基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì)

　　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(lái)越受到重視?，F(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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)無(wú)線傳輸，也可以通過(guò)有線傳輸;通過(guò)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(guò)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(lái)完成這些任務(wù)，則需要使用多個(gè)定時(shí)器來(lái)觸發(fā)，而過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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

　　……

　　}

　　4. 2線程的同步機(jī)制

　　同步機(jī)制是否合理是多線程應(yīng)用程序運(yùn)行是否穩(wěn)定的關(guān)鍵。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮到可能引起數(shù)據(jù)毀壞的多線程數(shù)據(jù)訪問(wèn)沖突以及如何使用同步技術(shù)避免這種沖突。Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)同步機(jī)制的方法有信號(hào)量(semaphore)和互斥量(mutex)，這兩種方法相似，但各有側(cè)重。信號(hào)量側(cè)重于一個(gè)線程被另一個(gè)線程激活，常有先后執(zhí)行的關(guān)系。而互斥量則保護(hù)某一共享內(nèi)存任一時(shí)刻只有一個(gè)線程訪問(wèn)。網(wǎng)絡(luò)通信線程和數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程之間的同步通過(guò)信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　為了防止系統(tǒng)資源泄漏，保持各個(gè)線程的同步，主線程需要初始化數(shù)據(jù)采集驅(qū)動(dòng)代碼，為數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備;申請(qǐng)相應(yīng)的內(nèi)存空間，用于存放采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);定義好各個(gè)信號(hào)量和互斥量。

　　4. 3線程的實(shí)現(xiàn)方法

　　數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程是獲取數(shù)據(jù)的起始線程，由GU I線程創(chuàng)建，網(wǎng)絡(luò)通信線程和決策線程是由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程激活。下位機(jī)開始運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程啟動(dòng)，每隔5 s運(yùn)行1次，讀DI、AI接口的狀態(tài)，并把這些狀態(tài)和此刻的時(shí)間存入SQ Lite數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程每運(yùn)行一次，對(duì)信號(hào)量sem_decise和sem_ com進(jìn)行一次post操作，分別激活決策線程和網(wǎng)絡(luò)通信線程。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程的同步流程如圖4所示。

　　圖4數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程的同步流程

　　數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，它激活了其它2個(gè)子線程，與之相對(duì)應(yīng)，被激活的子線程隨著它的結(jié)束而結(jié)束。線程在未接受到信號(hào)量激活時(shí)處于阻塞狀態(tài)，不占用系統(tǒng)資源。前臺(tái)處理用戶界面的GUI線程與后臺(tái)的工作線程之間是獨(dú)立的。GU I線程提供友好的人機(jī)界面，它把被監(jiān)控對(duì)象的信息實(shí)時(shí)顯示在圖形界面上，供現(xiàn)場(chǎng)工作人員查詢和設(shè)置。

　　監(jiān)控程序的每個(gè)線程都需要對(duì)存放被監(jiān)控對(duì)象實(shí)時(shí)狀態(tài)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行訪問(wèn)。由于Linux操作系統(tǒng)允許多個(gè)線程同時(shí)對(duì)某一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀操作，但在同一時(shí)刻對(duì)該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)只能有一個(gè)寫操作。GUI線程需要定時(shí)刷屏，更新被監(jiān)控對(duì)象的實(shí)時(shí)狀態(tài)，因而需要定時(shí)對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行讀操作，而數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程定時(shí)地對(duì)該緩沖區(qū)進(jìn)行寫操作，它們之間沒(méi)有觸發(fā)關(guān)系，是相互獨(dú)立運(yùn)行的。因此，需要對(duì)緩沖區(qū)設(shè)置一個(gè)互斥量，確保任一時(shí)刻這兩個(gè)線程只有一個(gè)能對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。

　　數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行寫操作之前，先對(duì)互斥量進(jìn)行加鎖操作，把實(shí)時(shí)狀態(tài)寫入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)后，再進(jìn)行解鎖。這樣避免了因與GU I線程爭(zhēng)奪資源而造成系統(tǒng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。上鎖與解鎖操作代碼如下：

　　void * thr ead_collect ion(void * arg)

　　{

　　……

　　pthread_mu tex_lock(dat a_mu tex); / /上鎖操作

　　read(fd， dat a， s izeof(dat a)); / /寫實(shí)時(shí)狀態(tài)到data緩沖區(qū)

　　pthread_mu tex_unl ock(dat a_m ut ex); / /解鎖操作

　　/ /激活網(wǎng)絡(luò)通信線程、決策線程，并寫數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫(kù)

　　……

　　}

　　同樣，GUI線程中也需要對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的上鎖、解鎖操作。

　　網(wǎng)絡(luò)通信線程和決策線程由GUI線程創(chuàng)建，由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程激活，都是每5 s運(yùn)行1次。

　　由于GPRS模塊通過(guò)串口與下位機(jī)相連，并采用透明傳輸模式，即有數(shù)據(jù)即傳輸，因此，網(wǎng)絡(luò)通信線程只需要定時(shí)對(duì)串口寫操作就可以完成數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信線程先打開串口，設(shè)置串口的波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位等屬性，然后等待數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程的信號(hào)量將其激活，第一次被激活后，進(jìn)入了一個(gè)w hile循環(huán)，執(zhí)行一次串口寫操作，再等待下一次被激活。網(wǎng)絡(luò)通信線程被激活的條件是數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)線程對(duì)信號(hào)進(jìn)行了一次加1操作，即sem_ post(sem_2)。網(wǎng)絡(luò)通信線程的關(guān)鍵代碼如下：

　　fd= open(“/ dev/ t t ySC4”， O_RDWR);

　　set_sp eed(fd， 9 600); / /設(shè)置波特率

　　set_parit y(fd， 8， 1， %n); / /設(shè)置數(shù)據(jù)位、奇偶校驗(yàn)位

　　sem_w ait(s em_2); / /等待信號(hào)量激活

　　w h ile(1){

　　w rit e(fd， buf ， sizeof(buf)); / /對(duì)串口寫操作，發(fā)送數(shù)據(jù)

　　sem_w ait(sem_2); / /等待下一次信號(hào)量激活

　　}

　　pth read_exit(“thread exit n”); / /線程退出

　　決策線程的任務(wù)是對(duì)當(dāng)前被監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果有異常發(fā)生，則產(chǎn)生一個(gè)報(bào)警信號(hào)，并執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作來(lái)應(yīng)對(duì)這些異常。其代碼結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)通信線程相似。

　　5結(jié)語(yǔ)

　　基于多線程的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)采用多線程技術(shù)完成下位機(jī)的多個(gè)任務(wù)，相對(duì)于單任務(wù)應(yīng)用程序，多線程應(yīng)用程序能夠減少定時(shí)器的使用，節(jié)約系統(tǒng)資源，從而提高系統(tǒng)效率。而且，多線程應(yīng)用程序更能體現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)思想，程序易于維護(hù)和修改。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目之中，性能穩(wěn)定可靠。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　[7]. arg datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/arg_2147916.html.

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