郭　易，于興晗，蓋優(yōu)普，侯　煜

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

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無(wú)人值守遙測(cè)站多信道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

郭易，于興晗，蓋優(yōu)普，侯煜

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京100038）

摘要：介紹了一種應(yīng)用在無(wú)人值守遙測(cè)站上的多信道系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。利用面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，基于通訊設(shè)備的工作流程和原理，建立多信道系統(tǒng)工作模型。以流程圖+框圖的方式介紹其原理和關(guān)鍵技術(shù)。以實(shí)際項(xiàng)目為例，使用C/C++語(yǔ)言，在運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE5的遙測(cè)站上實(shí)現(xiàn)的多信道系統(tǒng)為例，介紹具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：遙測(cè)站；多信道；嵌入式

1　引言

為解決無(wú)人值守遙測(cè)站同時(shí)使用多個(gè)通訊設(shè)備的切換、控制、管理和啟動(dòng)的問(wèn)題，減少現(xiàn)場(chǎng)更換或者是安裝通訊設(shè)備的難度，本文設(shè)計(jì)并在新型無(wú)人值守遙測(cè)站上實(shí)現(xiàn)了一種基于輪詢技術(shù)的多信道切換系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的無(wú)人值守遙測(cè)站通常具有兩個(gè)信道，固定安裝兩個(gè)通訊設(shè)備，在主信道通訊設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)失敗的情況下，啟動(dòng)備用信道發(fā)送數(shù)據(jù)以保證數(shù)據(jù)的暢通率。通常來(lái)講，這種結(jié)構(gòu)能夠滿足一般的對(duì)數(shù)據(jù)暢通率和數(shù)據(jù)連續(xù)性要求不高的應(yīng)用。

隨著江河流域及水庫(kù)洪水預(yù)告、防洪調(diào)度及水資源公道利用的要求不斷提高，對(duì)于無(wú)人值守遙測(cè)站傳送數(shù)據(jù)的連續(xù)性和暢通率的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的雙信道結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中弊端也越來(lái)越明顯，主要問(wèn)題有：

（1）設(shè)備類(lèi)型固定，不易更換

當(dāng)更換的通訊設(shè)備類(lèi)型與原通訊設(shè)備的類(lèi)型不同時(shí)，必須同時(shí)更換無(wú)人值守遙測(cè)站的核心設(shè)備或者是更換核心設(shè)備的程序。

（2）代碼復(fù)用率低

大部分通訊設(shè)備的控制和管理都是通過(guò)分支程序單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，一般來(lái)講，所支持的通訊設(shè)備個(gè)數(shù)與管理程序的分支程序個(gè)數(shù)相同，當(dāng)增加新型設(shè)備時(shí)，分支程序需要重新開(kāi)發(fā)。

（3）系統(tǒng)維護(hù)和升級(jí)困難

由于傳統(tǒng)的雙信道結(jié)構(gòu)大部分是通過(guò)唯一的程序?qū)崿F(xiàn)的，所以來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)的人員必須熟悉整個(gè)系統(tǒng)的工作流程和代碼，一般只能由開(kāi)發(fā)者來(lái)實(shí)現(xiàn)，不支持團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)，升級(jí)困難。

針對(duì)以上弊端，本文設(shè)計(jì)了一種新型的多信道切換系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的雙信道系統(tǒng)相比具有以下明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）信道層獨(dú)立，支持信道多樣化

本系統(tǒng)將信道單獨(dú)作為一層來(lái)設(shè)計(jì)，在滿足公共接口的情況下，信道層可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，單獨(dú)開(kāi)發(fā)，也可與主系統(tǒng)同時(shí)設(shè)計(jì)、同時(shí)開(kāi)發(fā)、并行實(shí)現(xiàn)、支持團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。

（2）設(shè)備模塊易于實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)備模塊是以自解析模塊的形式實(shí)現(xiàn)的，每個(gè)模塊都是單獨(dú)設(shè)計(jì)，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，支持團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。當(dāng)更換設(shè)備或者是增加新型設(shè)備時(shí)，只需將所需的設(shè)備模塊，導(dǎo)入系統(tǒng)即可。

