溫立民， 巨永鋒， 朱　旭， 閆茂德， 張昌利

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

基于JBoss的高速公路路域氣象信息采集與發(fā)布系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

溫立民1， 巨永鋒1， 朱旭1， 閆茂德1， 張昌利2

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064；2.長(zhǎng)安大學(xué) 信息工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

摘要:路域氣象信息采集與發(fā)布是減少交通事故的重要環(huán)節(jié)。搭建基于JBoss的C/S架構(gòu)公路路域監(jiān)控與氣象預(yù)警聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控系統(tǒng)；采用ARM+Linux技術(shù)設(shè)計(jì)了高速公路路面實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)與氣象信息采集終端。系統(tǒng)可為司機(jī)提供現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)氣象信息，實(shí)現(xiàn)氣象信息共享，為高速公路的指揮、調(diào)度提供評(píng)判依據(jù)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試表明：系統(tǒng)運(yùn)行良好，實(shí)測(cè)溫度誤差小于0.1 ℃，風(fēng)速誤差小于2 %，雨量誤差小于3 %，可滿足高速公路對(duì)氣象信息采集與發(fā)布的需要。

關(guān)鍵詞：路域氣象； JBoss； ARM+Linux； 數(shù)據(jù)采集； 信息發(fā)布

0引言

氣象信息對(duì)于公路特別是高速公路的安全起著重要的作用，健全的公路氣象信息采集與預(yù)報(bào)對(duì)減少交通事故率特別是危險(xiǎn)路段的事故率起著關(guān)鍵性的作用[1～4]。每年我國(guó)因惡劣天氣原因造成的交通事故在高速公路總事故中占70 %以上，因此，建立良好的高速公路氣象信息采集和發(fā)布系統(tǒng)是急需解決的問(wèn)題[5～7]。國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如芬蘭、美國(guó)、日本等已經(jīng)建立了比較完善的氣象信息系統(tǒng)[8～10]。我國(guó)在高速公路路域氣象信息方面的研究起步較晚，且較為獨(dú)立，或偏重于采集或偏重于信息發(fā)布，沒(méi)有建立完善的采集與發(fā)布體系[11～13]。

氣象采集終端通常野外安裝，對(duì)功效要求較高，通常采用ARM微處理器作為硬件處理核心，Linux性能穩(wěn)定，自從其誕生之日起就廣受青睞，特別是其對(duì)圖像和網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大支持。本文采用ARM+Linux搭建氣象信息采集硬件系統(tǒng)[14，15]；對(duì)于上位機(jī)采用JBoss構(gòu)建氣象信息處理與發(fā)布平臺(tái)。系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試后運(yùn)行良好，可滿足高速公路對(duì)氣象信息采集與發(fā)布的需要。

1路域氣象平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

1.1信息采集和發(fā)布平臺(tái)架構(gòu)

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包含三個(gè)部分：基于ARM+Linux的氣象信息采集終端、氣象信息數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的管理、以及基于JBoss的氣象預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集硬件終端采用ARM11處理器和Linux嵌入式操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)下位機(jī)氣象數(shù)據(jù)采集與處理，并將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳給上位機(jī)。

氣象信息數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。氣象預(yù)警信息發(fā)布系統(tǒng)是聯(lián)系底層采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)的中介，系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，一旦發(fā)現(xiàn)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定的警戒值，就啟動(dòng)報(bào)警信號(hào)并通過(guò)文件發(fā)布系統(tǒng)將報(bào)警信號(hào)發(fā)送給接收終端和管理人員。如果沒(méi)有發(fā)生報(bào)警情況，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)也會(huì)定時(shí)發(fā)送給各移動(dòng)終端和用戶，同時(shí)通過(guò)信息發(fā)布系統(tǒng)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖1　氣象信息采集和發(fā)布平臺(tái)整體框架Fig 1　Framework of acquisition and publishing platform formeteorological information

1.2氣象信息采集終端硬件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端架構(gòu)如圖2所示，ARM數(shù)據(jù)采集板通過(guò)傳感器調(diào)理電路采集攝像頭、溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速、雨量等氣象數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送到以JBoss為核心的網(wǎng)絡(luò)共享平臺(tái)。

對(duì)于主控制器的選擇，由于氣象采集終端需野外安裝，為滿足能耗需求采用低功耗ARM微處理器S3C2440；S3C2440除功耗低外，在人機(jī)交互及視頻、網(wǎng)絡(luò)支持上也較為突出，更重要的是其內(nèi)部有對(duì)Linux支持的MMU單元。Linux對(duì)圖像和網(wǎng)絡(luò)支持較強(qiáng)大，所以,本設(shè)計(jì)在硬件終端上移植了Linux操作系統(tǒng)。終端除了采集圖像信息外，還需采集溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向、雨量等信息，所有的氣象信息經(jīng)整合后通過(guò)網(wǎng)口上傳給上位機(jī)，以實(shí)現(xiàn)高速公路氣象信息的聯(lián)網(wǎng)聯(lián)控。

