楊德君，宋利民

（1.遼寧師范大學(xué)，遼寧 大連 116081； 2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026）

1 引言

航空運(yùn)輸是隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和技術(shù)進(jìn)步發(fā)展起來的新型運(yùn)輸方式。近年來，航空運(yùn)輸憑借其舒適便捷的搭乘環(huán)境、日益低廉的機(jī)票價(jià)格以及其他交通工具望塵莫及的航行速度等巨大優(yōu)勢一躍發(fā)展成為人們社會(huì)和經(jīng)濟(jì)生活中必不可少的組成部分。

但與此同時(shí)，航空運(yùn)輸安全很容易受氣候影響，這為其發(fā)展帶來很大的局限性。我們知道，世界各地的機(jī)場跑道在一年當(dāng)中的溫度差距是很懸殊的。在烈日炎熱的夏季，機(jī)場跑道表面溫度高達(dá)40～60℃，跑道會(huì)因材料膨脹而擠壓變形，導(dǎo)致表面破損，使其平整度大大降低，給飛行器的起降造成安全隱患。而在大雪紛飛冰凍三尺的冬季，機(jī)場跑道表面溫度可達(dá)零下二十幾攝氏度，積雪積冰現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)常造成飛行器沖出跑道、跑道入侵和跑道混淆等事故的發(fā)生，無法保證人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

由此可見，機(jī)場跑道溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)測量對(duì)機(jī)場的飛行保障服務(wù)水平來說是至關(guān)重要的，讓飛行員充分掌握氣候和跑道環(huán)境信息是保障飛機(jī)安全起飛、著陸的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這正是絕大多數(shù)國內(nèi)機(jī)場急需解決卻尚未解決的問題[1]。

本系統(tǒng)基于國內(nèi)機(jī)場對(duì)跑道溫度實(shí)時(shí)測量設(shè)備的需求展開研究，進(jìn)而設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)。通過分析國內(nèi)外機(jī)場跑道溫度測量現(xiàn)狀，提出了機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的重要性和必要性。研究無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，選擇合適的無線傳輸方式來構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，并搭建相應(yīng)的硬件平臺(tái)，使數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程傳輸。利用開發(fā)工具M(jìn)icrosoft Visual Studio 2005，實(shí)現(xiàn)組織中各項(xiàng)活動(dòng)的管理、調(diào)節(jié)和控制，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了 VS.NET[2]與數(shù)據(jù)庫Access無縫結(jié)合，以便實(shí)時(shí)管理，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并能存儲(chǔ)，查詢歷史數(shù)據(jù)，從中尋找規(guī)律，做出對(duì)比分析。

本文源于大連機(jī)場的一個(gè)實(shí)際項(xiàng)目，目前該項(xiàng)目在已在大連機(jī)場實(shí)際應(yīng)用，反響良好。完成了設(shè)計(jì)出針對(duì)機(jī)場跑道的無線溫度測量系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：國內(nèi)首次提出了利用.NET設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)并與數(shù)據(jù)庫無縫結(jié)合的思想和方法。采用短距離無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了溫度測量硬件與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[3]，替代了國外的同類產(chǎn)品，具有極高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以ATmega8微控制器為運(yùn)行平臺(tái)，以DS18B20數(shù)字溫度傳感器為核心器件，綜合運(yùn)用短距離無線通信技術(shù)完成了機(jī)場跑道溫度的實(shí)時(shí)采集與傳輸。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行與控制主要由高性能的ATmega8微控制器完成，溫度測量模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、無線通信模塊以及顯示模塊協(xié)同單片機(jī)共同工作。整個(gè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面[6]：

（1）微控制器：即MCU，它是整個(gè)系統(tǒng)的中央處理單元，是最為核心的部分。

（2）電源部分：通過 LM2576穩(wěn)壓集成電路給整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓利用LM1117系列芯片實(shí)現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換。

（3）顯示部分：系統(tǒng)同時(shí)提供機(jī)場跑道溫度監(jiān)控信息管理系統(tǒng)。

（4）無線通信：系統(tǒng)利用無線電臺(tái)組成的一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線電臺(tái)提供RS-232電平，采用232芯片實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。從而實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。

（5）溫度測量[5]模塊：采用 DS18B20數(shù)字溫度傳感器為核心器件，將采集到的溫度傳送給主控模塊。采用DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。

