基于ARM的無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)自動氣象站無線化、網(wǎng)絡(luò)化的需要，開發(fā)了一種基于ARM、嵌入式Linux和CC2530構(gòu)建的無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。對系統(tǒng)軟硬件設(shè)計和通信流程進(jìn)行了闡述。采用跨平臺能力強(qiáng)的Qt作為開發(fā)工具，設(shè)計并實現(xiàn)了一個帶有圖形用戶界面的嵌入式系統(tǒng)，提出新的數(shù)據(jù)幀格式，實現(xiàn)了氣象數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、高效傳輸。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有低成本、高可靠性以及較好的實用性。
關(guān)鍵詞：ARM；CC2530；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)據(jù)通信；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

    自動氣象站數(shù)據(jù)采集器一般基于單片機(jī)或PC／104總線控制器設(shè)計，具有與PC兼容性好、功耗低、體積緊湊等特點，然而如何設(shè)計出功能強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)傳輸功能強(qiáng)的自動氣象站數(shù)據(jù)采集器，滿足現(xiàn)代氣象檢測的要求，是一個值得研究的課題。
    文中基于ARM微處理器和Linux操作系統(tǒng)平臺，借助前端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)輸入，利用嵌入式Qt的開發(fā)優(yōu)勢并設(shè)計數(shù)據(jù)通信格式，完成無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸。為天氣預(yù)報、科學(xué)研究、氣象災(zāi)害預(yù)警等提供實時的氣象觀測數(shù)據(jù)。

1 無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的基本組成
    如圖1所示，無線氣象數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)通信器(數(shù)據(jù)通信器以S3C2440AL為核心)、遠(yuǎn)程服務(wù)器等組成，完成對數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸和存儲等功能。數(shù)據(jù)的采集基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點將采集到的氣象數(shù)據(jù)定時發(fā)送給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過RS232接口傳給數(shù)據(jù)通信器，數(shù)據(jù)通信器按氣象數(shù)據(jù)處理規(guī)范對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，一方面顯示在液晶顯示屏上，另一方面經(jīng)以太網(wǎng)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器。此外，數(shù)據(jù)通信器保存接收的數(shù)據(jù)。

2 硬件電路設(shè)計
2．1 CC2530與S3C2440AL的連接
    CC2530是TI公司以C51為內(nèi)核的ZigBee芯片，它支持IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBee RF4CE標(biāo)準(zhǔn)，提供101 dB的鏈路質(zhì)量，具有高接收靈敏度和強(qiáng)抗干擾性，同時具有低功耗、低成本、時延短、高安全等特點。此外，系統(tǒng)采用Samsung S3C2440AL來實現(xiàn)高分辨率彩色顯示、觸摸控制、高速數(shù)據(jù)處理及管理、網(wǎng)絡(luò)接口擴(kuò)展等需要。

[!--empirenews.page--]
    CC2530與S3C2440AL之間采用串口通信，其連接如圖2所示。CC2530的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P0_3與S3C2440AL的串行數(shù)據(jù)接收端RXD1相連，CC25 30的串行數(shù)據(jù)接收端P0_2與S3C2440AL的串行數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD1相連。此處將CC2530的設(shè)備類型設(shè)置為協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)無線接收各個傳感器節(jié)點發(fā)送的氣象數(shù)據(jù)。
2．2 S3C2440AL外圍電路設(shè)計
    由于系統(tǒng)需要移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)、安裝微型數(shù)據(jù)庫、運行可視化應(yīng)用程序、存儲氣象數(shù)據(jù)以及將數(shù)據(jù)經(jīng)過以太網(wǎng)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，需要擴(kuò)展液晶顯示器、外部存儲器、以太網(wǎng)控制器等。液晶顯示屏采用320x240分辨率的3．5英寸觸摸真彩液晶屏，SDRAM采用H57V25 62GTR，NANDFLASH采用K9F1216UOA，以太網(wǎng)控制器采用單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器DM9000。S3C2440AL部分外圍電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計
    下位機(jī)軟件的核心是串口通信以及Socket通信。系統(tǒng)采用Qt4．5．0、Qt Creator 1．3．0作為數(shù)據(jù)通信器軟件的開發(fā)工具，主要包括數(shù)據(jù)接收顯示、存儲以及發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器等功能。
    系統(tǒng)為了保證氣象數(shù)據(jù)有效、高效、可靠地通信，該系統(tǒng)建立了如表1所示的數(shù)據(jù)幀格式。

