摘 要：為預防很多不定時或不可預知因素（暴雪、颶風、暴雨和道路傾斜等）會對車輛行駛環(huán)境安全構成威脅，該文實現(xiàn)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的龍芯架構和Loongbian操作系統(tǒng)，采用多采集節(jié)點與中心處理節(jié)點架構設計的道路氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，旨在提高道路氣象環(huán)境監(jiān)測安全，系統(tǒng)具有良好的可靠性和擴展性，能夠滿足實際應用需求。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；邊緣計算；氣象信息；道路監(jiān)測；系統(tǒng)設計

中圖分類號：U495 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0138-04

Abstract： In order to prevent many uncertain or unpredictable factors （blizzard， hurricane， rainstorm， road inclination， etc.） from threatening the safety of the vehicle driving environment， this paper implements a Loongson architecture and Loongbian operating system based on the Internet of Things. The road meteorological environment monitoring system is designed with the architecture of multiple acquisition nodes and central processing nodes， which aims to improve the safety of road meteorological environment monitoring. The system has good reliability and scalability， and can meet the needs of practical applications.

Keywords： Internet of Things; edge computing; meteorological information; road monitoring; system design

很多不定時或不可預知因素（暴雪、颶風、暴雨和道路傾斜等）會對車輛道路環(huán)境安全構成威脅。近年來，國務院辦公廳、國家發(fā)展改革委、交通運輸部等頒布關于推行交通運輸信息化、智慧交通、數(shù)字交通等舉措。同時，2021年5月6日，住房城鄉(xiāng)建設部、工業(yè)和信息化部確定北京、上海、廣州、武漢、長沙和無錫6個城市為智慧城市基礎設施與智能網(wǎng)聯(lián)汽車協(xié)同發(fā)展第一批試點城市。

為了獲取到道路氣象環(huán)境的實時信息，設計出了基于龍芯的道路氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用基于國產化的處理器芯片2K1000，是面向工業(yè)控制與終端等領域的低功耗通用處理器，同時，操作系統(tǒng)也采用國產自研的Loongbian的操作系統(tǒng)?？紤]到道路的惡劣環(huán)境，在傳感器方面選擇了3款工業(yè)級氣象傳感器模塊作為感知端，分別為德國Luff 氣象傳感器、芬蘭維薩拉氣象傳感器、Luff 雪深傳感器，具有良好的精確度和抗干擾、穩(wěn)定性。在網(wǎng)絡傳輸方面考慮到后續(xù)客戶針對數(shù)據(jù)的解析和利用，采用MQTT協(xié)議對數(shù)據(jù)進行傳輸，CJSON格式對數(shù)據(jù)進行封裝處理。

1 系統(tǒng)整體架構

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構，系統(tǒng)完成各個層之間的鏈接。系統(tǒng)體系架構4個層次為：感知層、傳輸層、處理層、應用層。系統(tǒng)架構圖如圖1所示。

感知層由3個分別是德國Luff氣象傳感器、芬蘭維薩拉氣象傳感器、Luff 雪深傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)生器或傳感器模塊構成數(shù)據(jù)感知模塊，利用傳感器采集氣象環(huán)境信息。

傳輸層由軟硬件龍芯終端及Loongbian操作系統(tǒng)構成，在系統(tǒng)中編寫接收傳感器數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行CRC校驗、數(shù)據(jù)的JSON格式封裝、Sqlite數(shù)據(jù)庫存儲，圍繞著數(shù)據(jù)采集、分析、處理、封裝和傳輸整個流程實現(xiàn)。采用了ARM的采集終端，在通信方面可使用有線或無線的方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?，從而實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)資源的共享和優(yōu)化管理。

處理層搭配MQTT云端服務器，以及通過MQTT協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)布到Mqtt Broker的下位機程序。主要是獲取采集終端送過來的數(shù)據(jù)，在云服務器端部署Mqtt Broker，并為應用層應用程序平臺提供接口。

應用層直接面對用戶，為用戶提供豐富的服務功能，主要解決數(shù)據(jù)獲取處理、人機界面問題，采用MQTT客戶端，在應用層我們開發(fā)了客戶端程序，用來顯示傳感器數(shù)據(jù)信息和報警信息等。部署在PC端的Mqtt Client程序構成，負責從Mqtt Broker服務器訂閱數(shù)據(jù)并實時顯示（圖2）。

2 系統(tǒng)構成

道路氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由3部分構成：數(shù)據(jù)感知層，通過連接龍芯采集終端UART端口，即RS485總線采取輪詢的方式實時或按時間間隔采集獲取傳感器數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理層：數(shù)據(jù)服務器。存儲各數(shù)據(jù)終端送過來的數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)查詢和統(tǒng)計結算功能。應用層：包含PC端web登錄及移動端APP?？蛇M行分類分項查詢，以圖形、報表等方式顯示數(shù)據(jù)，同時具有管理控制功能。

