基于ARM的無線氣象數據通信系統(tǒng)設計

摘要：為了實現自動氣象站無線化、網絡化的需要，開發(fā)了一種基于ARM、嵌入式Linux和CC2530構建的無線氣象數據通信系統(tǒng)。對系統(tǒng)軟硬件設計和通信流程進行了闡述。采用跨平臺能力強的Qt作為開發(fā)工具，設計并實現了一個帶有圖形用戶界面的嵌入式系統(tǒng)，提出新的數據幀格式，實現了氣象數據準確、高效傳輸。結果表明，系統(tǒng)具有低成本、高可靠性以及較好的實用性。
關鍵詞：ARM；CC2530；嵌入式系統(tǒng)；數據通信；無線傳感器網絡

    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。
    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據輸入，利用嵌入式Qt的開發(fā)優(yōu)勢并設計數據通信格式，完成無線氣象數據通信系統(tǒng)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(tǒng)的基本組成
    如圖1所示，無線氣象數據通信系統(tǒng)主要由無線傳感器網絡節(jié)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(jié)點將采集到的氣象數據定時發(fā)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(guī)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(fā)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。此外，系統(tǒng)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。

[!--empirenews.page--]
    CC2530與S3C2440AL之間采用串口通信，其連接如圖2所示。CC2530的串行數據發(fā)送端P0_3與S3C2440AL的串行數據接收端RXD1相連，CC25 30的串行數據接收端P0_2與S3C2440AL的串行數據發(fā)送端TXD1相連。此處將CC2530的設備類型設置為協調器，實現無線接收各個傳感器節(jié)點發(fā)送的氣象數據。
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(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作為數據通信器軟件的開發(fā)工具，主要包括數據接收顯示、存儲以及發(fā)送給遠程服務器等功能。
    系統(tǒng)為了保證氣象數據有效、高效、可靠地通信，該系統(tǒng)建立了如表1所示的數據幀格式。

    協調器每次給數據通信器發(fā)送10字節(jié)數據，其中以“#”為起始符，緊跟4字節(jié)浮點數，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)，它由協調器節(jié)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(fā)。[!--empirenews.page--]
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(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。[!--empirenews.page--]
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(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，可以用來實現其他標準協議也可以用來實現自定義的協議。OTcpSocket采用異步工作方式，它依靠Qt事件循環(huán)發(fā)現外來數據和向外發(fā)送數據，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相關聯進行處理。服務器設置界面如圖5所示。

    下面是網絡傳輸相應槽函數：
   
   

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(tài)顯示各傳感器節(jié)點發(fā)來的氣象數據。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(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。