基于JBoss的高速公路路域氣象信息采集與發布系統設計*

溫立民， 巨永鋒， 朱　旭， 閆茂德， 張昌利

(1.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064)

基于JBoss的高速公路路域氣象信息采集與發布系統設計*

溫立民1， 巨永鋒1， 朱旭1， 閆茂德1， 張昌利2

(1.長安大學 電子與控制工程學院，陜西 西安 710064；2.長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064)

摘要:路域氣象信息采集與發布是減少交通事故的重要環節。搭建基于JBoss的C/S架構公路路域監控與氣象預警聯網聯控系統；采用ARM+Linux技術設計了高速公路路面實時監控系統與氣象信息采集終端。系統可為司機提供現場實時氣象信息，實現氣象信息共享，為高速公路的指揮、調度提供評判依據。經現場安裝測試表明：系統運行良好，實測溫度誤差小于0.1 ℃，風速誤差小于2 %，雨量誤差小于3 %，可滿足高速公路對氣象信息采集與發布的需要。

關鍵詞：路域氣象； JBoss； ARM+Linux； 數據采集； 信息發布

0引言

氣象信息對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報對減少交通事故率特別是危險路段的事故率起著關鍵性的作用[1～4]。每年我國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布系統是急需解決的問題[5～7]。國外一些發達國家，如芬蘭、美國、日本等已經建立了比較完善的氣象信息系統[8～10]。我國在高速公路路域氣象信息方面的研究起步較晚，且較為獨立，或偏重于采集或偏重于信息發布，沒有建立完善的采集與發布體系[11～13]。

氣象采集終端通常野外安裝，對功效要求較高，通常采用ARM微處理器作為硬件處理核心，Linux性能穩定，自從其誕生之日起就廣受青睞，特別是其對圖像和網絡強大支持。本文采用ARM+Linux搭建氣象信息采集硬件系統[14，15]；對于上位機采用JBoss構建氣象信息處理與發布平臺。系統經現場安裝測試后運行良好，可滿足高速公路對氣象信息采集與發布的需要。

1路域氣象平臺總體設計

1.1信息采集和發布平臺架構

系統的總體結構如圖1所示，主要包含三個部分：基于ARM+Linux的氣象信息采集終端、氣象信息數據庫和數據庫中數據的管理、以及基于JBoss的氣象預警信息發布系統。數據采集硬件終端采用ARM11處理器和Linux嵌入式操作系統，主要負責下位機氣象數據采集與處理，并將處理后的數據通過以太網上傳給上位機。

氣象信息數據庫采用MySQL數據庫。氣象預警信息發布系統是聯系底層采集系統和數據庫的中介，系統讀取數據庫中數據進行分析，一旦發現所檢測的數據超過設定的警戒值，就啟動報警信號并通過文件發布系統將報警信號發送給接收終端和管理人員。如果沒有發生報警情況，數據采集系統采集的數據也會定時發送給各移動終端和用戶，同時通過信息發布系統存儲到數據庫中。

圖1　氣象信息采集和發布平臺整體框架Fig 1　Framework of acquisition and publishing platform formeteorological information

1.2氣象信息采集終端硬件設計

數據采集終端架構如圖2所示，ARM數據采集板通過傳感器調理電路采集攝像頭、溫濕度、大氣壓力、風速、雨量等氣象數據，采集的數據經網絡傳送到以JBoss為核心的網絡共享平臺。

對于主控制器的選擇，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，在人機交互及視頻、網絡支持上也較為突出，更重要的是其內部有對Linux支持的MMU單元。Linux對圖像和網絡支持較強大，所以,本設計在硬件終端上移植了Linux操作系統。終端除了采集圖像信息外，還需采集溫濕度、風速風向、雨量等信息，所有的氣象信息經整合后通過網口上傳給上位機，以實現高速公路氣象信息的聯網聯控。

