qū)動開發(fā)（完整程序源碼詳細請查看文檔）3.2.4PWMLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例LED的PWM驅(qū)動通過sysfs虛擬文件系統(tǒng)方式控制操作，首先調(diào)用pwmLedInit函數(shù)，通過以下接口對設(shè)備初始化。

pwmLedPeriod(1000);//設(shè)置1000ns的持續(xù)時間

pwmLedEnable(0);//設(shè)置使能

pwmLedValue(0);//設(shè)置占空比

pwmLedPolarity(0);//設(shè)置正常模式PWM應(yīng)用程序（完整程序源碼詳細請查看文檔）3.2.4PWMLinux驅(qū)動開發(fā)城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例揚塵檢測功能設(shè)計分為web應(yīng)用設(shè)計和ARM擴展板硬件功能設(shè)計兩部分組成。Web應(yīng)用用于顯示揚塵實時采集數(shù)據(jù)以及歷史曲線圖；ARM擴展板硬件功能設(shè)計主要分為三個部分第一：LED燈根據(jù)揚塵梯度顯示燈個數(shù)第二：OLED屏用于顯示TVOC采集數(shù)據(jù)值第三：點陣屏根據(jù)揚塵實時采集數(shù)據(jù)顯示不同笑臉3.2.5揚塵檢測功能設(shè)計1、Web應(yīng)用設(shè)計Web應(yīng)用程序主要是實時顯示TVOC傳感器采集數(shù)據(jù)，并通過圖表的形式展現(xiàn)。城市環(huán)境采集界面主要有兩大功能，一是TVOC傳感器采集數(shù)據(jù)實時顯示，二是傳感器采集數(shù)據(jù)歷史曲線展示。2、ARM擴展板硬件功能設(shè)計揚塵監(jiān)測主應(yīng)用程序是系統(tǒng)項目在網(wǎng)關(guān)上運行的核心程序，程序運行流程與功能說明：1）初始化OLED屏、點陣屏、LED燈2）adcReadRaw()讀取TVOC傳感器數(shù)據(jù)3）計算揚塵梯度4）讀取TVOC傳感器數(shù)據(jù)5）OLED屏字符顯示城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例（HTML源碼詳細請查看文檔）3.2.5揚塵檢測功能設(shè)計6）OLED設(shè)備寫數(shù)據(jù)操作，更新屏幕顯示7）點陣屏笑臉顯示8）點陣屏刷新顯示內(nèi)容9）關(guān)閉LED燈，根據(jù)揚塵梯度點亮LED燈10）休眠1秒繼續(xù)到3）步驟進行循環(huán)程序中使用的主要函數(shù)說明城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例（主應(yīng)用程序源碼詳細請查看文檔）3.2.5揚塵檢測功能設(shè)計函數(shù)名稱功能說明voidfontShow16(intx,inty,char*str,void(*df)(int,int,int))OLED屏8*16或16*16字符顯示voidled8x8Face(inti)點陣屏笑臉顯示voidled8x8Point(intx,inty,intst)點陣屏設(shè)置指定坐標數(shù)據(jù)voidoledInit(void)OLED屏初始化voidled8x8Init(void)點陣屏初始化voidledInit(void)LED初始化intadcReadRaw(intch)讀取ADC接口原始電壓數(shù)據(jù)1、ARM擴展模塊硬件連接ARM擴展模塊硬件連接，參考1.1.5開發(fā)實踐：顯示模塊驅(qū)動開發(fā)與測試。2、Boa編譯與安裝1）通過Moba軟件復制boa源碼到邊緣計算網(wǎng)關(guān)2）解壓源碼，運行配置命令./configure。3）修訂源碼4）boa配置城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例（程序源碼詳細請查看文檔）3.2.6開發(fā)實踐：揚塵檢測系統(tǒng)3、城市揚塵監(jiān)測功能測試1）通過Moba軟件復制boa_reference文件到邊緣計算網(wǎng)關(guān)。將boa_reference文件下的www文件拷貝到根目錄。城市環(huán)境采集Linux開發(fā)案例（程序源碼詳細請查看文檔）3.2.6開發(fā)實踐：揚塵檢測系統(tǒng)$sudocp-r/home/