馬賽飛，馬尚昌，劉 鈞

（1.河南省氣象探測數(shù)據(jù)中心，河南鄭州 450003；2.成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都 610225；3.中國華云氣象科技集團(tuán)公司，北京 100000）

結(jié)合當(dāng)前傳感器技術(shù)與微電子技術(shù)的研究成果，以傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能信息處理技術(shù)為支撐[1]，對傳統(tǒng)氣象要素傳感器進(jìn)行改進(jìn)，研制一種智能傳感器。設(shè)計的智能傳感器分為兩個模塊，智能變送器模塊和網(wǎng)絡(luò)適配器模塊。為實現(xiàn)智能傳感器系統(tǒng)的整體設(shè)計，文中設(shè)計是在智能變送器模塊完成的基礎(chǔ)上，主要針對網(wǎng)絡(luò)適配器模塊進(jìn)行設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊可以降低智能傳感器的設(shè)計難度，同時在很大程度上能提高傳感器的性能。該設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)適配器采用S3C2440 處理器，確保了硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]，將設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)上的通信接口裝置，用于實現(xiàn)對智能變送器的控制，使其具有連網(wǎng)的功能。模塊具有低成本與高性能，互換性好，可良好地應(yīng)用于將來的智能氣象站中，能夠滿足數(shù)字化、智能化的要求。

1 網(wǎng)絡(luò)適配器模塊設(shè)計方案

網(wǎng)絡(luò)適配器模塊主要實現(xiàn)對智能變送器的控制、與智能變送器的通信、有線和無線網(wǎng)絡(luò)的通信以及其余不易在智能變送器模塊實現(xiàn)的功能。網(wǎng)絡(luò)適配器與智能變送器之間通過一個I/O 線的TII接口相連，實現(xiàn)了傳感器的即插即用[3]。計算機可通過向網(wǎng)絡(luò)適配器發(fā)送控制指令來控制其執(zhí)行相應(yīng)的功能，如讀取某傳感器數(shù)據(jù)等操作。網(wǎng)絡(luò)適配器模塊基于S3C2440芯片以及嵌入式Linux 操作系統(tǒng)實現(xiàn)了串口和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的透明傳輸[4]，文中編寫了基于Linux 的程序，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，使系統(tǒng)具有了一定的自恢復(fù)能力，最終實現(xiàn)常規(guī)氣象要素傳感器數(shù)據(jù)的高精度測量。圖1 所示為網(wǎng)絡(luò)適配器整體框圖。

圖1 網(wǎng)絡(luò)適配器整體框圖

2 硬件電路設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)適配器模塊主要實現(xiàn)與多個智能變送器模塊通信和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?，系統(tǒng)的核心采用S3C2440處理器[5]。系統(tǒng)采用核心板加底板的結(jié)構(gòu)，S3C2440最小系統(tǒng)（包括NAND Flash、NOR Flash、晶振、核心電源模塊等）在核心板中已經(jīng)實現(xiàn)[6]，底板電路主要包括系統(tǒng)電源、通信電路、溫度傳感器、按鍵以及指示燈等。在底板上預(yù)留核心板接口，核心板使用OK2440III 工業(yè)級核心板，確保硬件系統(tǒng)的穩(wěn)定性[7]。模塊的硬件框圖如圖2 所示。

圖2 模塊硬件框圖

2.1 電源模塊電路設(shè)計

考慮到氣象上傳感器與儀器的供電以12 V為主，網(wǎng)絡(luò)適配器模塊電路采用的電源也為12 V 輸入，通過二級降壓，給整個系統(tǒng)各個模塊進(jìn)行供電，滿足各個模塊對不同電壓的需要。第一級降壓將輸入的直流電壓降到+5 V；第二級降壓將+5 V 降為+3.3 V。模塊電源電路如圖3 所示。該系統(tǒng)在軟件中使用了Linux 的時鐘[8]，因此，在電源的設(shè)計上采用了外接電源加電池的方式，當(dāng)系統(tǒng)斷電時，紐扣電池能夠繼續(xù)為系統(tǒng)內(nèi)部的RTC 供電[9]，保證時鐘的正常運行。電路在12 V 主電源接口處對系統(tǒng)的電源進(jìn)行了分壓，然后通過AN0 接入ARM9 內(nèi)部的AD 通道，用于主板電壓的采集與監(jiān)控。