圖2　氣象信息采集終端結(jié)構(gòu)圖Fig 2　Structure of meteorologial information collection terminal

在氣象數(shù)據(jù)采集中，現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集與處理較復(fù)雜，也是氣象站實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，因此,本文將重點(diǎn)闡述圖像數(shù)據(jù)采集與處理。圖像采集攝像頭目前有模擬和數(shù)字兩種，但模擬攝像頭比數(shù)字?jǐn)z像頭在成本上更具優(yōu)勢(shì)。在高速公路要多點(diǎn)布設(shè)采集攝像頭以組建視頻采集網(wǎng)絡(luò)，出于成本考慮,采用模擬攝像頭采集現(xiàn)場(chǎng)信息，這要求實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。采用TVP5150實(shí)現(xiàn)圖像信息的A/D轉(zhuǎn)換。TVP5150是高性能的A/D轉(zhuǎn)換芯片，使用方便，MCU通過(guò)I2C接口即可實(shí)現(xiàn)對(duì)TVP5150的初始化。

1.3氣象采集終端軟件設(shè)計(jì)

氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Linux軟件分為三層：驅(qū)動(dòng)層、Linux內(nèi)核層和應(yīng)用層，如圖3所示。驅(qū)動(dòng)層包括攝像頭驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、溫濕度等六要素驅(qū)動(dòng)。內(nèi)核層是系統(tǒng)層，是應(yīng)用層與驅(qū)動(dòng)層數(shù)據(jù)傳遞的橋梁。應(yīng)用層將內(nèi)核層傳遞來(lái)的數(shù)據(jù)處理打包后上傳，應(yīng)用層設(shè)置了3個(gè)進(jìn)程：圖像采集進(jìn)程cam_threads()、六要素(溫濕度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量)采集進(jìn)程weather_threads()、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程。

圖3　系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖Fig 3　Architecture of system software

圖像采集需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，在處理過(guò)程中不允許切換，除了采取上鎖的機(jī)制外，將其設(shè)置為單獨(dú)進(jìn)程進(jìn)行處理，而其他六要素采集則在另一個(gè)進(jìn)程中處理。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)進(jìn)程有兩個(gè)任務(wù)：1)接收處理來(lái)自圖像采集進(jìn)程和六要素采集進(jìn)程發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)；2)負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。一旦有遠(yuǎn)程請(qǐng)求，并驗(yàn)證是向本機(jī)發(fā)出的請(qǐng)求，則將數(shù)據(jù)包上傳。

2路域氣象站實(shí)現(xiàn)

2.1路域氣象采集終端硬件實(shí)現(xiàn)

氣象采集終端硬件包括視頻采集、風(fēng)速、風(fēng)向、溫濕度、雨量等采集，其中較為復(fù)雜的是視頻采集、風(fēng)速風(fēng)向采集模塊，故本文對(duì)視頻采集、風(fēng)速風(fēng)向采集做重點(diǎn)闡述。

1)圖像采集硬件電路：TVP5150是TI公司生產(chǎn)的高性能視頻處理芯片，采用I2C接口方式對(duì)芯片進(jìn)行初始化輸入，因此，該芯片被廣泛用于模擬到數(shù)字視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換中，芯片可輸入兩路模擬視頻信號(hào)，兩路模擬視頻轉(zhuǎn)換通道完全相同，但任意時(shí)刻只能選擇其中的一路，輸入信號(hào)格式提供PAL和NTSC制等制式供用戶選擇。芯片帶硬件自適應(yīng)濾波器和自適應(yīng)放大器，可根據(jù)輸入信號(hào)調(diào)節(jié)濾波和放大比例，減少了硬件設(shè)計(jì)的工作量；芯片輸出8位數(shù)字量信息和行場(chǎng)控制信號(hào)，輸出信號(hào)格式是ITU—RBT601和ITU—RBT565，為與S3C6410兼容本項(xiàng)目選擇內(nèi)嵌565格式。TVP5150接口電路如圖4所示。系統(tǒng)攝像頭選擇CMOS型紅外模擬攝像頭。

圖4　圖像采集原理圖Fig 4　Principle diagram of image collection

2)風(fēng)速風(fēng)向采集電路：風(fēng)速風(fēng)向一體化傳感器，風(fēng)向輸出的是格雷碼信號(hào)，風(fēng)速輸出的是脈沖信號(hào)，但風(fēng)速風(fēng)向信號(hào)電平為5V，而S3C6410 的I/O引腳電平為3.3V，所以，需要對(duì)電平進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。本文采用74LS4245芯片進(jìn)行調(diào)理，74LS4245雙向8入8出電平轉(zhuǎn)換芯片，電平可以在3.3V和5V間互相轉(zhuǎn)換，本文采用74LS4245將傳感器輸出的5V電平轉(zhuǎn)換為S3C6410的I/O電平3.3V。

