機場跑道溫度監控系統的設計與實現

楊德君，宋利民

（1.遼寧師范大學，遼寧 大連 116081； 2.大連海事大學，遼寧 大連 116026）

1 引言

航空運輸是隨著社會、經濟和技術進步發展起來的新型運輸方式。近年來，航空運輸憑借其舒適便捷的搭乘環境、日益低廉的機票價格以及其他交通工具望塵莫及的航行速度等巨大優勢一躍發展成為人們社會和經濟生活中必不可少的組成部分。

但與此同時，航空運輸安全很容易受氣候影響，這為其發展帶來很大的局限性。我們知道，世界各地的機場跑道在一年當中的溫度差距是很懸殊的。在烈日炎熱的夏季，機場跑道表面溫度高達40～60℃，跑道會因材料膨脹而擠壓變形，導致表面破損，使其平整度大大降低，給飛行器的起降造成安全隱患。而在大雪紛飛冰凍三尺的冬季，機場跑道表面溫度可達零下二十幾攝氏度，積雪積冰現象嚴重，經常造成飛行器沖出跑道、跑道入侵和跑道混淆等事故的發生，無法保證人民的生命財產安全。

由此可見，機場跑道溫度數據的實時測量對機場的飛行保障服務水平來說是至關重要的，讓飛行員充分掌握氣候和跑道環境信息是保障飛機安全起飛、著陸的一個關鍵環節。這正是絕大多數國內機場急需解決卻尚未解決的問題[1]。

本系統基于國內機場對跑道溫度實時測量設備的需求展開研究，進而設計并實現了機場跑道溫度監控系統。通過分析國內外機場跑道溫度測量現狀，提出了機場跑道溫度監控系統的重要性和必要性。研究無線數據傳輸技術，選擇合適的無線傳輸方式來構成系統的數據傳輸平臺，并搭建相應的硬件平臺，使數據可以遠程傳輸。利用開發工具Microsoft Visual Studio 2005，實現組織中各項活動的管理、調節和控制，并以此為基礎進行需求分析和系統設計。實現了 VS.NET[2]與數據庫Access無縫結合，以便實時管理，監控數據，并能存儲，查詢歷史數據，從中尋找規律，做出對比分析。

本文源于大連機場的一個實際項目，目前該項目在已在大連機場實際應用，反響良好。完成了設計出針對機場跑道的無線溫度測量系統信息管理系統的軟件設計：國內首次提出了利用.NET設計信息管理系統并與數據庫無縫結合的思想和方法。采用短距離無線通信技術，設計了溫度測量硬件與本系統的數據通信協議[3]，替代了國外的同類產品，具有極高的實用價值和經濟價值。

2 系統的硬件設計

機場跑道溫度監控系統的硬件設計以ATmega8微控制器為運行平臺，以DS18B20數字溫度傳感器為核心器件，綜合運用短距離無線通信技術完成了機場跑道溫度的實時采集與傳輸。其結構如圖1所示。

圖1 機場跑道溫度監控系統結構圖

整個系統的運行與控制主要由高性能的ATmega8微控制器完成，溫度測量模塊、電源轉換模塊、無線通信模塊以及顯示模塊協同單片機共同工作。整個系統主要包括以下幾個方面[6]：

（1）微控制器：即MCU，它是整個系統的中央處理單元，是最為核心的部分。

（2）電源部分：通過 LM2576穩壓集成電路給整個系統提供穩定的電壓利用LM1117系列芯片實現不同電壓的轉換。

（3）顯示部分：系統同時提供機場跑道溫度監控信息管理系統。

（4）無線通信：系統利用無線電臺組成的一個點對多點的無線通信網絡。無線電臺提供RS-232電平，采用232芯片實現轉換。從而實現無線數據通信。

（5）溫度測量[5]模塊：采用 DS18B20數字溫度傳感器為核心器件，將采集到的溫度傳送給主控模塊。采用DS18B20型單線智能溫度傳感器,屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業、民用、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統和大型設備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠等特點。