2.1 數(shù)據(jù)感知層

本系統(tǒng)選擇了3款工業(yè)級氣象傳感器模塊作為感知層模塊用于感知氣象信息，分別為德國Luff氣象傳感器、芬蘭維薩拉氣象傳感器、Luff雪深傳感器，3款傳感器均采用RS485接口作為數(shù)據(jù)通信接口，通過UMB-ASCII 2.0數(shù)據(jù)協(xié)議作為測量值的通信與輸出，統(tǒng)一配置半雙工RS485，波特率9 600，無校驗，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位等配置。也可以通過模擬器來模擬傳感器數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行測試（圖3）。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)采集終端選擇基于龍芯2K1000處理器的龍芯終端，板子運行Loongbian操作系統(tǒng)，基于Linux 5.7 內核。

基于Loongbian操作系統(tǒng)的下位機程序采用2套程序來完成以下工作：通過RS485接收傳感器數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行CRC校驗、數(shù)據(jù)的JSON格式封裝、Sqlite 存儲，以及通過MQTT協(xié)議把數(shù)據(jù)發(fā)布到Mqtt Broker服務器端。

考慮到以后產品的成型，龍芯2K1000芯片下位機程序采取2套程序，建立多個采集節(jié)點-中心節(jié)點的模式，如圖4所示。

采集節(jié)點-中心節(jié)點模式的主體思想是在每一個數(shù)據(jù)采集端需要部署一套氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為采集節(jié)點，每一個采集節(jié)點對應實際場合的某路段的某個監(jiān)測點，該監(jiān)測點部署多個不同類型的傳感器用于采集不同氣象信息和采集節(jié)點終端，對該監(jiān)測點的環(huán)境進行實時監(jiān)測。

在數(shù)據(jù)中心再部署氣象環(huán)境數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)作為中心節(jié)點來接收每一個采集節(jié)點終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

2.2.1 采集節(jié)點的工作流程

傳感器數(shù)據(jù)的接收采用RS485總線，連接到教育派UART5口，設備節(jié)點為“/dev/ttyS3”，通過RS485轉USB口連接到電腦，用來接收數(shù)據(jù)發(fā)生器的模擬數(shù)據(jù)。

龍芯教育派接收到數(shù)據(jù)后，首先需要對數(shù)據(jù)頭和長度進行判斷，判斷是否符合相應傳感器數(shù)據(jù)報文；符合后，進行CRC校驗，采用逆向算法進行CRC校驗，校驗完成，進行入隊列InQueue操作，同時存儲到sqlite數(shù)據(jù)庫。另外再起一個TcpClient網(wǎng)絡處理線程，此線程首先進行出隊列OutQueue操作，此時創(chuàng)建一個結構體來對數(shù)據(jù)進行打包處理，加入幀頭、幀尾、監(jiān)測點、正向算法加入CRC校驗等數(shù)據(jù)進行封裝，最后進行TCP socket發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2.2 中心節(jié)點工作流程

中心節(jié)點同樣采用龍芯終端模塊，Loongbian系統(tǒng)下開發(fā)程序，中心節(jié)點首先創(chuàng)建一個TCP Service服務器監(jiān)聽線程，接收來自不同采集節(jié)點終端客戶端的連接，接收的數(shù)據(jù)首先進行幀頭、CRC以及幀尾判斷，緊接著對不同傳感器的數(shù)據(jù)進行入隊列和保存數(shù)據(jù)庫操作，對數(shù)據(jù)進行處理時加入獲取時間數(shù)據(jù)塊；另外一個線程進行出隊列操作、調用cJSON庫對數(shù)據(jù)進行JSON對象格式的轉換并通過MQTT協(xié)議調用mosquitto庫發(fā)布數(shù)據(jù)到Mqtt Broker。

2.3 應用層

應用層為PC端的Mqtt Client程序。數(shù)據(jù)處理層的龍芯終端程序把數(shù)據(jù)發(fā)送到MQTT服務器端，MQTT是基于客戶端-服務器的消息發(fā)布/訂閱傳輸協(xié)議，在PC端通過mosquitto代理服務軟件搭建了MQTT服務器。有了服務器，自然就需要Mqtt Client端，因此需要開發(fā)一款PC Mqtt Client端用來訂閱數(shù)據(jù)，并實時顯示數(shù)據(jù)的功能程序。

根據(jù)MQTT協(xié)議特點，對于數(shù)據(jù)的訂閱，只要向MQTT服務器“訂閱”某個topic，服務器就會自動創(chuàng)建該topic，另一個client就可以往這個topic發(fā)布消息。

MQTT的服務器就是“代理”（broker）功能，負責client管理和消息轉發(fā)。

只要訂閱了某個topic，當該topic被另一個client發(fā)送消息時，broker會自動地向訂閱了這一topic的client轉發(fā)消息，不管訂閱者有多少個，都能夠訂閱到數(shù)據(jù)，即形成了單服務器（broker）-多Mqtt Client的模式。

