基于嵌入式Linux的衛(wèi)星氣象控制與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王若玨　陳蘇婷

(南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　江蘇 南京 210044)

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基于嵌入式Linux的衛(wèi)星氣象控制與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王若玨陳蘇婷

(南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室江蘇 南京 210044)

摘要針對(duì)目前氣象控制及管理平臺(tái)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux平臺(tái)的氣象控制與管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托北斗衛(wèi)星通信實(shí)現(xiàn)了對(duì)各區(qū)域中各功能模塊的控制操作，并采用基于Linux平臺(tái)下的Qt圖形用戶界面開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)一套操作界面，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)區(qū)域氣象數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示、存儲(chǔ)等處理。通過(guò)LZW算法和固定位長(zhǎng)算法混合編碼實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的無(wú)損壓縮，進(jìn)一步提高了對(duì)自動(dòng)氣象站遠(yuǎn)程管理能力和氣象中心的便攜性、靈活性，為建立移動(dòng)氣象中心提供一種思路。

關(guān)鍵詞嵌入式系統(tǒng)北斗衛(wèi)星LZW算法固定位長(zhǎng)算法移動(dòng)氣象中心

0引言

我國(guó)是受自然災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家，為提高氣象服務(wù)的質(zhì)量，全國(guó)大量布設(shè)自動(dòng)氣象站和原地面氣象觀測(cè)站共同組成氣象觀測(cè)網(wǎng)。但我國(guó)幅員遼闊，沙漠、山區(qū)、海島等偏遠(yuǎn)地區(qū)電力、通信等基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱。特別有些地區(qū)有線、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)覆蓋，氣象數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題成為布設(shè)自動(dòng)氣象站決定因素。隨著我國(guó)自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的短報(bào)文通信在氣象數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它能充分利用衛(wèi)星通信覆蓋無(wú)盲點(diǎn)、全天候?qū)崟r(shí)通信、數(shù)據(jù)傳輸成本低、可靠性和安全性高的優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，大多數(shù)的氣象控制與管理系統(tǒng)都基于PC平臺(tái)，體積龐大，不易攜帶，工作效率低。

針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux平臺(tái)的氣象控制與管理系統(tǒng)。旨在運(yùn)用單個(gè)嵌入式終端遠(yuǎn)程控制并管理多個(gè)區(qū)域的自動(dòng)氣象站，解決整個(gè)控制管理系統(tǒng)便攜化、小型化的問(wèn)題，提供一種新型移動(dòng)氣象中心控制、管理系統(tǒng)構(gòu)建的新模式。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于嵌入式Linux平臺(tái)氣象控制與管理系統(tǒng)由嵌入式模塊、衛(wèi)星通信模塊和數(shù)據(jù)壓縮模塊組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。嵌入式模塊通過(guò)RS232串口與北斗用戶機(jī)0相連，實(shí)現(xiàn)指令發(fā)送、數(shù)據(jù)接收、處理和管理功能；北斗用戶機(jī)0與各區(qū)域所放置的北斗用戶機(jī)N(N為自然數(shù))通過(guò)北斗衛(wèi)星通信，保證了氣象中心與自動(dòng)氣象站所布區(qū)域的遠(yuǎn)程通信；數(shù)據(jù)壓縮模塊通過(guò)雙RS232串口分別與各區(qū)域北斗用戶機(jī)和區(qū)域自動(dòng)氣象站相連，實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的采集與壓縮。系統(tǒng)利用各用戶機(jī)的ID號(hào)不同，可實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式終端對(duì)全國(guó)多個(gè)已布自動(dòng)氣象站所在的多個(gè)區(qū)域進(jìn)行控制和氣象數(shù)據(jù)管理等功能。

圖1　系統(tǒng)框圖

1.2數(shù)據(jù)壓縮算法模型

考慮到北斗短報(bào)文通信頻度為1分鐘，其電文內(nèi)容單次最大字節(jié)為78.5字節(jié)[2]，而自動(dòng)氣象站1次采集數(shù)據(jù)量為180字節(jié)左右，故接收一條完整的數(shù)據(jù)的最小周期為3分鐘。為提高系統(tǒng)傳輸效率，系統(tǒng)需在各區(qū)域放置數(shù)據(jù)壓縮模塊，以提高氣象數(shù)據(jù)的傳輸效率。