2.1 主控模塊的選擇

ATmega8的芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備AVR高檔單片機MEGE系列的全部性能和特點。而且性價比極高。再加上AVR單片機的ISP性能，用戶往往不需要購買昂貴的仿真器和編程器就可以進行單片機嵌入式系統的開發應用。ATmega8單片機采用了ATMEL的高密度費非易失性內存技術，片內Flash可以通過SPI接口、通用編程器及自引導BOOT程序進行編程和自編程。利用自引導BOOT程序，可以使用任一硬件接口下載應用程序，并寫入到Flash的應用程序區中。在更新Flash的應用程序區數據時，處在Flash的BOOT區中的自引導程序將繼續執行，實現了同時讀寫（Read-While-Write）的功能（芯片自編程功能）。由于將增強RISC8位CPU與在系統編程和在應用編程的 Flash存儲器集成在一個芯片內，ATmega8成為一個功能強大的單片機，為本系統的研發提供了一種靈活而低成本的解決方案。

2.2 串口通訊技術

為了使應用程序能夠與調制解調器進行通信，應用程序必須將命令發送到相應的串行端口。串口是計算機上一種非常通用設備通信的協議，為使計算機、電話以及其他通信設備互相溝通，現在，已經對串行通信[4]建立了幾個一致的概念和標準，這些概念和標準基本在四個方面體現：傳輸率，電特性，信號名稱和接口標準。

串口通信的概念屬于異步通信，數據需要一楨一楨的傳輸，需要起始位、數據段和校驗位。為了保證通信的正確性，發送端還需要在發送數據的時候，同時發送時鐘，發送時鐘決定了傳輸的速率。接口的接收波特率和發送波特率是可以通過編程分別設置的。串口通信中最重要的是RS-232-C標準：RS-232－C采用負邏輯規定邏輯電平，-5～-15V 規定為“1”，+5～+15V 規定為“0”。事實上 PC可以連接多個外圍設備，WINDOWS編程時需要通過調用通信驅動程序的API函數完成對數據的發送和接收。

2.3 短距離無線通信技術

采用短距離無線通信技術，設計了溫度測量硬件與本系統的數據通信協議，替代了國外的同類產品，具有極高的實用價值和經濟價值。

短距離無線通信網可以隨時隨地的進行數據通信[7-9]，減少了對有線連接的要求，提高了網絡的靈活性，并且因其可移動性、組網靈活性、應用范圍的廣泛性和傳輸速度快等優點。使得在家庭和辦公環境逐漸開始廣泛的應用。

2.4 系統硬件電路設計

這個系統的電路主要分兩個：主機電路和子機電路。主機主要用于接收子機的數據并顯示出來；子機用于采集溫度數據并把數據傳給主機，同時也用于轉發數據，相當于路由。

主機電路的組成主要由：

（1）單片機 STC12C5A60S2：整個電路的核心，數據處理和控制，接受子機傳來的數據，并返回相應的應答信號；由接受的信號來判斷是否報警、個單片機工作狀態是否正常，并由LCD12864顯示或者LED指示。

（2）MAX232、9針串口的接口：用于程序的下載和無線模塊的數據傳輸。

（3）無線收發模塊JZ863：負責無線數據的收發，其工作的波特率、數據位等應于單片機相符。

（4）LCD12864、LED：顯示溫度，指示工作狀態和報警。

子機電路的組成主要有：

單片機 STC12C5A60S2：整個電路的核心，數據處理和控制，控制18B20工作來獲得溫度數據，加以處理，并將其傳給主機，在空閑時還可以作為任何子機和主機的路由，且可以控制LED來顯示各個部分的工作狀態和報警。

MAX232、9針串口的接口：用于程序的下載和無線模塊的數據傳輸。

無線收發模塊JZ863：負責無線數據的收發。

溫度傳感器18B20：溫度的采集。

嵌入式軟件程序框圖如圖2。

主程序功能：實現接受各個子機發來的數據，判斷數據，并作出相應的處理。當主機得到某個子機的溫度時，返回接受信號，并根據接受的數據來判斷子機的工作情況是否正常，溫度是否超過警戒溫度等。單片機控制LCD12864和LED顯示出這些結果。

