基于ARM、嵌入式Linux和CC2530構建的無線氣象數(shù)據通信系統(tǒng)開發(fā)

自動氣象站數(shù)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(shù)據采集器，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絡的數(shù)據輸入，利用嵌入式Qt的開發(fā)優(yōu)勢并設計數(shù)據通信格式，完成無線氣象數(shù)據通信系統(tǒng)的設計，實現(xiàn)了數(shù)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(shù)據。

1 無線氣象數(shù)據通信系統(tǒng)的基本組成
如圖1所示，無線氣象數(shù)據通信系統(tǒng)主要由無線傳感器網絡節(jié)點、協(xié)調器、數(shù)據通信器(數(shù)據通信器以S3C2440AL為核心)、遠程服務器等組成，完成對數(shù)據的采集、處理、傳輸和存儲等功能。數(shù)據的采集基于CC2530的無線傳感器網絡，傳感器節(jié)點將采集到的氣象數(shù)據定時發(fā)送給協(xié)調器，再由協(xié)調器將數(shù)據通過RS232接口傳給數(shù)據通信器，數(shù)據通信器按氣象數(shù)據處理規(guī)范對接收到的數(shù)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(fā)送到遠程服務器。此外，數(shù)據通信器保存接收的數(shù)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。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(shù)據發(fā)送端P0_3與S3C2440AL的串行數(shù)據接收端RXD1相連，CC25 30的串行數(shù)據接收端P0_2與S3C2440AL的串行數(shù)據發(fā)送端TXD1相連。此處將CC2530的設備類型設置為協(xié)調器，實現(xiàn)無線接收各個傳感器節(jié)點發(fā)送的氣象數(shù)據。
2．2 S3C2440AL外圍電路設計
由于系統(tǒng)需要移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)、安裝微型數(shù)據庫、運行可視化應用程序、存儲氣象數(shù)據以及將數(shù)據經過以太網發(fā)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部分外圍電路如圖3所示。

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(tǒng)采用Qt4．5．0、Qt Creator 1．3．0作為數(shù)據通信器軟件的開發(fā)工具，主要包括數(shù)據接收顯示、存儲以及發(fā)送給遠程服務器等功能。
系統(tǒng)為了保證氣象數(shù)據有效、高效、可靠地通信，該系統(tǒng)建立了如表1所示的數(shù)據幀格式。

協(xié)調器每次給數(shù)據通信器發(fā)送10字節(jié)數(shù)據，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“*”結束。CRC域是兩個字節(jié)，它由協(xié)調器節(jié)點計算后加入到數(shù)據中，數(shù)據通信器對校驗信息進行檢查，若無錯則接收該數(shù)據，否則放棄該數(shù)據并請求重發(fā)。

3．1 串口通信程序設計

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

下面是串口設置的部分代碼：

其中，getPortSettings()函數(shù)返回一個PortSettings型變量，包含了對波特率、數(shù)據位、停止位等的設置，getPortName()函數(shù)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(shù)據通信器接收的數(shù)據經過Socket發(fā)送給遠程服務器。而Qt提供了QTCPSocket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(xiàn)其他標準協(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)據和向外發(fā)送數(shù)據，并以信號的方式報告狀態(tài)的改變或產生的錯誤，一旦網絡的某一種狀態(tài)發(fā)生改變(如網絡斷開)，就會發(fā)出信號(如connectionClosed())，再通過信號與槽函數(shù)相關聯(lián)進行處理。服務器設置界面如圖5所示。

下面是網絡傳輸相應槽函數(shù)：



4 結論
首次使用時，在系統(tǒng)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(shù)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(shù)據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。與服務器的連接狀態(tài)等信息在程序狀態(tài)欄會有相關提示，一旦與服務器斷開，系統(tǒng)將會自動連接服務器并將這段時間內收到的數(shù)據保存起來等待連接成功后重新發(fā)送。
系統(tǒng)已經完成制作調試，效果良好，可以成功地實現(xiàn)數(shù)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(tǒng)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。