機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊德君，宋利民

（1.遼寧師范大學(xué)，遼寧 大連 116081； 2.大連海事大學(xué)，遼寧 大連 116026）

1 引言

航空運輸是隨著社會、經(jīng)濟和技術(shù)進(jìn)步發(fā)展起來的新型運輸方式。近年來，航空運輸憑借其舒適便捷的搭乘環(huán)境、日益低廉的機票價格以及其他交通工具望塵莫及的航行速度等巨大優(yōu)勢一躍發(fā)展成為人們社會和經(jīng)濟生活中必不可少的組成部分。

但與此同時，航空運輸安全很容易受氣候影響，這為其發(fā)展帶來很大的局限性。我們知道，世界各地的機場跑道在一年當(dāng)中的溫度差距是很懸殊的。在烈日炎熱的夏季，機場跑道表面溫度高達(dá)40～60℃，跑道會因材料膨脹而擠壓變形，導(dǎo)致表面破損，使其平整度大大降低，給飛行器的起降造成安全隱患。而在大雪紛飛冰凍三尺的冬季，機場跑道表面溫度可達(dá)零下二十幾攝氏度，積雪積冰現(xiàn)象嚴(yán)重，經(jīng)常造成飛行器沖出跑道、跑道入侵和跑道混淆等事故的發(fā)生，無法保證人民的生命財產(chǎn)安全。

由此可見，機場跑道溫度數(shù)據(jù)的實時測量對機場的飛行保障服務(wù)水平來說是至關(guān)重要的，讓飛行員充分掌握氣候和跑道環(huán)境信息是保障飛機安全起飛、著陸的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。這正是絕大多數(shù)國內(nèi)機場急需解決卻尚未解決的問題[1]。

本系統(tǒng)基于國內(nèi)機場對跑道溫度實時測量設(shè)備的需求展開研究，進(jìn)而設(shè)計并實現(xiàn)了機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)。通過分析國內(nèi)外機場跑道溫度測量現(xiàn)狀，提出了機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的重要性和必要性。研究無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，選擇合適的無線傳輸方式來構(gòu)成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸平臺，并搭建相應(yīng)的硬件平臺，使數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程傳輸。利用開發(fā)工具M(jìn)icrosoft Visual Studio 2005，實現(xiàn)組織中各項活動的管理、調(diào)節(jié)和控制，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行需求分析和系統(tǒng)設(shè)計。實現(xiàn)了 VS.NET[2]與數(shù)據(jù)庫Access無縫結(jié)合，以便實時管理，監(jiān)控數(shù)據(jù)，并能存儲，查詢歷史數(shù)據(jù)，從中尋找規(guī)律，做出對比分析。

本文源于大連機場的一個實際項目，目前該項目在已在大連機場實際應(yīng)用，反響良好。完成了設(shè)計出針對機場跑道的無線溫度測量系統(tǒng)信息管理系統(tǒng)的軟件設(shè)計：國內(nèi)首次提出了利用.NET設(shè)計信息管理系統(tǒng)并與數(shù)據(jù)庫無縫結(jié)合的思想和方法。采用短距離無線通信技術(shù)，設(shè)計了溫度測量硬件與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[3]，替代了國外的同類產(chǎn)品，具有極高的實用價值和經(jīng)濟價值。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計以ATmega8微控制器為運行平臺，以DS18B20數(shù)字溫度傳感器為核心器件，綜合運用短距離無線通信技術(shù)完成了機場跑道溫度的實時采集與傳輸。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

整個系統(tǒng)的運行與控制主要由高性能的ATmega8微控制器完成，溫度測量模塊、電源轉(zhuǎn)換模塊、無線通信模塊以及顯示模塊協(xié)同單片機共同工作。整個系統(tǒng)主要包括以下幾個方面[6]：

（1）微控制器：即MCU，它是整個系統(tǒng)的中央處理單元，是最為核心的部分。

（2）電源部分：通過 LM2576穩(wěn)壓集成電路給整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓利用LM1117系列芯片實現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換。

（3）顯示部分：系統(tǒng)同時提供機場跑道溫度監(jiān)控信息管理系統(tǒng)。

（4）無線通信：系統(tǒng)利用無線電臺組成的一個點對多點的無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線電臺提供RS-232電平，采用232芯片實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。從而實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。