圖2　氣象信息采集終端結構圖Fig 2　Structure of meteorologial information collection terminal

在氣象數據采集中，現場圖像的采集與處理較復雜，也是氣象站實現的關鍵，因此,本文將重點闡述圖像數據采集與處理。圖像采集攝像頭目前有模擬和數字兩種，但模擬攝像頭比數字攝像頭在成本上更具優勢。在高速公路要多點布設采集攝像頭以組建視頻采集網絡，出于成本考慮,采用模擬攝像頭采集現場信息，這要求實現模擬信號到數字信號的轉換。采用TVP5150實現圖像信息的A/D轉換。TVP5150是高性能的A/D轉換芯片，使用方便，MCU通過I2C接口即可實現對TVP5150的初始化。

1.3氣象采集終端軟件設計

氣象數據采集系統Linux軟件分為三層：驅動層、Linux內核層和應用層，如圖3所示。驅動層包括攝像頭驅動、網卡驅動、溫濕度等六要素驅動。內核層是系統層，是應用層與驅動層數據傳遞的橋梁。應用層將內核層傳遞來的數據處理打包后上傳，應用層設置了3個進程：圖像采集進程cam_threads()、六要素(溫濕度、壓力、風速、風向、雨量)采集進程weather_threads()、網絡監聽進程。

圖3　系統軟件架構圖Fig 3　Architecture of system software

圖像采集需要傳輸的數據量大，在處理過程中不允許切換，除了采取上鎖的機制外，將其設置為單獨進程進行處理，而其他六要素采集則在另一個進程中處理。網絡監聽進程有兩個任務：1)接收處理來自圖像采集進程和六要素采集進程發送來的數據；2)負責監聽來自遠程網絡的請求。一旦有遠程請求，并驗證是向本機發出的請求，則將數據包上傳。

2路域氣象站實現

2.1路域氣象采集終端硬件實現

氣象采集終端硬件包括視頻采集、風速、風向、溫濕度、雨量等采集，其中較為復雜的是視頻采集、風速風向采集模塊，故本文對視頻采集、風速風向采集做重點闡述。

1)圖像采集硬件電路：TVP5150是TI公司生產的高性能視頻處理芯片，采用I2C接口方式對芯片進行初始化輸入，因此，該芯片被廣泛用于模擬到數字視頻信號轉換中，芯片可輸入兩路模擬視頻信號，兩路模擬視頻轉換通道完全相同，但任意時刻只能選擇其中的一路，輸入信號格式提供PAL和NTSC制等制式供用戶選擇。芯片帶硬件自適應濾波器和自適應放大器，可根據輸入信號調節濾波和放大比例，減少了硬件設計的工作量；芯片輸出8位數字量信息和行場控制信號，輸出信號格式是ITU—RBT601和ITU—RBT565，為與S3C6410兼容本項目選擇內嵌565格式。TVP5150接口電路如圖4所示。系統攝像頭選擇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)風速風向采集電路：風速風向一體化傳感器，風向輸出的是格雷碼信號，風速輸出的是脈沖信號，但風速風向信號電平為5V，而S3C6410 的I/O引腳電平為3.3V，所以，需要對電平進行電壓轉換。本文采用74LS4245芯片進行調理，74LS4245雙向8入8出電平轉換芯片，電平可以在3.3V和5V間互相轉換，本文采用74LS4245將傳感器輸出的5V電平轉換為S3C6410的I/O電平3.3V。

2.2路域氣象終端軟件實現

1)驅動程序設計

由于需要采集的傳感器種類較多，各個傳感器間信號的輸出方式不同，需對每種傳感器分別編寫或移植驅動程序，包括：圖像采集驅動編寫與移植；風速風向驅動的編寫與移植；雨量驅動的編寫與移植；溫濕度驅動編寫與移植。圖像采集驅動分為兩個部分：TVP5150初始化和圖像數據處理。TVP5150初始化包括芯片的管腳初始化，型號識別和驅動注冊。TVP5150通過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相應管腳初始化為I/O工作方式；TVP5150要求使用前先確認芯片型號，所以，驅動程序首先通過I2C總線詢問芯片的管腳型號，得到確認后方可對芯片進行后面的初始化和處理。風速雨量驅動程序的編寫包括設備號、打開和讀、寫函數的注冊，這一點與圖像采集TVP5150驅動編寫一樣，不同的是信號的采集方式不同，操作方式也就不同。風速雨量傳感器輸出的是脈沖信號，即單位時間內所輸出的脈沖個數越多，風速越強或雨量越大。風速雨量的信號通過I/O的方式接入微控制器S3C6410。S3C6410設有24個外部中斷源EINT1～EINT24，每個中斷源設有不同的優先級別，中斷源可以是高低電平觸發方式和邊緣觸發方式。根據風速、雨量信號的特點，采用邊沿觸發方式，對于風速雨量的采集就轉換為在中斷服務函數中對各自的脈沖進行計數。圖5為氣象采集終端安裝圖。