（3）代碼復(fù)用率高，支持團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)的信道層和設(shè)備模塊都是以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式實(shí)現(xiàn)的，開(kāi)發(fā)者只需要了解對(duì)應(yīng)接口的規(guī)定就可自主開(kāi)發(fā)。這種模式非常適合團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)。

（4）支持嵌入式系統(tǒng)和桌面系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，具有一定的通用性，非常適合在除Windows CE外的其他嵌入式系統(tǒng)或者是桌面系統(tǒng)中使用。

2　結(jié)構(gòu)及工作原理

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多信道系統(tǒng)主要通過(guò)三層結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　多信道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

信道接口層：

信道接口層為多信道系統(tǒng)的第一層，提供系統(tǒng)與外部主程序聯(lián)系的接口，以接口函數(shù)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

信道驅(qū)動(dòng)層：

用來(lái)實(shí)現(xiàn)多信道之間的切換、啟動(dòng)、控制和管理，通過(guò)邏輯判斷語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。

信道設(shè)備層：

用于管理通訊設(shè)備的控制指令代碼。

（2）原理

多信道系統(tǒng)工作流程如圖2所示。首先，主進(jìn)程通過(guò)信道接口層預(yù)定義的接口函數(shù)，對(duì)多信道系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行初始化工作，包括讀取端口配置信息，以設(shè)備的信道等級(jí)為序號(hào)組成設(shè)備數(shù)組，將所有信道連接的通訊設(shè)備按照系統(tǒng)需求進(jìn)行配置；工作時(shí)，系統(tǒng)先啟動(dòng)信道驅(qū)動(dòng)層，根據(jù)信道接口層傳遞的信道等級(jí)參數(shù)和設(shè)備數(shù)組，按照固定的算法進(jìn)行掃描，直至找到信道等級(jí)所指定的設(shè)備或者是設(shè)備數(shù)組掃描結(jié)束；最后根據(jù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)層掃描的結(jié)果啟動(dòng)信道設(shè)備層，通過(guò)接口函數(shù)返回的設(shè)備指令列表來(lái)驅(qū)動(dòng)通訊設(shè)備，發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖2　多信道系統(tǒng)工作流程圖

3　關(guān)鍵技術(shù)

（1）信道等級(jí)

本文在設(shè)計(jì)多信道系統(tǒng)時(shí)，為便于實(shí)現(xiàn)和讀者理解，提出信道等級(jí)概念。

信道等級(jí)在本系統(tǒng)中指的是可以在信道接口層GUI界面中設(shè)置，作為通訊模塊的一個(gè)屬性存儲(chǔ)在系統(tǒng)配置文件中，主要用來(lái)標(biāo)定信道啟動(dòng)的邏輯順序，和設(shè)備等級(jí)配合來(lái)實(shí)現(xiàn)信道控制邏輯的一個(gè)用阿拉伯?dāng)?shù)字表示的屬性。

在GUI界面上，信道等級(jí)在C/C++實(shí)現(xiàn)中是通過(guò)文本框控件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其取值范圍一般為0～255，0表示該信道沒(méi)有通訊任務(wù)，阿拉伯?dāng)?shù)字所代表的序號(hào)與信道驅(qū)動(dòng)層所驅(qū)動(dòng)的設(shè)備最低等級(jí)相同，不同信道可以有相同的信道等級(jí)。

（2）設(shè)備等級(jí)

設(shè)備等級(jí)在本系統(tǒng)中指的是可以在信道驅(qū)動(dòng)層GUI設(shè)置界面中設(shè)置，作為通訊端口的一個(gè)屬性，存儲(chǔ)在端口配置文件中，主要用來(lái)標(biāo)定端口所接設(shè)備的控制和管理邏輯順序，和信道等級(jí)配合使用，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的切換和管理。