（5）溫度測量[5]模塊：采用 DS18B20數(shù)字溫度傳感器為核心器件，將采集到的溫度傳送給主控模塊。采用DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點。

2.1 主控模塊的選擇

ATmega8的芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點。而且性價比極高。再加上AVR單片機的ISP性能，用戶往往不需要購買昂貴的仿真器和編程器就可以進(jìn)行單片機嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用。ATmega8單片機采用了ATMEL的高密度費非易失性內(nèi)存技術(shù)，片內(nèi)Flash可以通過SPI接口、通用編程器及自引導(dǎo)BOOT程序進(jìn)行編程和自編程。利用自引導(dǎo)BOOT程序，可以使用任一硬件接口下載應(yīng)用程序，并寫入到Flash的應(yīng)用程序區(qū)中。在更新Flash的應(yīng)用程序區(qū)數(shù)據(jù)時，處在Flash的BOOT區(qū)中的自引導(dǎo)程序?qū)⒗^續(xù)執(zhí)行，實現(xiàn)了同時讀寫（Read-While-Write）的功能（芯片自編程功能）。由于將增強RISC8位CPU與在系統(tǒng)編程和在應(yīng)用編程的 Flash存儲器集成在一個芯片內(nèi)，ATmega8成為一個功能強大的單片機，為本系統(tǒng)的研發(fā)提供了一種靈活而低成本的解決方案。

2.2 串口通訊技術(shù)

為了使應(yīng)用程序能夠與調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信，應(yīng)用程序必須將命令發(fā)送到相應(yīng)的串行端口。串口是計算機上一種非常通用設(shè)備通信的協(xié)議，為使計算機、電話以及其他通信設(shè)備互相溝通，現(xiàn)在，已經(jīng)對串行通信[4]建立了幾個一致的概念和標(biāo)準(zhǔn)，這些概念和標(biāo)準(zhǔn)基本在四個方面體現(xiàn)：傳輸率，電特性，信號名稱和接口標(biāo)準(zhǔn)。

串口通信的概念屬于異步通信，數(shù)據(jù)需要一楨一楨的傳輸，需要起始位、數(shù)據(jù)段和校驗位。為了保證通信的正確性，發(fā)送端還需要在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，同時發(fā)送時鐘，發(fā)送時鐘決定了傳輸?shù)乃俾省＝涌诘慕邮詹ㄌ芈屎桶l(fā)送波特率是可以通過編程分別設(shè)置的。串口通信中最重要的是RS-232-C標(biāo)準(zhǔn)：RS-232－C采用負(fù)邏輯規(guī)定邏輯電平，-5～-15V 規(guī)定為“1”，+5～+15V 規(guī)定為“0”。事實上 PC可以連接多個外圍設(shè)備，WINDOWS編程時需要通過調(diào)用通信驅(qū)動程序的API函數(shù)完成對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2.3 短距離無線通信技術(shù)

采用短距離無線通信技術(shù)，設(shè)計了溫度測量硬件與本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，替代了國外的同類產(chǎn)品，具有極高的實用價值和經(jīng)濟價值。

短距離無線通信網(wǎng)可以隨時隨地的進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[7-9]，減少了對有線連接的要求，提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性，并且因其可移動性、組網(wǎng)靈活性、應(yīng)用范圍的廣泛性和傳輸速度快等優(yōu)點。使得在家庭和辦公環(huán)境逐漸開始廣泛的應(yīng)用。

2.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

這個系統(tǒng)的電路主要分兩個：主機電路和子機電路。主機主要用于接收子機的數(shù)據(jù)并顯示出來；子機用于采集溫度數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳給主機，同時也用于轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，相當(dāng)于路由。

主機電路的組成主要由：

（1）單片機 STC12C5A60S2：整個電路的核心，數(shù)據(jù)處理和控制，接受子機傳來的數(shù)據(jù)，并返回相應(yīng)的應(yīng)答信號；由接受的信號來判斷是否報警、個單片機工作狀態(tài)是否正常，并由LCD12864顯示或者LED指示。

（2）MAX232、9針串口的接口：用于程序的下載和無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）無線收發(fā)模塊JZ863：負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，其工作的波特率、數(shù)據(jù)位等應(yīng)于單片機相符。