圖5　氣象采集終端結構Fig 5　Terminal structure of meteorologial collection

2)采集系統應用程序設計

采集應用程序是對各個驅動程序的整合，將驅動程序采集的數據存儲并打包后上傳給上位機。應用程序與驅動程序的中間橋梁是內核層，對于應用程序而言，每個設備都是文件，應用程序通過內核依次打開設備所對應的文件，讀取參數信息，并將參數信息打包上傳。

3)信息發布系統實現

氣象信息發布平臺基于JBossSeam開發采用C/S架構的系統，功能模塊如圖6所示，系統共6個功能模塊，即用戶登錄模塊、圖表顯示模塊、站點歷史模塊、文件發布模塊、用戶管理模塊、設備管理模塊以及系統設置與幫助模塊。

圖6　氣象信息發布平臺結構Fig 6　Platform structure of meteorologial information publishing

3系統測試與數據分析

在高速氣象六參量數據中，風速和雨量的信息比較重要，對誤差的要求較高，所以，本文對風速、雨量數據著重進行分析。

1)風速數據分析：依上文所述風速傳感器輸出的是脈沖信號，對于采集系統而言即采集的是單位時間內的脈沖的個數(頻率信息)，頻率越大，風速越強，雨量越大。應用程序中以1s為采集單位，即1s的時間間隔內中斷的次數。傳感器頻率與風速的換算關系為1Hz對應風速0.05m/s，則據此可換算出風速。由于風速采集的是頻率信息，為測試數據定量分析方便，本文首先按表給系統輸入脈沖信號發生器輸出頻率的脈沖波代替風速傳感器給采集器提供信號以測試系統參數。

風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，經測試可知，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，采集風速數據如表1所示。

表1　風速中低頻段測試

圖7　風速測試數據分析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 %。整個測量誤差在允許范圍內。

2)雨量數據分析：雨量傳感器中分別注入100，250，500，1 000mL四個容量級別的水(用燒杯定量)，每個容量級別分別測試3次(如表2所示)。1,2,3所對應數據分別是注入100,250,500,1 000mL時使雨量桶上升的高度。測試結果如圖8所示(數據如表2)。從圖中可知，測試各點的雨量值都小于注入值，最大誤差值接近3 %，但誤差等級在允許誤差范圍內。產生誤差的主要原因：翻斗式雨量傳感器屬于機械裝置，翻斗在運動過程中會產生摩擦；翻斗反轉過程中水會產生飛濺；水會粘附在漏斗壁從而減少反轉次數，增加誤差等級。

表2　雨量傳感器注入水量計算

圖8　雨量測試數據分析Fig 8　Analysis on test data of rainfall

4結束語

本文介紹基于JBoss高速公路路域氣象信息采集和發布系統，闡述采用ARM+Linux架構搭建氣象采集終端。采集與發布系統實時采集并上傳視頻、風速與風向等信息。實測溫度誤差小于0.1 ℃，風速誤差小于2 %，雨量誤差小于3 %，經現場安裝測試運行良好，能滿足高速公路氣象實時信息采集與發布的需要，為減少高速公路特別是云貴山區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

*基金項目：西安市科技基金資助項目(CXY1512(9))；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(CHD2010JC127)

中圖分類號：TP 216

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)04—0111—05

作者簡介:

溫立民(1976-)，男，黑龍江寶清人，博士，講師，主要研究方向為數控技術與智能檢測。