由下位机、传输网络和上位机组成的环境监控系统的设计方案

为提高环境监控系统的稳定性，节约系统资源，提出了一种由下位机、传输网络和上位机组成的环境监控系统的设计方案，详细介绍了该系统中下位机的硬件及软件设计。该下位机硬件以ARM9处理器S3C2410为核心，软件采用多线程应用程序同时处理多个任务，并采用信号量和互斥量实现线程间的同步。实际应用表明，该系统运行稳定，提高了系统效率。

0引言

随着国民经济及工业技术的发展，环境保护越来越受到重视。现在市场上已经出现了多种环境监控系统，但性能不稳定。现场监控终端大多采用工控机或单片机，前者抗干扰性能好，但成本较高；后者处理能力低，人机界面不友好，不利于现场人员的监控管理。针对上述问题，笔者设计了一种基于多线程的环境监控系统。该系统采用多线程技术有效地实现了监控过程中数据的采集与存储、实时数据显示、下位机（监控终端）与上位机（监控中心）的通信、实时报警等功能。本文重点介绍该系统下位机的设计。

1系统总体结构

基于多线程的环境监控系统由现场监控终端（下位机）、传输网络、监控中心（上位机）3个部分组成，其结构如图1所示。
 

图1基于多线程的环境监控系统结构

下位机是一个基于A RM9的嵌入式系统，用于定时采集、处理、存储被监测的特征数据。经过下位机处理后的数据，按照相关协议，经GPRS模块发送给上位机。上位机由一台PC机担任，负责接收多个下位机发送的数据，并对这些数据进行分析、处理和显示。环保部门可通过上位机监控其辖区内的污染排放状况。上位机基于VB. NET开发。

2下位机硬件设计

下位机的硬件核心部分由S3C2410、NandFLASH和SDRAM组成，如图2所示。S3C2410是三星公司生产的一款基于ARM920T内核的32位RISC嵌入式微处理器，带有独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache、LCD控制器、RAM控制器、N and FLASH控制器、并行I/ O口、8路10位ADC，其运行频率可达203 MHz.8位64 MB的Nand FLASH选用的芯片为K9F1208， 64 MB的SDRAM由2片HY57V561620组成。下位机通过以太网控制器CS8900A扩展了一个网口，数据既可以通过无线传输，也可以通过有线传输；通过I/ O接口扩展了8个DI口（数字量输入）、4个AI口（模拟量输入）、4个DO口（数字量输出），下位机通过这些接口与被监控设备通信。
 

图2下位机硬件组成

3下位机的需求与结构设计

下位机定时采集、处理现场数据，并存储在数据库中，把实时数据发送给上位机，并响应上位机发送的控制命令。因此，下位机需要同时处理多个任务，这些任务并发执行。若使用单线程来完成这些任务，则需要使用多个定时器来触发，而过多的定时器会导致系统不稳定。Window s是抢先式多任务的操作系统，启动了一个应用程序就等于启动了一个进程。一个进程通常拥有一个线程，在系统资源管理中，每一个线程被分配一定的时间片。采用多线程的设计方法可以使程序拥有多个线程，这样程序就能同时处理更多的任务。因此，若使用多个进程来协作完成，能避免上述缺点且系统比较稳定，但系统对进程的频繁调度会占用过多资源，程序的可读性也不好。

笔者采用一种并行的、多线程方案能够很好地处理多个任务，并充分节约系统资源。该方案中，下位机有5个线程：GU I线程、复位线程、数据采集与存储线程、网络通信线程、决策线程。其中GU I线程为主线程，负责界面处理、系统数据的初始化以及创建子线程等任务；复位线程、数据采集与存储线程、网络通信线程是后台的工作线程，通过优先级调度、线程同步等机制保证能可靠执行现场数据采集、存储、发送、显示等任务。复位线程在启动后循环地对看门狗操作，不作为任务处理线程。任务线程之间的关系如图3所示。
 

图3任务线程之间的关系

4多线程技术在系统中的应用

4. 1线程的创建

Linux环境下，使用pthread_cr eate（）函数创建一个新线程，默认情况下主线程会等待被创建的子线程执行结束，得到子线程的返回结果然后再继续往后执行。实时监控程序的子线程都是循环执行的，不需要运行结束后归并到主线程中，需设置其属性为PT HREAD _ CREATE _DETACHED.根据子线程的重要性进行优先级设置，确保重要线程优先执行。子线程的优先级从高到低依次为复位线程、数据采集与存储线程、决策线程、网络通信线程。

线程的创建、设置伪代码如下：

void * thr ead_wat chdog（void * arg）； / /复位线程函数

void * thr ead_collect ion（void * arg）； / /数据采集与存储线程函数

void * thr ead_communi cat ion（void * arg）； / /网络通信线程函数

void * thr ead_decis e（void * arg）； / /决策线程函数

int dat a[ 12] ； / /数据缓冲区，用于存放线程间共享的数据函数

main（）

{

/ /初始化工作

……

pthread_t wat chd og； / /线程号

pthread_t collect ion；

pthread_t commun ication；

pthread_t deci se；

pthread_at t r_init（）； / /初始化线程属性

pthread_at t r_setdetach st at e（）； / /不对线程进行重新归并

pthread_at t r_set s ched param（）； / /设置线程的优先级

sem_init（）； / /对相关信号量进行初始化

pth read_creat e（）； / /创建新线程

/ /启动GUI程序

……

}