    協(xié)調(diào)器每次給數(shù)據(jù)通信器發(fā)送10字節(jié)數(shù)據(jù)，其中以“#”為起始符，緊跟4字節(jié)浮點數(shù)，第6字節(jié)表示氣象要素類型，第8和第9字節(jié)分別為CRC檢測的高位和低位，最后以“*”結(jié)束。CRC域是兩個字節(jié)，它由協(xié)調(diào)器節(jié)點計算后加入到數(shù)據(jù)中，數(shù)據(jù)通信器對校驗信息進(jìn)行檢查，若無錯則接收該數(shù)據(jù)，否則放棄該數(shù)據(jù)并請求重發(fā)。[!--empirenews.page--]
3．1 串口通信程序設(shè)計
    協(xié)調(diào)器通過串口與數(shù)據(jù)通信器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，所以在程序設(shè)計時需要對串口的波特率、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗、停止位以及數(shù)據(jù)流控制進(jìn)行設(shè)置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。通過任務(wù)接口定時讀寫串口數(shù)據(jù)，查看協(xié)調(diào)器是否有數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入隊列供界面顯示、存儲以及發(fā)送。串口設(shè)置界面如圖4所示。

    下面是串口設(shè)置的部分代碼：
   
    其中，getPortSettings()函數(shù)返回一個PortSettings型變量，包含了對波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等的設(shè)置，getPortName()函數(shù)返回字符串型變量，用于串口號的設(shè)置。[!--empirenews.page--]
3．2 網(wǎng)絡(luò)通信程序設(shè)計
    網(wǎng)絡(luò)傳輸是本設(shè)計的主要任務(wù)之一，將數(shù)據(jù)通信器接收的數(shù)據(jù)經(jīng)過Socket發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器。而Qt提供了QTcpSocket類，用于編寫TCP客戶端的應(yīng)用程序。QTcpSocket類提供了一個有緩沖的TCP連接，可以用來實現(xiàn)其他標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議也可以用來實現(xiàn)自定義的協(xié)議。OTcpSocket采用異步工作方式，它依靠Qt事件循環(huán)發(fā)現(xiàn)外來數(shù)據(jù)和向外發(fā)送數(shù)據(jù)，并以信號的方式報告狀態(tài)的改變或產(chǎn)生的錯誤，一旦網(wǎng)絡(luò)的某一種狀態(tài)發(fā)生改變(如網(wǎng)絡(luò)斷開)，就會發(fā)出信號(如connectionClosed())，再通過信號與槽函數(shù)相關(guān)聯(lián)進(jìn)行處理。服務(wù)器設(shè)置界面如圖5所示。

    下面是網(wǎng)絡(luò)傳輸相應(yīng)槽函數(shù)：
   
   

4 結(jié)論
    首次使用時，在系統(tǒng)設(shè)置界面對服務(wù)器地址、服務(wù)器端口、經(jīng)度、緯度、臺站號進(jìn)行設(shè)置，在串口設(shè)置界面對串口的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等信息進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置完成后連接服務(wù)器并打開串口，在數(shù)據(jù)顯示界面將會實時動態(tài)顯示各傳感器節(jié)點發(fā)來的氣象數(shù)據(jù)。與服務(wù)器的連接狀態(tài)等信息在程序狀態(tài)欄會有相關(guān)提示，一旦與服務(wù)器斷開，系統(tǒng)將會自動連接服務(wù)器并將這段時間內(nèi)收到的數(shù)據(jù)保存起來等待連接成功后重新發(fā)送。
    系統(tǒng)已經(jīng)完成制作調(diào)試，效果良好，可以成功地實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、處理、存儲、網(wǎng)絡(luò)連接以及網(wǎng)絡(luò)異常處理等功能。本系統(tǒng)低成本、無布線、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點，在自動氣象站應(yīng)用中具有廣泛的潛在市場和應(yīng)用空間。