端口設(shè)置界面上，設(shè)備等級(jí)是通過(guò)文本框控件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其取值范圍為0～255，0表示該通訊端口沒(méi)有連接通訊設(shè)備，設(shè)備等級(jí)序號(hào)所代表的邏輯順序與信道驅(qū)動(dòng)層輪詢?cè)O(shè)備的順序相同，在一個(gè)系統(tǒng)中，設(shè)備等級(jí)是不可重復(fù)的，即每個(gè)信道驅(qū)動(dòng)的設(shè)備等級(jí)標(biāo)識(shí)都是唯一的。

（3）端口配置信息存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是對(duì)通訊端口配置信息的管理，包括對(duì)端口配置屬性參數(shù)的讀寫(xiě)；在對(duì)端口屬性進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，在實(shí)現(xiàn)上使用了COMsetup數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，C/C++語(yǔ)言定義如下所示。

（4）通訊元

在對(duì)通訊設(shè)備進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，需要對(duì)通訊設(shè)備的工作原理進(jìn)行分析，了解整個(gè)通訊設(shè)備的工作流程，控制邏輯；目前在水情測(cè)報(bào)領(lǐng)域，使用的通訊設(shè)備大部分是指令控制類(lèi)，如使用AT指令集的GSM模塊，PSTN Modem；自定義指令集的如北斗，海事等；通過(guò)對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行分析，在實(shí)現(xiàn)時(shí)使用了COMunit結(jié)構(gòu)體來(lái)對(duì)整個(gè)工作流程進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)；C/C++語(yǔ)言定義如下所示。

（5）自解析設(shè)備模塊

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)設(shè)備模塊時(shí)，采用了一種自解析設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)。所謂的自解析設(shè)備模塊，在本系統(tǒng)指的是設(shè)備模塊的實(shí)現(xiàn)，包括屬性的設(shè)置、存儲(chǔ)和解析都是通過(guò)模塊自身的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，只提供給外部程序調(diào)用自身的標(biāo)準(zhǔn)接口。在本文使用C/C++實(shí)現(xiàn)時(shí)，以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)+配置文件的方式；配置文件用來(lái)存儲(chǔ)與硬件設(shè)備相關(guān)的屬性配置信息，文件的格式自定義，單獨(dú)存儲(chǔ)，單獨(dú)管理，只有動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)可以讀寫(xiě)配置文件，將配置文件和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)放在一個(gè)文件夾中即可形成一個(gè)完整的硬件設(shè)備模塊。

自解析硬件模塊的這種設(shè)計(jì)方式充分實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)備的獨(dú)立性，在滿足接口條件的情況下，開(kāi)發(fā)者完全可以自主設(shè)計(jì)，自主開(kāi)發(fā)硬件模塊，充分利用自己手中的資源，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)硬件模塊；非常適合團(tuán)體開(kāi)發(fā)，提高整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)效率。

4　實(shí)現(xiàn)

（1）信道接口層

1）主要工作內(nèi)容

信道接口層的主要工作內(nèi)容如表1所示。所有工作內(nèi)容的C/C++具體實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，和主要函數(shù)的傳遞參數(shù)，都是通過(guò)自定義的系統(tǒng)配置文件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

表1　信道接口層主要工作內(nèi)容

2）用戶交互

信道接口層對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)置界面如圖3所示。

圖3　啟動(dòng)層對(duì)應(yīng)的用戶設(shè)置界面

與信道等級(jí)相關(guān)的設(shè)置項(xiàng)指的就是圖3靜態(tài)文本（等級(jí)：）后面的文本框控件，此控件設(shè)置的是對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)動(dòng)作（平安報(bào)、定時(shí)報(bào)及閥值報(bào)）能使用的信道最高等級(jí)。具體行為與數(shù)據(jù)動(dòng)作規(guī)定有關(guān)（無(wú)人值守遙測(cè)站的功能）。