（4）LCD12864、LED：顯示溫度，指示工作狀態(tài)和報警。

子機電路的組成主要有：

單片機 STC12C5A60S2：整個電路的核心，數(shù)據(jù)處理和控制，控制18B20工作來獲得溫度數(shù)據(jù)，加以處理，并將其傳給主機，在空閑時還可以作為任何子機和主機的路由，且可以控制LED來顯示各個部分的工作狀態(tài)和報警。

MAX232、9針串口的接口：用于程序的下載和無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸。

無線收發(fā)模塊JZ863：負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。

溫度傳感器18B20：溫度的采集。

嵌入式軟件程序框圖如圖2。

主程序功能：實現(xiàn)接受各個子機發(fā)來的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)的處理。當(dāng)主機得到某個子機的溫度時，返回接受信號，并根據(jù)接受的數(shù)據(jù)來判斷子機的工作情況是否正常，溫度是否超過警戒溫度等。單片機控制LCD12864和LED顯示出這些結(jié)果。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)同時提供信息管理系統(tǒng)，開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2005，以便及時、準(zhǔn)確地收集、加工、存儲、傳遞和提供信息，實現(xiàn)組織中各項活動的管理、調(diào)節(jié)和控制，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行需求分析和系統(tǒng)設(shè)計；實現(xiàn)了VS.NET與數(shù)據(jù)庫Access無縫結(jié)合，以便實時管理，監(jiān)控數(shù)據(jù)，并能存儲，查詢歷史數(shù)據(jù)，從中尋找規(guī)律，做出對比分析。

3.1 整體設(shè)計

機場跑道溫度監(jiān)控信息管理系統(tǒng)不僅可以實時顯示當(dāng)時當(dāng)日的溫度信息，同時也支持歷史溫度查詢功能，如圖3為機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

系統(tǒng)由主窗體控制開啟監(jiān)控、關(guān)閉監(jiān)控以及今日記錄顯示、歷史記錄查詢等功能。如圖4為機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)流程圖。

3.2 開發(fā)工具與開發(fā)平臺

機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)是一個實用性項目。該項目充分考慮了硬件及軟件兩部分的結(jié)合，較為完善的處理了機場跑道溫度的實時監(jiān)控。

機場跑道溫度監(jiān)控系統(tǒng)使用的開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio 2005，使用兩種開發(fā)平臺，開發(fā)用計算機是Microsoft Windows 2003 Server中文版。它提供了強大的容錯性能，為新一代的開發(fā)工具以及文件打印傳輸?shù)忍峁┚W(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。多平臺和對稱處理，它支持Intel、RISC、Power PC等微處理器，并提供支持多CPU的能力。多任務(wù)和多線程，它是一個搶占式多任務(wù)多線程的操作系統(tǒng)，不同類型的程序可同時運行。服務(wù)器版的操作系統(tǒng)與.NET的開發(fā)平臺結(jié)合非常好，適宜構(gòu)建.NET類開發(fā)軟件的環(huán)境。

Microsoft Visual Studio 2005是新一代的.NET開發(fā)平臺，它基于 Internet，為傳統(tǒng)的Windows API和服務(wù)提供全新的編程接口，并融合了微軟開發(fā)類軟件的各種技術(shù)，包括了COM+組件服務(wù)，ASP WEB開發(fā)技術(shù)，對XML的全面支持等。該開發(fā)工具具有跨語言的特性，支持多種開發(fā)語言的互操作性，用某種語言編寫的程序被編譯成中間代碼，編譯好的代碼可以與從其他語言編譯過來的代碼交互，結(jié)合使用。

圖2 嵌入式軟件程序框圖

圖3 軟件結(jié)構(gòu)圖

圖4 軟件流程圖

4 結(jié)束語

明了本系統(tǒng)所獨有先進(jìn)性、實用性與可靠性，這些決定了該項研究具有廣闊的應(yīng)用前景，并具有廣泛的社會效益和經(jīng)濟效益。

本項目根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)機場跑道溫度測量系統(tǒng)的空白狀態(tài)，提出了一種基于無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的組網(wǎng)設(shè)計方案，并提出了相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)，最終既實現(xiàn)了機場跑道溫度實時監(jiān)控的目標(biāo)，完成了機場內(nèi)部運行所需的功能，且保障了整個系統(tǒng)運行狀況良好。目前已經(jīng)成功的應(yīng)用于大連周水子國際機場，取得了較好的效果，從而也證

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