2.1 主控模塊的選擇

ATmega8的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲(chǔ)器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機(jī)MEGE系列的全部性能和特點(diǎn)。而且性價(jià)比極高。再加上AVR單片機(jī)的ISP性能，用戶往往不需要購買昂貴的仿真器和編程器就可以進(jìn)行單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。ATmega8單片機(jī)采用了ATMEL的高密度費(fèi)非易失性內(nèi)存技術(shù)，片內(nèi)Flash可以通過SPI接口、通用編程器及自引導(dǎo)BOOT程序進(jìn)行編程和自編程。利用自引導(dǎo)BOOT程序，可以使用任一硬件接口下載應(yīng)用程序，并寫入到Flash的應(yīng)用程序區(qū)中。在更新Flash的應(yīng)用程序區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，處在Flash的BOOT區(qū)中的自引導(dǎo)程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)讀寫（Read-While-Write）的功能（芯片自編程功能）。由于將增強(qiáng)RISC8位CPU與在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用編程的 Flash存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)，ATmega8成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為本系統(tǒng)的研發(fā)提供了一種靈活而低成本的解決方案。

2.2 串口通訊技術(shù)

為了使應(yīng)用程序能夠與調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信，應(yīng)用程序必須將命令發(fā)送到相應(yīng)的串行端口。串口是計(jì)算機(jī)上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議，為使計(jì)算機(jī)、電話以及其他通信設(shè)備互相溝通，現(xiàn)在，已經(jīng)對(duì)串行通信[4]建立了幾個(gè)一致的概念和標(biāo)準(zhǔn)，這些概念和標(biāo)準(zhǔn)基本在四個(gè)方面體現(xiàn)：傳輸率，電特性，信號(hào)名稱和接口標(biāo)準(zhǔn)。

串口通信的概念屬于異步通信，數(shù)據(jù)需要一楨一楨的傳輸，需要起始位、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)位。為了保證通信的正確性，發(fā)送端還需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，同時(shí)發(fā)送時(shí)鐘，發(fā)送時(shí)鐘決定了傳輸?shù)乃俾省＝涌诘慕邮詹ㄌ芈屎桶l(fā)送波特率是可以通過編程分別設(shè)置的。串口通信中最重要的是RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)：RS-232－C采用負(fù)邏輯規(guī)定邏輯電平，-5～-15V 規(guī)定為“1”，+5～+15V 規(guī)定為“0”。事實(shí)上 PC可以連接多個(gè)外圍設(shè)備，WINDOWS編程時(shí)需要通過調(diào)用通信驅(qū)動(dòng)程序的API函數(shù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2.3 短距離無線通信技術(shù)

采用短距離無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了溫度測量硬件與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，替代了國外的同類產(chǎn)品，具有極高的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

短距離無線通信網(wǎng)可以隨時(shí)隨地的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[7-9]，減少了對(duì)有線連接的要求，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性，并且因其可移動(dòng)性、組網(wǎng)靈活性、應(yīng)用范圍的廣泛性和傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)。使得在家庭和辦公環(huán)境逐漸開始廣泛的應(yīng)用。

2.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

這個(gè)系統(tǒng)的電路主要分兩個(gè)：主機(jī)電路和子機(jī)電路。主機(jī)主要用于接收子機(jī)的數(shù)據(jù)并顯示出來；子機(jī)用于采集溫度數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳給主機(jī)，同時(shí)也用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于路由。

主機(jī)電路的組成主要由：

（1）單片機(jī) STC12C5A60S2：整個(gè)電路的核心，數(shù)據(jù)處理和控制，接受子機(jī)傳來的數(shù)據(jù)，并返回相應(yīng)的應(yīng)答信號(hào)；由接受的信號(hào)來判斷是否報(bào)警、個(gè)單片機(jī)工作狀態(tài)是否正常，并由LCD12864顯示或者LED指示。

（2）MAX232、9針串口的接口：用于程序的下載和無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）無線收發(fā)模塊JZ863：負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，其工作的波特率、數(shù)據(jù)位等應(yīng)于單片機(jī)相符。

（4）LCD12864、LED：顯示溫度，指示工作狀態(tài)和報(bào)警。

子機(jī)電路的組成主要有：

單片機(jī) STC12C5A60S2：整個(gè)電路的核心，數(shù)據(jù)處理和控制，控制18B20工作來獲得溫度數(shù)據(jù)，加以處理，并將其傳給主機(jī)，在空閑時(shí)還可以作為任何子機(jī)和主機(jī)的路由，且可以控制LED來顯示各個(gè)部分的工作狀態(tài)和報(bào)警。

