基于ARM的無線氣象數據通信系統設計

閭 軍，唐慧強

（南京信息工程大學 信息與控制學院，江蘇 南京 210044）

自動氣象站數據采集器一般基于單片機或PC/104總線控制器設計，具有與PC兼容性好、功耗低、體積緊湊等特點，然而如何設計出功能強大，網絡傳輸功能強的自動氣象站數據采集器，滿足現代氣象檢測的要求，是一個值得研究的課題[1]。

文中基于ARM微處理器和Linux操作系統平臺，借助前端無線傳感器網絡的數據輸入，利用嵌入式Qt的開發優勢并設計數據通信格式，完成無線氣象數據通信系統的設計，實現了數據的可靠傳輸。為天氣預報、科學研究、氣象災害預警等提供實時的氣象觀測數據。

1 無線氣象數據通信系統的基本組成

如圖1所示，無線氣象數據通信系統主要由無線傳感器網絡節點、協調器、數據通信器（數據通信器以S3C2440AL為核心）、遠程服務器等組成，完成對數據的采集、處理、傳輸和存儲等功能。數據的采集基于CC2530的無線傳感器網絡，傳感器節點將采集到的氣象數據定時發送給協調器，再由協調器將數據通過RS232接口傳給數據通信器，數據通信器按氣象數據處理規范對接收到的數據進行處理后，一方面顯示在液晶顯示屏上，另一方面經以太網發送到遠程服務器。此外，數據通信器保存接收的數據。

2 硬件電路設計

2.1 CC2530與S3C2440AL的連接

CC2530是TI公司以C51為內核的ZigBee芯片，它支持IEEE802.15.4標準以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE標準，提供101 dB的鏈路質量，具有高接收靈敏度和強抗干擾性，同時具有低功耗、低成本、時延短、高安全等特點[2]。此外，系統采用Samsung S3C2440AL來實現高分辨率彩色顯示、觸摸控制、高速數據處理及管理、網絡接口擴展等需要。

CC2530與S3C2440AL之間采用串口通信，其連接如圖2所示。CC2530的串行數據發送端P0_3與S3C2440AL的串行數據接收端RXD1相連，CC2530的串行數據接收端P0_2與S3C2440AL的串行數據發送端TXD1相連。此處將CC2530的設備類型設置為協調器[3]，實現無線接收各個傳感器節點發送的氣象數據。

2.2 S3C2440AL外圍電路設計

由于系統需要移植嵌入式Linux操作系統、安裝微型數據庫、運行可視化應用程序、存儲氣象數據以及將數據經過以太網發送給遠程服務器，需要擴展液晶顯示器、外部存儲器、以太網控制器等。液晶顯示屏采用320×240分辨率的3.5英寸觸摸真彩液晶屏，SDRAM采用 H57V2562GTR，NAND FLASH采用K9F1216U0A，以太網控制器采用單芯片快速以太網MAC控制器DM9000。S3C2440AL部分外圍電路[4]如圖3所示。

圖1 數據通信系統結構圖Fig.1 Structure of data communication system

圖2 CC2530與S3C2440AL連接電路圖Fig.2 CC2530 and S3C2440AL connection circuit

圖3 S3C2440AL外圍電路圖Fig.3 S3C2440AL peripheral circuit

3 軟件設計

下位機軟件的核心是串口通信以及Socket通信。系統采用Qt4.5.0、Qt Creator 1.3.0作為數據通信器軟件的開發工具，主要包括數據接收顯示、存儲以及發送給遠程服務器等功能。

系統為了保證氣象數據有效、高效、可靠地通信，該系統建立了如表1所示的數據幀格式。

表1 數據幀格式Tab.1 Data frame format

協調器每次給數據通信器發送10字節數據，其中以“#”為起始符，緊跟4字節浮點數，第6字節表示氣象要素類型，第8和第9字節分別為CRC檢測的高位和低位，最后以“*”結束。CRC域是兩個字節，它由協調器節點計算后加入到數據中，數據通信器對校驗信息進行檢查，若無錯則接收該數據，否則放棄該數據并請求重發。

3.1 串口通信程序設計

協調器通過串口與數據通信器進行數據交互，所以在程序設計時需要對串口的波特率、數據位、奇偶校驗、停止位以及數據流控制進行設置，實現數據傳輸。通過任務接口定時讀寫串口數據，查看協調器是否有數據，并將數據存入隊列供界面顯示、存儲以及發送。串口設置界面如圖4所示。

圖4 串口設置界面Fig.4 Serial setting interface

下面是串口設置的部分代碼：

其中，getPortSettings（）函數返回一個PortSettings型變量，包含了對波特率、數據位、停止位等的設置，getPortName（）函數返回字符串型變量，用于串口號的設置。

3.2 網絡通信程序設計

網絡傳輸是本設計的主要任務之一，將數據通信器接收的數據經過Socket發送給遠程服務器。而Qt提供了QTcp Socket類，用于編寫TCP客戶端的應用程序。QTcpSocket類提供了一個有緩沖的TCP連接，可以用來實現其他標準協議也可以用來實現自定義的協議。QTcpSocket采用異步工作方式，它依靠Qt事件循環發現外來數據和向外發送數據，并以信號的方式報告狀態的改變或產生的錯誤，一旦網絡的某一種狀態發生改變 （如網絡斷開），就會發出信號 （如connectionClosed（）），再通過信號與槽函數相關聯進行處理[5-6]。服務器設置界面如圖5所示。

下面是網絡傳輸相應槽函數：

圖5 服務器設置界面Fig.5 Server setting interface

4 結 論

首次使用時，在系統設置界面對服務器地址、服務器端口、經度、緯度、臺站號進行設置，在串口設置界面對串口的波特率、數據位、停止位等信息進行設置。設置完成后連接服務器并打開串口，在數據顯示界面將會實時動態顯示各傳感器節點發來的氣象數據。與服務器的連接狀態等信息在程序狀態欄會有相關提示，一旦與服務器斷開，系統將會自動連接服務器并將這段時間內收到的數據保存起來等待連接成功后重新發送。

系統已經完成制作調試，效果良好，可以成功地實現數據通信、處理、存儲、網絡連接以及網絡異常處理等功能。本系統低成本、無布線、可擴展性強等特點，在自動氣象站應用中具有廣泛的潛在市場和應用空間。

[1]胡玉峰.自動氣象站原理與測量方法[M].北京：氣象出版社，2007.

[2]Texas Instruments，CC2530 product web site[EB/OL].（2010）[2011-10-10].http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]三恒星科技.ARM9原理與應用設計[M].北京：電子工業出版社，2008.

[5]Thelin J.Foundations of Qt Development.Expert’s Voice in Open Source[M].Apress，2007.

[6]成潔，盧紫毅.Linux窗口程序設計[M].北京：清華大學出版社，2008.