閭 軍，唐慧強

（南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044）

自動氣象站數(shù)據(jù)采集器一般基于單片機或PC/104總線控制器設計，具有與PC兼容性好、功耗低、體積緊湊等特點，然而如何設計出功能強大，網(wǎng)絡傳輸功能強的自動氣象站數(shù)據(jù)采集器，滿足現(xiàn)代氣象檢測的要求，是一個值得研究的課題[1]。

文中基于ARM微處理器和Linux操作系統(tǒng)平臺，借助前端無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)輸入，利用嵌入式Qt的開發(fā)優(yōu)勢并設計數(shù)據(jù)通信格式，完成無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。為天氣預報、科學研究、氣象災害預警等提供實時的氣象觀測數(shù)據(jù)。

1 無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成

如圖1所示，無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、協(xié)調器、數(shù)據(jù)通信器（數(shù)據(jù)通信器以S3C2440AL為核心）、遠程服務器等組成，完成對數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲等功能。數(shù)據(jù)的采集基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡，傳感器節(jié)點將采集到的氣象數(shù)據(jù)定時發(fā)送給協(xié)調器，再由協(xié)調器將數(shù)據(jù)通過RS232接口傳給數(shù)據(jù)通信器，數(shù)據(jù)通信器按氣象數(shù)據(jù)處理規(guī)范對接收到的數(shù)據(jù)進行處理后，一方面顯示在液晶顯示屏上，另一方面經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到遠程服務器。此外，數(shù)據(jù)通信器保存接收的數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設計

2.1 CC2530與S3C2440AL的連接

CC2530是TI公司以C51為內核的ZigBee芯片，它支持IEEE802.15.4標準以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE標準，提供101 dB的鏈路質量，具有高接收靈敏度和強抗干擾性，同時具有低功耗、低成本、時延短、高安全等特點[2]。此外，系統(tǒng)采用Samsung S3C2440AL來實現(xiàn)高分辨率彩色顯示、觸摸控制、高速數(shù)據(jù)處理及管理、網(wǎng)絡接口擴展等需要。

CC2530與S3C2440AL之間采用串口通信，其連接如圖2所示。CC2530的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P0_3與S3C2440AL的串行數(shù)據(jù)接收端RXD1相連，CC2530的串行數(shù)據(jù)接收端P0_2與S3C2440AL的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD1相連。此處將CC2530的設備類型設置為協(xié)調器[3]，實現(xiàn)無線接收各個傳感器節(jié)點發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)。

2.2 S3C2440AL外圍電路設計

由于系統(tǒng)需要移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)、安裝微型數(shù)據(jù)庫、運行可視化應用程序、存儲氣象數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)發(fā)送給遠程服務器，需要擴展液晶顯示器、外部存儲器、以太網(wǎng)控制器等。液晶顯示屏采用320×240分辨率的3.5英寸觸摸真彩液晶屏，SDRAM采用 H57V2562GTR，NAND FLASH采用K9F1216U0A，以太網(wǎng)控制器采用單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器DM9000。S3C2440AL部分外圍電路[4]如圖3所示。

圖1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結構圖Fig.1 Structure of data communication system

圖2 CC2530與S3C2440AL連接電路圖Fig.2 CC2530 and S3C2440AL connection circuit

圖3 S3C2440AL外圍電路圖Fig.3 S3C2440AL peripheral circuit

3 軟件設計

下位機軟件的核心是串口通信以及Socket通信。系統(tǒng)采用Qt4.5.0、Qt Creator 1.3.0作為數(shù)據(jù)通信器軟件的開發(fā)工具，主要包括數(shù)據(jù)接收顯示、存儲以及發(fā)送給遠程服務器等功能。