本文以一種無(wú)人值守氣象站為例，自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)格式為：通信開(kāi)始標(biāo)志+命令+數(shù)據(jù)信息開(kāi)始標(biāo)記+數(shù)據(jù)內(nèi)容+通信結(jié)束標(biāo)志。例如：自動(dòng)氣象站于2014年9月9日采集的數(shù)據(jù)如下：NUISTUB 2014-09-09 13:02 258 0 201 0 258 0 13:02 313 0 217 0 13:01 0 0 244 244 13:01 234 13:01 87 87 13:02 221 9970 9974 13:01 9969 13:02 3131 79 3131 13:02 164 4 164 13:01 277 147(注：數(shù)據(jù)之間以空格作為分隔符，且數(shù)據(jù)擴(kuò)大10倍)。自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)內(nèi)容特點(diǎn)如下：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)“空格+小時(shí)：”和“空格+數(shù)字”(如：“ 09：”和“ 0”等)多次重復(fù)出現(xiàn)；數(shù)據(jù)中的數(shù)字較多，數(shù)字ASCII碼值從0X30至0X39，高4位字節(jié)固定為0011。根據(jù)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，考慮采用對(duì)連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)字符串壓縮率好的LZW算法和壓縮率高的固定位長(zhǎng)算法進(jìn)行混合編碼，從而對(duì)自動(dòng)氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮處理。

2系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

2.1衛(wèi)星通信模塊

本系統(tǒng)利用北斗衛(wèi)星配合北斗用戶機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和指令傳輸，保證氣象中心和各區(qū)域間進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令通信。衛(wèi)星通信模塊傳輸流程如圖2所示。

圖2　衛(wèi)星通信模塊傳輸流程圖

衛(wèi)星通信通信模塊工作步驟為：(1) 北斗用戶機(jī)0接收來(lái)自嵌入式模塊的指令請(qǐng)求，指令遵循衛(wèi)星通信協(xié)議，其格式為：北斗指令+信息類別+ID號(hào)+電文長(zhǎng)度+電文內(nèi)容+校驗(yàn)和，北斗用戶機(jī)0通過(guò)用戶ID號(hào)與不同區(qū)域的北斗用戶機(jī)N通信；(2) 北斗用戶機(jī)N接收到協(xié)議指令后轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)壓縮模塊，經(jīng)數(shù)據(jù)壓縮模塊處理后，得到壓縮數(shù)據(jù)，最終通過(guò)北斗衛(wèi)星和用戶機(jī)0返還給嵌入式終端。

2.2數(shù)據(jù)壓縮模塊

數(shù)據(jù)壓縮模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的“橋梁”，不僅與嵌入式模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)、指令的交換，并且將來(lái)自于北斗用戶機(jī)N的協(xié)議指令進(jìn)行解析，獲得自動(dòng)氣象站的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的無(wú)損壓縮。

2.2.1壓縮算法實(shí)現(xiàn)

圖3　壓縮算法流程圖

混合壓縮算法充分利用了對(duì)連續(xù)重復(fù)出現(xiàn)字符壓縮率好的LZW算法和壓縮率高的固定位長(zhǎng)算法[3]。首先，先建立相應(yīng)的字符串表：固定字符串“空格+時(shí)間：”用0X3A表示(需要特別說(shuō)明的是，采樣時(shí)間不用此表示，便于在混合算法解碼過(guò)程中，數(shù)據(jù)能夠完全還原)；固定字符“空格+0”用0X3B表示；依次類推，用0X3F表示“空格+4”，這樣得到一個(gè)新的字符串，各字符相應(yīng)字節(jié)高4位也固定為0011與數(shù)字ASCII碼高4位一致。接著，采用固定位長(zhǎng)算法對(duì)新字符串的低4位進(jìn)行編碼，那么原來(lái)的字符串長(zhǎng)度縮短了一半，數(shù)據(jù)量也相應(yīng)減小一半，從而使壓縮效率大大提高。壓縮算法流程如圖3所示。