MAX232、9針串口的接口：用于程序的下載和無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

無線收發(fā)模塊JZ863：負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。

溫度傳感器18B20：溫度的采集。

嵌入式軟件程序框圖如圖2。

主程序功能：實(shí)現(xiàn)接受各個(gè)子機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)的處理。當(dāng)主機(jī)得到某個(gè)子機(jī)的溫度時(shí)，返回接受信號(hào)，并根據(jù)接受的數(shù)據(jù)來判斷子機(jī)的工作情況是否正常，溫度是否超過警戒溫度等。單片機(jī)控制LCD12864和LED顯示出這些結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)提供信息管理系統(tǒng)，開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2005，以便及時(shí)、準(zhǔn)確地收集、加工、存儲(chǔ)、傳遞和提供信息，實(shí)現(xiàn)組織中各項(xiàng)活動(dòng)的管理、調(diào)節(jié)和控制，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)；實(shí)現(xiàn)了VS.NET與數(shù)據(jù)庫Access無縫結(jié)合，以便實(shí)時(shí)管理，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并能存儲(chǔ)，查詢歷史數(shù)據(jù)，從中尋找規(guī)律，做出對(duì)比分析。

3.1 整體設(shè)計(jì)

機(jī)場跑道溫度監(jiān)控信息管理系統(tǒng)不僅可以實(shí)時(shí)顯示當(dāng)時(shí)當(dāng)日的溫度信息，同時(shí)也支持歷史溫度查詢功能，如圖3為機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)由主窗體控制開啟監(jiān)控、關(guān)閉監(jiān)控以及今日記錄顯示、歷史記錄查詢等功能。如圖4為機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)流程圖。

3.2 開發(fā)工具與開發(fā)平臺(tái)

機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)是一個(gè)實(shí)用性項(xiàng)目。該項(xiàng)目充分考慮了硬件及軟件兩部分的結(jié)合，較為完善的處理了機(jī)場跑道溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

機(jī)場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)使用的開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2005，使用兩種開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)用計(jì)算機(jī)是Microsoft Windows 2003 Server中文版。它提供了強(qiáng)大的容錯(cuò)性能，為新一代的開發(fā)工具以及文件打印傳輸?shù)忍峁┚W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。多平臺(tái)和對(duì)稱處理，它支持Intel、RISC、Power PC等微處理器，并提供支持多CPU的能力。多任務(wù)和多線程，它是一個(gè)搶占式多任務(wù)多線程的操作系統(tǒng)，不同類型的程序可同時(shí)運(yùn)行。服務(wù)器版的操作系統(tǒng)與.NET的開發(fā)平臺(tái)結(jié)合非常好，適宜構(gòu)建.NET類開發(fā)軟件的環(huán)境。

Microsoft Visual Studio 2005是新一代的.NET開發(fā)平臺(tái)，它基于 Internet，為傳統(tǒng)的Windows API和服務(wù)提供全新的編程接口，并融合了微軟開發(fā)類軟件的各種技術(shù)，包括了COM+組件服務(wù)，ASP WEB開發(fā)技術(shù)，對(duì)XML的全面支持等。該開發(fā)工具具有跨語言的特性，支持多種開發(fā)語言的互操作性，用某種語言編寫的程序被編譯成中間代碼，編譯好的代碼可以與從其他語言編譯過來的代碼交互，結(jié)合使用。

圖2 嵌入式軟件程序框圖

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 軟件流程圖

4 結(jié)束語

明了本系統(tǒng)所獨(dú)有先進(jìn)性、實(shí)用性與可靠性，這些決定了該項(xiàng)研究具有廣闊的應(yīng)用前景，并具有廣泛的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

本項(xiàng)目根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)機(jī)場跑道溫度測量系統(tǒng)的空白狀態(tài)，提出了一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，并提出了相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)，最終既實(shí)現(xiàn)了機(jī)場跑道溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控的目標(biāo)，完成了機(jī)場內(nèi)部運(yùn)行所需的功能，且保障了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。目前已經(jīng)成功的應(yīng)用于大連周水子國際機(jī)場，取得了較好的效果，從而也證

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