3 系統軟件設計

機場跑道溫度監控系統同時提供信息管理系統，開發工具是Microsoft Visual Studio 2005，以便及時、準確地收集、加工、存儲、傳遞和提供信息，實現組織中各項活動的管理、調節和控制，并以此為基礎進行需求分析和系統設計；實現了VS.NET與數據庫Access無縫結合，以便實時管理，監控數據，并能存儲，查詢歷史數據，從中尋找規律，做出對比分析。

3.1 整體設計

機場跑道溫度監控信息管理系統不僅可以實時顯示當時當日的溫度信息，同時也支持歷史溫度查詢功能，如圖3為機場跑道溫度監控系統的軟件系統結構圖。

系統由主窗體控制開啟監控、關閉監控以及今日記錄顯示、歷史記錄查詢等功能。如圖4為機場跑道溫度監控系統的軟件系統流程圖。

3.2 開發工具與開發平臺

機場跑道溫度監控系統的開發是一個實用性項目。該項目充分考慮了硬件及軟件兩部分的結合，較為完善的處理了機場跑道溫度的實時監控。

機場跑道溫度監控系統使用的開發工具是Microsoft Visual Studio 2005，使用兩種開發平臺，開發用計算機是Microsoft Windows 2003 Server中文版。它提供了強大的容錯性能，為新一代的開發工具以及文件打印傳輸等提供網絡基礎。多平臺和對稱處理，它支持Intel、RISC、Power PC等微處理器，并提供支持多CPU的能力。多任務和多線程，它是一個搶占式多任務多線程的操作系統，不同類型的程序可同時運行。服務器版的操作系統與.NET的開發平臺結合非常好，適宜構建.NET類開發軟件的環境。

Microsoft Visual Studio 2005是新一代的.NET開發平臺，它基于 Internet，為傳統的Windows API和服務提供全新的編程接口，并融合了微軟開發類軟件的各種技術，包括了COM+組件服務，ASP WEB開發技術，對XML的全面支持等。該開發工具具有跨語言的特性，支持多種開發語言的互操作性，用某種語言編寫的程序被編譯成中間代碼，編譯好的代碼可以與從其他語言編譯過來的代碼交互，結合使用。

圖2 嵌入式軟件程序框圖

圖3 軟件結構圖

圖4 軟件流程圖

4 結束語

明了本系統所獨有先進性、實用性與可靠性，這些決定了該項研究具有廣闊的應用前景，并具有廣泛的社會效益和經濟效益。

本項目根據當前國內機場跑道溫度測量系統的空白狀態，提出了一種基于無線數據傳輸技術的組網設計方案，并提出了相應的信息管理系統，最終既實現了機場跑道溫度實時監控的目標，完成了機場內部運行所需的功能，且保障了整個系統運行狀況良好。目前已經成功的應用于大連周水子國際機場，取得了較好的效果，從而也證

[1]王衛星, 周寧. 遙感圖像中機場跑道的檢測[J]. 重慶大學學報, 2010(1): 108-111.

[2]楊光. VS.NET平臺下的數據結構支持[J]. 吉林師范大學學報: 自然科學版, 2008(3): 160-162.

[3]DUNCAN MACKENZIE, KENT SHARKEY. 21天學通VisualBasie.NET [M]. 北京: 人民郵電出版社, 2002.

[4]于繁華. Access基礎教程[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2005.

[5]曹志剛, 錢亞生. 現代通信原理[M]. 北京: 清華大學出版社, 1992.

[6]趙蘭濤, 蘇彥華. Delphi串口通信技術與工程實踐[M].北京: 人民郵電出版社, 2004.

[7]李文仲, 段朝玉. 無線網絡技術入門與實戰[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2007.

[8]ROY BLAKE. 無線通信技術[M]. 周金萍, 唐伶俐,譯. 北京: 科學出版社, 2004.

[9]WINCH R G. Telecommunication transmission systems[M]. McGraw-Hill Inc, 1993.