2.2.2硬件實(shí)現(xiàn)

由于自動(dòng)氣象站所布區(qū)域偏遠(yuǎn)，為降低數(shù)據(jù)壓縮模塊功耗，延長(zhǎng)數(shù)據(jù)壓縮模塊的工作壽命，數(shù)據(jù)壓縮模塊選用低功耗的MSP430作為主控芯片，以方便后期工作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理。數(shù)據(jù)壓縮模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　數(shù)據(jù)壓縮模塊結(jié)構(gòu)框圖

圖5　數(shù)據(jù)壓縮模塊軟件流程

模塊工作過(guò)程如下：(1) 北斗用戶機(jī)N將接收到的協(xié)議指令通過(guò)串口通信模塊1傳送至控制指令提取模塊，得到控制指令，控制指令只針對(duì)自動(dòng)氣象站有效；(2) 控制指令通過(guò)串口通信模塊0發(fā)送至自動(dòng)氣象站，自動(dòng)氣象站接收到控制指令后，將原始數(shù)據(jù)返還給數(shù)據(jù)接收單元；(3) 原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮處理后，按照衛(wèi)星通信協(xié)議重新打包后送至數(shù)據(jù)發(fā)送單元；(4) 壓縮數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)送單元返還至北斗用戶機(jī)N。數(shù)據(jù)壓縮模塊軟件流程如圖5所示。

2.3嵌入式模塊

嵌入式模塊作為本系統(tǒng)的核心，選擇了一款高性能基于Cortex A8架構(gòu)的SMART210嵌入式核心板[4]。通過(guò)配置編譯完成Linux操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)搭建，Linux操作系統(tǒng)選擇Fedora14，使用目前嵌入式Linux的主流GUI系統(tǒng)QT作為開(kāi)發(fā)工具[5]。在Linux環(huán)境中安裝交叉編譯器，用來(lái)完成QT庫(kù)和應(yīng)用程序的編譯。模塊主屏幕采用7寸的LCD電容屏，處理器內(nèi)部集成的LCD控制器信號(hào)線經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后即可連接到LCD模塊[6]。

嵌入式模塊由用戶圖形界面、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制管理三個(gè)功能模塊組成。用戶圖形界面為系統(tǒng)提供了便于操作和管理的用戶界面,增加了系統(tǒng)的人機(jī)交互性；數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓縮數(shù)據(jù)的解析；系統(tǒng)控制管理一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的控制，另一方面完成數(shù)據(jù)顯示和管理的功能。嵌入式模塊流程如圖6所示。

圖6　嵌入式模塊流程圖

2.3.1圖形化界面GUI設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，為界面顯示的對(duì)象定義了一個(gè)抽象類(paint)。界面的曲線圖形的繪制采用QT的二維圖形引擎的基礎(chǔ)類QPainter開(kāi)發(fā)。QPainter具有豐富的圖形圖像繪制功能函數(shù)，利用這些函數(shù)實(shí)現(xiàn)各種類型的氣象數(shù)據(jù)曲線的繪制[7]，并完成了自定義窗體部件類(QWidget)和子窗口類(QLabel、QSlider等)布局。利用信號(hào)與槽函數(shù)機(jī)制完成了一整套用戶操作系統(tǒng)界面的設(shè)計(jì)，從而保證了個(gè)界面間快速的連接跳轉(zhuǎn)，方便工作人員對(duì)終端設(shè)備的操作。

paint類的定義如下：

class paint : public paint_ui

{

Q_OBJECT

public:

paint( QWidget * parent = 0, const char * name = 0, WFlags

fl = WType_TopLevel );

virtual ～paint();

private:

void initialization();

//初始化函數(shù)

int openSerialPort();

//串口通信函數(shù)

void map_Read();

//繪制曲線函數(shù)

void Valu_Read();

//讀取數(shù)值函數(shù)

protected:

virtual void paintEvent(QPaintEvent *);

private slots:

void historical_data();