2.2路域氣象終端軟件實(shí)現(xiàn)

1)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

由于需要采集的傳感器種類較多，各個(gè)傳感器間信號(hào)的輸出方式不同，需對(duì)每種傳感器分別編寫或移植驅(qū)動(dòng)程序，包括：圖像采集驅(qū)動(dòng)編寫與移植；風(fēng)速風(fēng)向驅(qū)動(dòng)的編寫與移植；雨量驅(qū)動(dòng)的編寫與移植；溫濕度驅(qū)動(dòng)編寫與移植。圖像采集驅(qū)動(dòng)分為兩個(gè)部分：TVP5150初始化和圖像數(shù)據(jù)處理。TVP5150初始化包括芯片的管腳初始化，型號(hào)識(shí)別和驅(qū)動(dòng)注冊(cè)。TVP5150通過(guò)I2C總線接口與S3C6410微控制器通信，而S3C6410微處理器的管腳多是復(fù)用的，既可以被用做特殊功能，也可以被用做I/O管腳。本文采用I/O管腳模擬I2C總線，所以，首先要將S3C6410相應(yīng)管腳初始化為I/O工作方式；TVP5150要求使用前先確認(rèn)芯片型號(hào)，所以，驅(qū)動(dòng)程序首先通過(guò)I2C總線詢問(wèn)芯片的管腳型號(hào)，得到確認(rèn)后方可對(duì)芯片進(jìn)行后面的初始化和處理。風(fēng)速雨量驅(qū)動(dòng)程序的編寫包括設(shè)備號(hào)、打開(kāi)和讀、寫函數(shù)的注冊(cè)，這一點(diǎn)與圖像采集TVP5150驅(qū)動(dòng)編寫一樣，不同的是信號(hào)的采集方式不同，操作方式也就不同。風(fēng)速雨量傳感器輸出的是脈沖信號(hào)，即單位時(shí)間內(nèi)所輸出的脈沖個(gè)數(shù)越多，風(fēng)速越強(qiáng)或雨量越大。風(fēng)速雨量的信號(hào)通過(guò)I/O的方式接入微控制器S3C6410。S3C6410設(shè)有24個(gè)外部中斷源EINT1～EINT24，每個(gè)中斷源設(shè)有不同的優(yōu)先級(jí)別，中斷源可以是高低電平觸發(fā)方式和邊緣觸發(fā)方式。根據(jù)風(fēng)速、雨量信號(hào)的特點(diǎn)，采用邊沿觸發(fā)方式，對(duì)于風(fēng)速雨量的采集就轉(zhuǎn)換為在中斷服務(wù)函數(shù)中對(duì)各自的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。圖5為氣象采集終端安裝圖。

圖5　氣象采集終端結(jié)構(gòu)Fig 5　Terminal structure of meteorologial collection

2)采集系統(tǒng)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

采集應(yīng)用程序是對(duì)各個(gè)驅(qū)動(dòng)程序的整合，將驅(qū)動(dòng)程序采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并打包后上傳給上位機(jī)。應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序的中間橋梁是內(nèi)核層，對(duì)于應(yīng)用程序而言，每個(gè)設(shè)備都是文件，應(yīng)用程序通過(guò)內(nèi)核依次打開(kāi)設(shè)備所對(duì)應(yīng)的文件，讀取參數(shù)信息，并將參數(shù)信息打包上傳。

3)信息發(fā)布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

氣象信息發(fā)布平臺(tái)基于JBossSeam開(kāi)發(fā)采用C/S架構(gòu)的系統(tǒng)，功能模塊如圖6所示，系統(tǒng)共6個(gè)功能模塊，即用戶登錄模塊、圖表顯示模塊、站點(diǎn)歷史模塊、文件發(fā)布模塊、用戶管理模塊、設(shè)備管理模塊以及系統(tǒng)設(shè)置與幫助模塊。

圖6　氣象信息發(fā)布平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig 6　Platform structure of meteorologial information publishing

3系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

在高速氣象六參量數(shù)據(jù)中，風(fēng)速和雨量的信息比較重要，對(duì)誤差的要求較高，所以，本文對(duì)風(fēng)速、雨量數(shù)據(jù)著重進(jìn)行分析。