圖3 模塊電源電路

2.2 復(fù)位電路設(shè)計

模塊從功能需求上把復(fù)位分為兩種模式，即正常復(fù)位和恢復(fù)出廠設(shè)置。正常復(fù)位即一般的按鍵復(fù)位模式，其電路設(shè)計采用了MAX811芯片，MAX811是一種MCU 電壓監(jiān)視器[10]，能監(jiān)視3 V、3.3 V 以及5 V的電壓，低電平有效復(fù)位，具有低功耗以及精密電源監(jiān)控的特點?；謴?fù)出廠設(shè)置是根據(jù)實際需要增加的功能，如果用戶對系統(tǒng)進(jìn)行了錯誤的配置而無法恢復(fù)，此時可以通過長按恢復(fù)出廠設(shè)置按鈕使系統(tǒng)恢復(fù)到出廠配置。恢復(fù)出廠設(shè)置功能在硬件上采用按鍵接入外部中斷的方式，在Linux 系統(tǒng)中編寫后臺軟件實現(xiàn)其功能。復(fù)位模塊的電路如圖4 所示。

圖4 復(fù)位模塊的電路

2.3 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控電路設(shè)計

為了便于使用者監(jiān)控系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)，添加了一些簡單的監(jiān)控模塊，包括電源電壓、主板溫度以及狀態(tài)燈等。由于輸入電壓高于內(nèi)部ADC 的參考電壓，因此需對輸入的電源電壓進(jìn)行分壓之后接入ARM9內(nèi)部的ADC 通道，通過編寫應(yīng)用軟件獲取當(dāng)前電源電壓值。主板溫度通過DS18B20 測得，DS18B20 采用單總線接口方式，在電路設(shè)計上比較簡單[11-12]。系統(tǒng)有7 個狀態(tài)燈，通過I/O 口接入核心板，其中系統(tǒng)軟件使用了兩燈，用于指示系統(tǒng)工作狀態(tài)以及復(fù)位模式，其余幾個狀態(tài)燈留作擴展。狀態(tài)監(jiān)控電路如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控電路

2.4 串口及以太網(wǎng)通信電路設(shè)計

通信電路主要分為兩部分，即串口通信和以太網(wǎng)通信。串口通信模塊采用雙串口設(shè)計，其中COM0 主要用于嵌入式Linux 操作系統(tǒng)終端界面的交互，COM1 主要用于掛接Zigbee 模塊實現(xiàn)與多個STIM 的通信[13]，串口芯片使用MAX202，MAX202 使用0.1 μF的電容。網(wǎng)絡(luò)通信電路設(shè)計上采用DM9000加RJ45 接口的方式[14]，DM9000 支持10/100 M 自適應(yīng)PHY，其物理協(xié)議層接口支持5 類非屏蔽雙絞線，并且DM9000 的Linux 驅(qū)動程序資源較為豐富，節(jié)省了底層驅(qū)動的開發(fā)周期。RJ45 接口是最常見的網(wǎng)絡(luò)接口，用于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。通信電路如圖6 和圖7 所示。

圖6 以太網(wǎng)通信電路

圖7 串口通信電路

3 軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)適配器的軟件設(shè)計主要基于Linux 下的嵌入式C 語言程序編程，采用socket 網(wǎng)絡(luò)編程以及多進(jìn)程和多線程的技術(shù)[15]，結(jié)合系統(tǒng)需求對模塊的軟件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。包括網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)雙向通信系統(tǒng)的設(shè)計、進(jìn)程的管理以及守護(hù)進(jìn)程等程序的設(shè)計。

3.1 參數(shù)的配置

系統(tǒng)開機會確認(rèn)是否為首次啟動系統(tǒng)，若是則應(yīng)運行原始配置腳本文件，若不是則應(yīng)運行修改后的配置腳本文件，再根據(jù)具體需要運行的模式啟動程序及相應(yīng)守護(hù)進(jìn)程。圖8為網(wǎng)絡(luò)信息的配置流程。