3 傳感器數(shù)據(jù)報文格式設計

道路氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)終端采集各大傳感器數(shù)據(jù)，需要明確每個感知模塊的數(shù)據(jù)格式，根據(jù)各個傳感器模塊的數(shù)據(jù)手冊確定其數(shù)據(jù)格式。

3.1 風速傳感器數(shù)據(jù)格式設計

根據(jù)WS600發(fā)送數(shù)據(jù)確定WS600數(shù)據(jù)報文格式如下：

Lufft 600： $ 28 673 M 00 100 42 893 00 200 46 825 00 300 51 890 00 401 03 499 00 501 65 357 00 805 65 520 00 620 00 000 00 820 00 000 00 700 00 000×49 743＼r。

其中，M表示測量指令，42 893表示[+60 ℃-（-50 ℃）]/65 520×42 893+（-50 ℃）=22 ℃，空氣溫度值，46 825表示100/65 520×42 893=65.5%，相對濕度值，51 890表示[1 200-300]/65 520×51 890+300=1 012.8 hPa，絕對氣壓值，00 376表示75/65 520×376=0.43 m/s，實時風速值，65 357表示360/65 520×65 357=359.1°，實時風向值。65 520表示100/65 520×65 520=100%。

確定好感知模塊的數(shù)據(jù)格式后，在龍芯終端程序中對數(shù)據(jù)格式建立相對應的結構體。

3.2 雨量傳感器數(shù)據(jù)格式設計

雨量提供獲取數(shù)據(jù)信息的協(xié)議有3種：ASCII協(xié)議、SDI-12協(xié)議、NMEA 0183 V3.0，考慮到與其他傳感器的兼容性，本系統(tǒng)采用ASCII協(xié)議，統(tǒng)一掛載在一根RS485總線。

根據(jù)wxt520傳感器ASCII 協(xié)議通信協(xié)議的數(shù)據(jù)命令和數(shù)據(jù)信息格式分析得出wxt520數(shù)據(jù)包格式如下

0r0，Dm=134 D，Sm=10.0 M，Ta=26.2 C，Ua=61.3 P，Pa=959.4 H，Rc=0.00 M，Ri=0.3 MGez，

式中：0r0為合成數(shù)據(jù)信息，Dm為風向，Sm為風速，Ta為溫度，Ua為濕度，Pa為大氣壓，Rc為累計雨量，Ri為降雨強度。

3.3 雪深傳感器數(shù)據(jù)格式設計

選用一款激光雪深探測器，可以遠距離測量雪深，數(shù)據(jù)精確，測量范圍為0～15 m，使用光學測量方法，不受溫度和風的影響。

報文格式如下：

B001：4E：SS；1=085；003.011 7；+02.125 3；185；+15；17.8；15：00：8E。

其中，+02.125 3 代表雪深2.12 m。

4 數(shù)據(jù)庫設計

龍芯Loongbian操作系統(tǒng)，基于Linux 5.7內核屬于嵌入式Linux操作系統(tǒng)內核。在選擇數(shù)據(jù)庫方面從占用空間和操作便利性方面考慮，選擇SQLite數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)的存儲載體。在建立數(shù)據(jù)庫表方面從采集的數(shù)據(jù)源劃分我們建立了3個表格，見表1—3。

5 客戶端程序設計

客戶端Mqtt Client客戶端采用C#語言開發(fā)，采用發(fā)布/訂閱模式傳輸機制從MQTT服務器獲取數(shù)據(jù)，采用MQTT的服務器中間件為Mosquitto，界面上通過設定服務器地址，創(chuàng)建Mqtt Client客戶端，點擊“訂閱數(shù)據(jù)”按鍵后會自動發(fā)送訂閱主題獲取數(shù)據(jù)（圖5）。

6 結論

針對道路氣象環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、自主國產化等需求，提出來一種基于國產龍芯芯片與系統(tǒng)的道路氣象環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計，系統(tǒng)采用全新的基于物聯(lián)網(wǎng)的“龍芯2K1000芯片+Loongbian系統(tǒng)”下的邊緣端開發(fā)，以及多采集節(jié)點與中心節(jié)點的架構方式?？梢詽M足道路氣象信息環(huán)境數(shù)據(jù)采集處理等需求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)采集處理實時性高，說明采用此架構進行系統(tǒng)設計合理可靠，為后續(xù)國產化系統(tǒng)應用和數(shù)據(jù)處理提供經驗。

參考文獻：

[1] 石龍龍，林寶軍，王正凱，等.基于龍芯的高可靠性衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[J].微電子學與計算機，2021，38（7）：25-29.

[2] 張卓.基于氣象信息的變電站監(jiān)測系統(tǒng)設計[D].太原：中北大學，2023.

[3] 李長亮，馬宗普.氣象信息在寧夏高速公路運行監(jiān)測系統(tǒng)中的應用[J].中國交通信息化，2022（S1）：304-306.