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、傳輸網(wǎng)絡和上位機組成的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案，詳細介紹了該系統(tǒng)中下位機的硬件及軟件設計。該下位機硬件以ARM9處理器S3C2410為核心，軟件采用多線程應用程序同時處理多個任務，并采用信號量和互斥量實現(xiàn)線程間的同步。實際應用表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)效率。

0引言

隨著國民經(jīng)濟及工業(yè)技術的發(fā)展，環(huán)境保護越來越受到重視?，F(xiàn)在市場上已經(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)場監(jiān)控終端大多采用工控機或單片機，前者抗干擾性能好，但成本較高；后者處理能力低，人機界面不友好，不利于現(xiàn)場人員的監(jiān)控管理。針對上述問題，筆者設計了一種基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用多線程技術有效地實現(xiàn)了監(jiān)控過程中數(shù)據(jù)的采集與存儲、實時數(shù)據(jù)顯示、下位機（監(jiān)控終端）與上位機（監(jiān)控中心）的通信、實時報警等功能。本文重點介紹該系統(tǒng)下位機的設計。

1系統(tǒng)總體結構

基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)控終端（下位機）、傳輸網(wǎng)絡、監(jiān)控中心（上位機）3個部分組成，其結構如圖1所示。

圖1基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)結構

下位機是一個基于A RM9的嵌入式系統(tǒng)，用于定時采集、處理、存儲被監(jiān)測的特征數(shù)據(jù)。經(jīng)過下位機處理后的數(shù)據(jù)，按照相關協(xié)議，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送給上位機。上位機由一臺PC機擔任，負責接收多個下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析、處理和顯示。環(huán)保部門可通過上位機監(jiān)控其轄區(qū)內(nèi)的污染排放狀況。上位機基于VB. NET開發(fā)。

2下位機硬件設計

下位機的硬件核心部分由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，其運行頻率可達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。下位機通過以太網(wǎng)控制器CS8900A擴展了一個網(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接口擴展了8個DI口（數(shù)字量輸入）、4個AI口（模擬量輸入）、4個DO口（數(shù)字量輸出），下位機通過這些接口與被監(jiān)控設備通信。

圖2下位機硬件組成

3下位機的需求與結構設計

下位機定時采集、處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并存儲在數(shù)據(jù)庫中，把實時數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，并響應上位機發(fā)送的控制命令。因此，下位機需要同時處理多個任務，這些任務并發(fā)執(zhí)行。若使用單線程來完成這些任務，則需要使用多個定時器來觸發(fā)，而過多的定時器會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。Window s是搶先式多任務的操作系統(tǒng)，啟動了一個應用程序就等于啟動了一個進程。一個進程通常擁有一個線程，在系統(tǒng)資源管理中，每一個線程被分配一定的時間片。采用多線程的設計方法可以使程序擁有多個線程，這樣程序就能同時處理更多的任務。因此，若使用多個進程來協(xié)作完成，能避免上述缺點且系統(tǒng)比較穩(wěn)定，但系統(tǒng)對進程的頻繁調(diào)度會占用過多資源，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任務，并充分節(jié)約系統(tǒng)資源。該方案中，下位機有5個線程：GU I線程、復位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲線程、網(wǎng)絡通信線程、決策線程。其中GU I線程為主線程，負責界面處理、系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始化以及創(chuàng)建子線程等任務；復位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲線程、網(wǎng)絡通信線程是后臺的工作線程，通過優(yōu)先級調(diào)度、線程同步等機制保證能可靠執(zhí)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)送、顯示等任務。復位線程在啟動后循環(huán)地對看門狗操作，不作為任務處理線程。任務線程之間的關系如圖3所示。

圖3任務線程之間的關系

4多線程技術在系統(tǒng)中的應用

4. 1線程的創(chuàng)建

Linux環(huán)境下，使用pthread_cr eate（）函數(shù)創(chuàng)建一個新線程，默認情況下主線程會等待被創(chuàng)建的子線程執(zhí)行結束，得到子線程的返回結果然后再繼續(xù)往后執(zhí)行。實時監(jiān)控程序的子線程都是循環(huán)執(zhí)行的，不需要運行結束后歸并到主線程中，需設置其屬性為PT HREAD _ CREATE _DETACHED.根據(jù)子線程的重要性進行優(yōu)先級設置，確保重要線程優(yōu)先執(zhí)行。子線程的優(yōu)先級從高到低依次為復位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲線程、決策線程、網(wǎng)絡通信線程。

線程的創(chuàng)建、設置偽代碼如下：

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

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

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

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（）； / /不對線程進行重新歸并

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

sem_init（）； / /對相關信號量進行初始化

pth read_creat e（）； / /創(chuàng)建新線程

/ /啟動GUI程序

……

}