系統(tǒng)為了保證氣象數(shù)據(jù)有效、高效、可靠地通信，該系統(tǒng)建立了如表1所示的數(shù)據(jù)幀格式。

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data frame format

協(xié)調器每次給數(shù)據(jù)通信器發(fā)送10字節(jié)數(shù)據(jù)，其中以“#”為起始符，緊跟4字節(jié)浮點數(shù)，第6字節(jié)表示氣象要素類型，第8和第9字節(jié)分別為CRC檢測的高位和低位，最后以“*”結束。CRC域是兩個字節(jié)，它由協(xié)調器節(jié)點計算后加入到數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)通信器對校驗信息進行檢查，若無錯則接收該數(shù)據(jù)，否則放棄該數(shù)據(jù)并請求重發(fā)。

3.1 串口通信程序設計

協(xié)調器通過串口與數(shù)據(jù)通信器進行數(shù)據(jù)交互，所以在程序設計時需要對串口的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位以及數(shù)據(jù)流控制進行設置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過任務接口定時讀寫串口數(shù)據(jù)，查看協(xié)調器是否有數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入隊列供界面顯示、存儲以及發(fā)送。串口設置界面如圖4所示。

圖4 串口設置界面Fig.4 Serial setting interface

下面是串口設置的部分代碼：

其中，getPortSettings（）函數(shù)返回一個PortSettings型變量，包含了對波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等的設置，getPortName（）函數(shù)返回字符串型變量，用于串口號的設置。

3.2 網(wǎng)絡通信程序設計

網(wǎng)絡傳輸是本設計的主要任務之一，將數(shù)據(jù)通信器接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過Socket發(fā)送給遠程服務器。而Qt提供了QTcp Socket類，用于編寫TCP客戶端的應用程序。QTcpSocket類提供了一個有緩沖的TCP連接，可以用來實現(xiàn)其他標準協(xié)議也可以用來實現(xiàn)自定義的協(xié)議。QTcpSocket采用異步工作方式，它依靠Qt事件循環(huán)發(fā)現(xiàn)外來數(shù)據(jù)和向外發(fā)送數(shù)據(jù)，并以信號的方式報告狀態(tài)的改變或產(chǎn)生的錯誤，一旦網(wǎng)絡的某一種狀態(tài)發(fā)生改變 （如網(wǎng)絡斷開），就會發(fā)出信號 （如connectionClosed（）），再通過信號與槽函數(shù)相關聯(lián)進行處理[5-6]。服務器設置界面如圖5所示。

下面是網(wǎng)絡傳輸相應槽函數(shù)：

圖5 服務器設置界面Fig.5 Server setting interface

4 結 論

首次使用時，在系統(tǒng)設置界面對服務器地址、服務器端口、經(jīng)度、緯度、臺站號進行設置，在串口設置界面對串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等信息進行設置。設置完成后連接服務器并打開串口，在數(shù)據(jù)顯示界面將會實時動態(tài)顯示各傳感器節(jié)點發(fā)來的氣象數(shù)據(jù)。與服務器的連接狀態(tài)等信息在程序狀態(tài)欄會有相關提示，一旦與服務器斷開，系統(tǒng)將會自動連接服務器并將這段時間內收到的數(shù)據(jù)保存起來等待連接成功后重新發(fā)送。

系統(tǒng)已經(jīng)完成制作調試，效果良好，可以成功地實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、處理、存儲、網(wǎng)絡連接以及網(wǎng)絡異常處理等功能。本系統(tǒng)低成本、無布線、可擴展性強等特點，在自動氣象站應用中具有廣泛的潛在市場和應用空間。

[1]胡玉峰.自動氣象站原理與測量方法[M].北京：氣象出版社，2007.

[2]Texas Instruments，CC2530 product web site[EB/OL].（2010）[2011-10-10].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡技術入門與實戰(zhàn) [M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]三恒星科技.ARM9原理與應用設計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]Thelin J.Foundations of Qt Development.Expert’s Voice in Open Source[M].Apress，2007.

[6]成潔，盧紫毅.Linux窗口程序設計[M].北京：清華大學出版社，2008.