//歷史數(shù)據(jù)槽函數(shù)

……

}

2.3.2數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理模塊由數(shù)據(jù)識(shí)別單元、數(shù)據(jù)預(yù)處理單元、數(shù)據(jù)解析單元組成。該模塊負(fù)責(zé)處理從北斗用戶機(jī)接收到的壓縮數(shù)據(jù)，并將根據(jù)壓縮算法將數(shù)據(jù)解析還原為原始?xì)庀髷?shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)處理模塊中各子單元功能實(shí)現(xiàn)：

(1) 數(shù)據(jù)識(shí)別單元：判斷接收數(shù)據(jù)的正確性。根據(jù)北斗通信協(xié)議判斷接收數(shù)據(jù)的信息類型、ID號(hào)等信息是否正確。

(2) 數(shù)據(jù)預(yù)處理單元：當(dāng)判斷接收到的正確的數(shù)據(jù)后，利用QString.remove(const QString &str)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；接著，根據(jù)北斗用戶機(jī)的通信協(xié)議，提取出相應(yīng)ID編號(hào)和壓縮數(shù)據(jù)。

(3) 數(shù)據(jù)解析單元：根據(jù)數(shù)據(jù)壓縮模塊的算法，提取采樣時(shí)間信息，利用QString.replace(const QString &str，const QString &str)函數(shù)分別將壓縮編碼過(guò)程中各字符還原成原始數(shù)據(jù)。其中各數(shù)據(jù)之間用“/”區(qū)分，如：風(fēng)速和降雨兩個(gè)數(shù)據(jù)之間用“/”隔開(kāi)；接著，利用QString.split(const QString &str)函數(shù)，可將各個(gè)氣象數(shù)據(jù)分別提取出來(lái)，數(shù)據(jù)解析部分代碼如下：

QString hourt =″/″+strHex.mid(44,2)+″:″;

//提取時(shí)間信息

QString dataori = data.mid(46);

//提取壓縮后的氣象數(shù)據(jù)

dataori.replace(QString(″a″), QString(hourt));

//數(shù)據(jù)解析

dataori.replace(QString(″b″), QString(″/0″));

dataori.replace(QString(″c″), QString(″/1″));

dataori.replace(QString(″d″), QString(″/2″));

dataori.replace(QString(″e(cuò)″), QString(″/3″));

dataori.replace(QString(″f″), QString(″/4″));

QStringList datalist = dataori.split(″/″);

根據(jù)自動(dòng)氣象站的協(xié)議可知，數(shù)據(jù)擴(kuò)大了10倍，因此需要將各數(shù)據(jù)進(jìn)行還原。各數(shù)據(jù)通過(guò)判斷字符位數(shù)可以進(jìn)行相應(yīng)的操作，例如：若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1位，則使用QString append ( const QString &str)在字符前端插入字符串“0.”；若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過(guò)1位，則使用QString insert ( int position, const QString &str )在字符末位前插入小數(shù)點(diǎn)；最后將數(shù)據(jù)放入對(duì)應(yīng)datalist。數(shù)據(jù)還原以風(fēng)速為例，其代碼如下：

int windatalen=datalist[4].length();

//獲得風(fēng)速的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

switch(windatalen)

//判斷風(fēng)速的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度

{

//若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1位，則插入“0.”

case 1: datalist[4] =datalist[4].append(″0.″);break；

case 2:datalist[4] =datalist[4].insert(1, ′.′); break;

case 3:datalist[4] =datalist[4].insert(2, ′.′); break;

case 4:datalist[4] =datalist[4].insert(3, ′.′); break;

default: break;

//將風(fēng)速存入列表datalist[4]中

}

2.3.3控制管理功能實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)控制管理功能分為遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)管理，完成指令請(qǐng)求發(fā)送、數(shù)據(jù)管理與系統(tǒng)調(diào)試功能。遠(yuǎn)程控制通過(guò)不同指令對(duì)自動(dòng)氣象站實(shí)現(xiàn)控制，例如：通過(guò)UB 獲得當(dāng)前常規(guī)要素瞬時(shí)數(shù)據(jù)。另一方面，在系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)，配置嵌入式模塊的測(cè)試參數(shù)，例如：串口波特率、指令發(fā)送頻度、指令發(fā)送模式、區(qū)域選擇等。由此，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)氣象站的控制。