3）數(shù)據(jù)動(dòng)作（提供接口）

數(shù)據(jù)動(dòng)作是由無(wú)人值守遙測(cè)站的功能決定的，在水情測(cè)報(bào)領(lǐng)域，無(wú)人值守遙測(cè)站的數(shù)據(jù)動(dòng)作一般包含3個(gè)數(shù)據(jù)動(dòng)作，平安報(bào)，主要目的是為了驗(yàn)證遙測(cè)站設(shè)備的工作狀態(tài)，驗(yàn)證數(shù)據(jù)通訊信道的安全問(wèn)題，一般在早上8∶00和晚上20∶00，啟動(dòng)所有信道將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心站；定時(shí)報(bào)，根據(jù)所設(shè)的時(shí)間間隔，定時(shí)啟動(dòng)信道發(fā)送數(shù)據(jù)；閾值報(bào)，當(dāng)前數(shù)值大于所設(shè)閥值（閾值）時(shí)，啟動(dòng)信道發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）信道驅(qū)動(dòng)層

信道驅(qū)動(dòng)層的主要內(nèi)容如表2所示，所有工作內(nèi)容的C/C++具體實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，和主要函數(shù)的傳遞參數(shù)，都是通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)COMsetup來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

表2　信道驅(qū)動(dòng)層的主要內(nèi)容

（3）信道設(shè)備層

1）工作內(nèi)容

信道設(shè)備層的主要工作內(nèi)容如表3所示，其中設(shè)備接口的C/C++實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)COMunit結(jié)構(gòu)為參數(shù)，作為基本的描述單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

表3　信道設(shè)備層的主要工作內(nèi)容

2）用戶交互

由于硬件驅(qū)動(dòng)層的開(kāi)發(fā)在滿足設(shè)備接口的情況下完全可以自主設(shè)計(jì)，自主開(kāi)發(fā)，因此開(kāi)發(fā)結(jié)果也會(huì)多種多樣，為便于讀者理解，本文僅提供作者開(kāi)發(fā)的一個(gè)手機(jī)短信模塊為例。設(shè)置界面如圖4所示。

圖4　GSM硬件設(shè)備設(shè)置對(duì)話框

3）讀寫(xiě)配置信息

由于硬件設(shè)備模塊采用的是自解析設(shè)備模塊，因此在配置信息的讀寫(xiě)上，采用的是自定義的格式文件，此格式不固定，在C/C++實(shí)現(xiàn)中，本文采用了格式化輸出文本的方式。

4）設(shè)備接口

設(shè)備接口在本文中指的是，由信道設(shè)備層提供，信道驅(qū)動(dòng)層調(diào)用的公共接口（即固定的接口函數(shù)），不同實(shí)現(xiàn)的設(shè)備模塊，設(shè)備接口是一致的。在C/C++實(shí)現(xiàn)中，設(shè)備接口的實(shí)現(xiàn)主要依靠COMunit數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，所有的接口函數(shù)都是圍繞COMunit來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即有的接口函數(shù)返回值是COMunit或COMunit數(shù)組，有的函數(shù)參數(shù)是COMunit或COMunit數(shù)組。

5　結(jié)論

本文介紹的多信道切換系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，在嵌入式系統(tǒng)中容易實(shí)現(xiàn)。同時(shí)本文描述實(shí)現(xiàn)所用的語(yǔ)言是比較通用的C/C++語(yǔ)言，通用性比較強(qiáng)，只作少量的改動(dòng)就可以將其移植到其他系統(tǒng)中，如桌面Windows系列的操作系統(tǒng)、VxWorks、Windows CE 和Linux系統(tǒng)等。

這種多信道切換系統(tǒng)已經(jīng)在最新設(shè)計(jì)的32位嵌入式數(shù)據(jù)采集器中進(jìn)行了應(yīng)用，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，這種多信道切換系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)十分明顯。在硬件通訊端口容許的范圍內(nèi)所支持的信道可以無(wú)限，開(kāi)發(fā)者只需作少量的工作就可以把新設(shè)備加入系統(tǒng)，對(duì)于需要支持多信道的系統(tǒng)，提供了一種有效的解決辦法，值得其他人借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：郭易（1973-），男，高級(jí)工程師，從事水情水調(diào)專業(yè)管理工作。

收稿日期：2015-12-14

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.012

中圖分類(lèi)號(hào)：TP873

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2016）04-0035-04