1)風(fēng)速數(shù)據(jù)分析：依上文所述風(fēng)速傳感器輸出的是脈沖信號(hào)，對(duì)于采集系統(tǒng)而言即采集的是單位時(shí)間內(nèi)的脈沖的個(gè)數(shù)(頻率信息)，頻率越大，風(fēng)速越強(qiáng)，雨量越大。應(yīng)用程序中以1s為采集單位，即1s的時(shí)間間隔內(nèi)中斷的次數(shù)。傳感器頻率與風(fēng)速的換算關(guān)系為1Hz對(duì)應(yīng)風(fēng)速0.05m/s，則據(jù)此可換算出風(fēng)速。由于風(fēng)速采集的是頻率信息，為測(cè)試數(shù)據(jù)定量分析方便，本文首先按表給系統(tǒng)輸入脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出頻率的脈沖波代替風(fēng)速傳感器給采集器提供信號(hào)以測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)。

風(fēng)速傳感器理論頻率范圍在0～400Hz，本文將其分為3頻段：低頻段(0～200Hz)、中頻段(200～300Hz)和高頻段(300～400Hz)。在低、中、高頻段各取采樣點(diǎn)，經(jīng)測(cè)試可知，在低頻段和中頻段誤差較小，而在高頻段誤差稍大，如圖8所示，采集風(fēng)速數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　風(fēng)速中低頻段測(cè)試

圖7　風(fēng)速測(cè)試數(shù)據(jù)分析Fig 7　Test data analysis of wind speed

圖7(a)為在350～400Hz每間隔10Hz采樣3次。由圖可知在高頻范圍內(nèi)誤差逐漸增大，這從圖8(b)誤差曲線也可看出，在高頻段上誤差從0.3 %增到1 %。整個(gè)測(cè)量誤差在允許范圍內(nèi)。

2)雨量數(shù)據(jù)分析：雨量傳感器中分別注入100，250，500，1 000mL四個(gè)容量級(jí)別的水(用燒杯定量)，每個(gè)容量級(jí)別分別測(cè)試3次(如表2所示)。1,2,3所對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)分別是注入100,250,500,1 000mL時(shí)使雨量桶上升的高度。測(cè)試結(jié)果如圖8所示(數(shù)據(jù)如表2)。從圖中可知，測(cè)試各點(diǎn)的雨量值都小于注入值，最大誤差值接近3 %，但誤差等級(jí)在允許誤差范圍內(nèi)。產(chǎn)生誤差的主要原因：翻斗式雨量傳感器屬于機(jī)械裝置，翻斗在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生摩擦；翻斗反轉(zhuǎn)過(guò)程中水會(huì)產(chǎn)生飛濺；水會(huì)粘附在漏斗壁從而減少反轉(zhuǎn)次數(shù)，增加誤差等級(jí)。

表2　雨量傳感器注入水量計(jì)算

圖8　雨量測(cè)試數(shù)據(jù)分析Fig 8　Analysis on test data of rainfall

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹基于JBoss高速公路路域氣象信息采集和發(fā)布系統(tǒng)，闡述采用ARM+Linux架構(gòu)搭建氣象采集終端。采集與發(fā)布系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集并上傳視頻、風(fēng)速與風(fēng)向等信息。實(shí)測(cè)溫度誤差小于0.1 ℃，風(fēng)速誤差小于2 %，雨量誤差小于3 %，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試運(yùn)行良好，能滿足高速公路氣象實(shí)時(shí)信息采集與發(fā)布的需要，為減少高速公路特別是云貴山區(qū)的高速公路交通事故提供有力保證。

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Designofroad-areameteorologicalinformationacquisitionandpublishingsystemforexpresswaybasedonJBoss*

WENLi-min1,JUYong-feng1,ZHUXu1,YANMao-de1,ZHANGChang-li2

(1.SchoolofElectronicandControlEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.SchoolofInformationEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Abstract:Road-area meteorological information acquisition and publishing are important way to reduce traffic accident.A monitoring and forecast system for highway road-area meteorological based on JBoss is set up based on architecture of C/S;ARM and Linux technologies are used to design hardware terminal for meteorological information acquisition and real-time monitoring.The system can supply drivers with real-time meteorological information,realize meteorological information sharing and supply evaluation gist for vehicle schedule and command.Experiment on field reveals that the system work well with the performance of temperature error is less than 0.3 ℃,wind speed error is less than 2 %,rainfall error is less than 3 %.Measurement shows that the system can meet need for meteorological information acquisition and publishing for expressway.

Key words:road-area meteorology; JBoss; ARM+Linux; data acquisition; information publishing

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0111—05

收稿日期：2015—11—24

*基金項(xiàng)目：西安市科技基金資助項(xiàng)目(CXY1512(9))；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(CHD2010JC127)

中圖分類號(hào)：TP 216

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000—9787(2016)04—0111—05

作者簡(jiǎn)介:

溫立民(1976-)，男，黑龍江寶清人，博士，講師，主要研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)與智能檢測(cè)。