系統(tǒng)管理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和歷史氣象數(shù)據(jù)的讀取、繪圖。為實(shí)現(xiàn)此功能，需要配合使用QSQLite完成數(shù)據(jù)庫(kù)管理操作[8]。在歷史實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢界面中，選擇需要查詢的時(shí)間區(qū)間、區(qū)域、氣象數(shù)據(jù)類型后，在paint類中定義的Valu_Read()成員函數(shù)會(huì)從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取響應(yīng)時(shí)間、區(qū)域、氣象數(shù)據(jù)類型的值，并利用二維繪圖QPaint類來(lái)繪制曲線，實(shí)現(xiàn)選擇的氣象數(shù)據(jù)在對(duì)應(yīng)時(shí)間區(qū)間的曲線的繪制。

3功能展示與性能測(cè)試

將各個(gè)模塊按系統(tǒng)框圖組合連接，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行良好，各模塊間設(shè)定參數(shù)與反饋參數(shù)匹配度較好。系統(tǒng)設(shè)置界面如圖7所示，工作人員可以在界面上進(jìn)行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)指令發(fā)送。濕度曲線圖如圖8所示，圖中橫坐標(biāo)表示查詢的時(shí)間，其單位為：小時(shí)；縱坐標(biāo)表示相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)的數(shù)值及其單位。工作人員通過(guò)操作界面選擇需要查詢的時(shí)間、區(qū)域和氣象數(shù)據(jù)類型并通過(guò)曲線直觀的反映天氣情況。

圖7　系統(tǒng)設(shè)置對(duì)話框界面

圖8　歷史數(shù)據(jù)查詢界面

4結(jié)語(yǔ)

本文以Linux平臺(tái)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了氣象控制與管理系統(tǒng)，系統(tǒng)依托北斗衛(wèi)星通信，大大減少了構(gòu)建通信設(shè)備的高花費(fèi)。利用MSP430低功耗的優(yōu)勢(shì)結(jié)合LZW算法和固定位長(zhǎng)算法混合編碼，提高了自動(dòng)氣象站的傳輸、監(jiān)測(cè)和管理效率。利用嵌入式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)區(qū)域自動(dòng)氣象站的遠(yuǎn)程控制和氣象數(shù)據(jù)管理功能，形成了對(duì)地面控制和顯示系統(tǒng)的良好補(bǔ)充。為建立移動(dòng)氣象中心提供了一種新思路，以便應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

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DESIGNING EMBEDDED LINUX PLATFORM-BASED SATELLITE METEOROLOGICAL CONTROL AND MANAGEMENT SYSTEM

Wang RuojueChen Suting

(JiangsuKeyLaboratoryofMeteorologicalObservationandInformationProcessing,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044,Jiangsu,China)

AbstractAiming at the characteristics of current meteorological control and management platform, we designed an embedded Linux platform-based meteorological control and management system. Relying on the Plough satellite communication, the system realises the control and operation on each functional module in every area, we also used the Linux platform-based Qt graphical user interface development tools to design a set of operation interfaces which implemented the processing of real-time collection, display and storage on meteorological data in multiple areas. In it, the system efficiently realises the lossless compression of automatic meteorological station data through the mixed code using LZW coding algorithm and fixed bit length packing coding algorithm. In this way we further improved the portability and flexibility of the remote management capability on automatic meteorological stations, and this provided a new thought for the construction of mobile meteorological centres.

KeywordsEmbedded systemThe Plough satelliteLZW coding algorithmFix bit length packing code algorithmMobile meteorological centre

收稿日期：2014-11-13。江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項(xiàng)目(SJLX_0384)。王若玨，碩士生，主研領(lǐng)域：嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)。陳蘇婷，副教授。

中圖分類號(hào)TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.055