為提高環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，節(jié)約系統(tǒng)資源，提出了一種由下位機(jī)、傳輸網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)組成的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)中下位機(jī)的硬件及軟件設(shè)計(jì)。該下位機(jī)硬件以ARM9處理器S3C2410為核心，軟件采用多線程應(yīng)用程序同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，并采用信號(hào)量和互斥量實(shí)現(xiàn)線程間的同步。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)效率。

0引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)及工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)越來越受到重視。現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，但性能不穩(wěn)定?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端大多采用工控機(jī)或單片機(jī)，前者抗干擾性能好，但成本較高；后者處理能力低，人機(jī)界面不友好，不利于現(xiàn)場(chǎng)人員的監(jiān)控管理。針對(duì)上述問題，筆者設(shè)計(jì)了一種基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多線程技術(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控過程中數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、下位機(jī)（監(jiān)控終端）與上位機(jī)（監(jiān)控中心）的通信、實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。本文重點(diǎn)介紹該系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端（下位機(jī)）、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心（上位機(jī)）3個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

下位機(jī)是一個(gè)基于A RM9的嵌入式系統(tǒng)，用于定時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)被監(jiān)測(cè)的特征數(shù)據(jù)。經(jīng)過下位機(jī)處理后的數(shù)據(jù)，按照相關(guān)協(xié)議，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)由一臺(tái)PC機(jī)擔(dān)任，負(fù)責(zé)接收多個(gè)下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。環(huán)保部門可通過上位機(jī)監(jiān)控其轄區(qū)內(nèi)的污染排放狀況。上位機(jī)基于VB. NET開發(fā)。

2下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的硬件核心部分由S3C2410、NandFLASH和SDRAM組成，如圖2所示。S3C2410是三星公司生產(chǎn)的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器，帶有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)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，其運(yùn)行頻率可達(dá)203 MHz.8位64 MB的Nand FLASH選用的芯片為K9F1208， 64 MB的SDRAM由2片HY57V561620組成。下位機(jī)通過以太網(wǎng)控制器CS8900A擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口，數(shù)據(jù)既可以通過無線傳輸，也可以通過有線傳輸；通過I/ O接口擴(kuò)展了8個(gè)DI口（數(shù)字量輸入）、4個(gè)AI口（模擬量輸入）、4個(gè)DO口（數(shù)字量輸出），下位機(jī)通過這些接口與被監(jiān)控設(shè)備通信。

圖2下位機(jī)硬件組成

3下位機(jī)的需求與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

下位機(jī)定時(shí)采集、處理現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，并響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送的控制命令。因此，下位機(jī)需要同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，這些任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。若使用單線程來完成這些任務(wù)，則需要使用多個(gè)定時(shí)器來觸發(fā)，而過多的定時(shí)器會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Window s是搶先式多任務(wù)的操作系統(tǒng)，啟動(dòng)了一個(gè)應(yīng)用程序就等于啟動(dòng)了一個(gè)進(jìn)程。一個(gè)進(jìn)程通常擁有一個(gè)線程，在系統(tǒng)資源管理中，每一個(gè)線程被分配一定的時(shí)間片。采用多線程的設(shè)計(jì)方法可以使程序擁有多個(gè)線程，這樣程序就能同時(shí)處理更多的任務(wù)。因此，若使用多個(gè)進(jìn)程來協(xié)作完成，能避免上述缺點(diǎn)且系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程的頻繁調(diào)度會(huì)占用過多資源，程序的可讀性也不好。

筆者采用一種并行的、多線程方案能夠很好地處理多個(gè)任務(wù)，并充分節(jié)約系統(tǒng)資源。該方案中，下位機(jī)有5個(gè)線程：GU I線程、復(fù)位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程、網(wǎng)絡(luò)通信線程、決策線程。其中GU I線程為主線程，負(fù)責(zé)界面處理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始化以及創(chuàng)建子線程等任務(wù)；復(fù)位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程、網(wǎng)絡(luò)通信線程是后臺(tái)的工作線程，通過優(yōu)先級(jí)調(diào)度、線程同步等機(jī)制保證能可靠執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、發(fā)送、顯示等任務(wù)。復(fù)位線程在啟動(dòng)后循環(huán)地對(duì)看門狗操作，不作為任務(wù)處理線程。任務(wù)線程之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3任務(wù)線程之間的關(guān)系

4多線程技術(shù)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

4. 1線程的創(chuàng)建

Linux環(huán)境下，使用pthread_cr eate（）函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)新線程，默認(rèn)情況下主線程會(huì)等待被創(chuàng)建的子線程執(zhí)行結(jié)束，得到子線程的返回結(jié)果然后再繼續(xù)往后執(zhí)行。實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的子線程都是循環(huán)執(zhí)行的，不需要運(yùn)行結(jié)束后歸并到主線程中，需設(shè)置其屬性為PT HREAD _ CREATE _DETACHED.根據(jù)子線程的重要性進(jìn)行優(yōu)先級(jí)設(shè)置，確保重要線程優(yōu)先執(zhí)行。子線程的優(yōu)先級(jí)從高到低依次為復(fù)位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程、決策線程、網(wǎng)絡(luò)通信線程。

線程的創(chuàng)建、設(shè)置偽代碼如下：

void * thr ead_wat chdog（void * arg）； / /復(fù)位線程函數(shù)

void * thr ead_collect ion（void * arg）； / /數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程函數(shù)

void * thr ead_communi cat ion（void * arg）； / /網(wǎng)絡(luò)通信線程函數(shù)

void * thr ead_decis e（void * arg）； / /決策線程函數(shù)

int dat a[ 12] ； / /數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，用于存放線程間共享的數(shù)據(jù)函數(shù)

main（）

{

/ /初始化工作

……

pthread_t wat chd og； / /線程號(hào)

pthread_t collect ion；

pthread_t commun ication；

pthread_t deci se；

pthread_at t r_init（）； / /初始化線程屬性

pthread_at t r_setdetach st at e（）； / /不對(duì)線程進(jìn)行重新歸并

pthread_at t r_set s ched param（）； / /設(shè)置線程的優(yōu)先級(jí)

sem_init（）； / /對(duì)相關(guān)信號(hào)量進(jìn)行初始化

pth read_creat e（）； / /創(chuàng)建新線程

/ /啟動(dòng)GUI程序

……

}