圖8 網(wǎng)絡(luò)信息的配置流程

3.2 主進(jìn)程設(shè)計

系統(tǒng)首先初始化系統(tǒng)參數(shù)以及創(chuàng)建進(jìn)程間通信需要的共享內(nèi)存、信號量及管道，并對SIGCHLD 信號處理進(jìn)行了初始化。在主函數(shù)中添加對SIGCHLD信號的處理代碼signal(SIGCHLD,SIG_IGN)，可防止產(chǎn)生僵尸進(jìn)程。服務(wù)器對于每個客戶端的連接都會創(chuàng)建一個子進(jìn)程，子進(jìn)程結(jié)束后，若不進(jìn)行處理則會變成僵尸進(jìn)程，若系統(tǒng)存在大量僵尸進(jìn)程，會在很大程度上造成資源的浪費，因此通過對SIGCHLD 信號進(jìn)行處理，將僵尸進(jìn)程交由內(nèi)核的init 進(jìn)程處理，即可有效清除僵尸進(jìn)程，節(jié)省系統(tǒng)資源。如圖9 所示為主進(jìn)程流程圖。主進(jìn)程通過不同的端口號來區(qū)分不同的客戶端請求，實現(xiàn)不同的服務(wù)，如果是上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)端口，且相應(yīng)端口已經(jīng)建立了正常的數(shù)據(jù)通信連接，那么通常不希望有重復(fù)連接而影響正常的數(shù)據(jù)收發(fā)，所以除非上一條連接已經(jīng)關(guān)閉，否則服務(wù)器會拒絕數(shù)據(jù)上行和下行端口的二次重復(fù)連接，文中采用信號量來實現(xiàn)這一功能；指令交互端口是用來查詢與更改串口信息等功能的端口，一般要求只要有權(quán)限對設(shè)備進(jìn)行操作的終端都可以連接，所以允許多個連接同時操作，但必須輸入正確的口令才能對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行查詢和配置。

圖9 主進(jìn)程流程圖

主進(jìn)程中的定時器主要實現(xiàn)與守護(hù)進(jìn)程的通信[16]，守護(hù)進(jìn)程通過通信是否正常來判斷當(dāng)前服務(wù)器程序運行是否正常，若異常則重啟服務(wù)器程序，服務(wù)器與守護(hù)進(jìn)程之間使用Unix 域套接字進(jìn)行通信。定時程序的流程圖如圖10 所示。

圖10 定時通信程序的流程圖

3.3 守護(hù)進(jìn)程設(shè)計

守護(hù)進(jìn)程的目的通常是為了完成一些特殊的任務(wù)或者等待處理某些事件，是獨立于控制終端的，因此通常在終端中不能對其進(jìn)行操作[17]。文中系統(tǒng)設(shè)計了專用的守護(hù)進(jìn)程，如圖11 所示為守護(hù)進(jìn)程的流程圖。正常情況下服務(wù)器主進(jìn)程每隔一段時間便向守護(hù)進(jìn)程發(fā)送一次消息，守護(hù)進(jìn)程在接收到主進(jìn)程連接后重置定時器，若定時時間到，則說明在定時時間內(nèi)主進(jìn)程都未向守護(hù)進(jìn)程發(fā)送消息，出現(xiàn)異常，這時守護(hù)進(jìn)程會清除之前的服務(wù)器進(jìn)程并重啟服務(wù)器，而服務(wù)器重啟后可自動接收主機發(fā)來的連接，保證系統(tǒng)在異常情況下能夠自行處理、自行恢復(fù)。

圖11 守護(hù)進(jìn)程流程圖

4 功能測試

網(wǎng)絡(luò)適配器模塊主要用于實現(xiàn)指令交互和數(shù)據(jù)的收發(fā)。給智能變送器接上溫濕度傳感器，網(wǎng)絡(luò)適配器通過串口線連接電腦，通過串口助手進(jìn)行測試，可以查詢到傳感器數(shù)據(jù)，測試結(jié)果如圖12 所示。

圖12 測試結(jié)果

在串口測試軟件中，將虛擬串口發(fā)送波特率設(shè)定為9 600 bit/s，軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行了封包操作，實際傳送的數(shù)據(jù)會大于100 字節(jié)，界面中可顯示發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)，以及出錯的數(shù)據(jù)包個數(shù)；在串口數(shù)據(jù)回送器界面中可顯示實際接收到數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。圖13 為軟件實際發(fā)送與接收數(shù)據(jù)的情況，測試時間為24 h。由圖13 中可以看出，在串口測試軟件中，實際發(fā)送的數(shù)據(jù)包為59 328 個，成功接收的數(shù)據(jù)包為59 328 個，錯誤數(shù)據(jù)包為0 個，串口數(shù)據(jù)回送器軟件中可以看到實際成功接收的字節(jié)數(shù)為6 408 180 個。

圖13 發(fā)送與接收數(shù)據(jù)結(jié)果

5 結(jié)束語

以傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能信息處理技術(shù)為支撐，對傳統(tǒng)氣象要素傳感器進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)氣象要素傳感器的網(wǎng)絡(luò)化與智能化，重點介紹了網(wǎng)絡(luò)適配器模塊的硬件設(shè)計電路和軟件設(shè)計思路，通過測試驗證了模塊的可行性。該網(wǎng)絡(luò)適配器模塊設(shè)計的難點主要在于設(shè)計接入智能氣象站中的智能變送器，實現(xiàn)模塊對于傳感器的即插即用和自識別。目前模塊已在觀測場的運用中取得良好效果，相信以后將會獲得廣泛的應(yīng)用。