基于JBoss的高速公路路域气象信息采集与发布系统设计*

温立民， 巨永锋， 朱　旭， 闫茂德， 张昌利

(1.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064)

基于JBoss的高速公路路域气象信息采集与发布系统设计*

温立民1， 巨永锋1， 朱旭1， 闫茂德1， 张昌利2

(1.长安大学 电子与控制工程学院，陕西 西安 710064；2.长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064)

摘要:路域气象信息采集与发布是减少交通事故的重要环节。搭建基于JBoss的C/S架构公路路域监控与气象预警联网联控系统；采用ARM+Linux技术设计了高速公路路面实时监控系统与气象信息采集终端。系统可为司机提供现场实时气象信息，实现气象信息共享，为高速公路的指挥、调度提供评判依据。经现场安装测试表明：系统运行良好，实测温度误差小于0.1 ℃，风速误差小于2 %，雨量误差小于3 %，可满足高速公路对气象信息采集与发布的需要。

关键词：路域气象； JBoss； ARM+Linux； 数据采集； 信息发布

0引言

气象信息对于公路特别是高速公路的安全起着重要的作用，健全的公路气象信息采集与预报对减少交通事故率特别是危险路段的事故率起着关键性的作用[1～4]。每年我国因恶劣天气原因造成的交通事故在高速公路总事故中占70 %以上，因此，建立良好的高速公路气象信息采集和发布系统是急需解决的问题[5～7]。国外一些发达国家，如芬兰、美国、日本等已经建立了比较完善的气象信息系统[8～10]。我国在高速公路路域气象信息方面的研究起步较晚，且较为独立，或偏重于采集或偏重于信息发布，没有建立完善的采集与发布体系[11～13]。

气象采集终端通常野外安装，对功效要求较高，通常采用ARM微处理器作为硬件处理核心，Linux性能稳定，自从其诞生之日起就广受青睐，特别是其对图像和网络强大支持。本文采用ARM+Linux搭建气象信息采集硬件系统[14，15]；对于上位机采用JBoss构建气象信息处理与发布平台。系统经现场安装测试后运行良好，可满足高速公路对气象信息采集与发布的需要。

1路域气象平台总体设计

1.1信息采集和发布平台架构

系统的总体结构如图1所示，主要包含三个部分：基于ARM+Linux的气象信息采集终端、气象信息数据库和数据库中数据的管理、以及基于JBoss的气象预警信息发布系统。数据采集硬件终端采用ARM11处理器和Linux嵌入式操作系统，主要负责下位机气象数据采集与处理，并将处理后的数据通过以太网上传给上位机。

气象信息数据库采用MySQL数据库。气象预警信息发布系统是联系底层采集系统和数据库的中介，系统读取数据库中数据进行分析，一旦发现所检测的数据超过设定的警戒值，就启动报警信号并通过文件发布系统将报警信号发送给接收终端和管理人员。如果没有发生报警情况，数据采集系统采集的数据也会定时发送给各移动终端和用户，同时通过信息发布系统存储到数据库中。

图1　气象信息采集和发布平台整体框架Fig 1　Framework of acquisition and publishing platform formeteorological information

1.2气象信息采集终端硬件设计

数据采集终端架构如图2所示，ARM数据采集板通过传感器调理电路采集摄像头、温湿度、大气压力、风速、雨量等气象数据，采集的数据经网络传送到以JBoss为核心的网络共享平台。

对于主控制器的选择，由于气象采集终端需野外安装，为满足能耗需求采用低功耗ARM微处理器S3C2440；S3C2440除功耗低外，在人机交互及视频、网络支持上也较为突出，更重要的是其内部有对Linux支持的MMU单元。Linux对图像和网络支持较强大，所以,本设计在硬件终端上移植了Linux操作系统。终端除了采集图像信息外，还需采集温湿度、风速风向、雨量等信息，所有的气象信息经整合后通过网口上传给上位机，以实现高速公路气象信息的联网联控。

图2　气象信息采集终端结构图Fig 2　Structure of meteorologial information collection terminal

在气象数据采集中，现场图像的采集与处理较复杂，也是气象站实现的关键，因此,本文将重点阐述图像数据采集与处理。图像采集摄像头目前有模拟和数字两种，但模拟摄像头比数字摄像头在成本上更具优势。在高速公路要多点布设采集摄像头以组建视频采集网络，出于成本考虑,采用模拟摄像头采集现场信息，这要求实现模拟信号到数字信号的转换。采用TVP5150实现图像信息的A/D转换。TVP5150是高性能的A/D转换芯片，使用方便，MCU通过I2C接口即可实现对TVP5150的初始化。

1.3气象采集终端软件设计

气象数据采集系统Linux软件分为三层：驱动层、Linux内核层和应用层，如图3所示。驱动层包括摄像头驱动、网卡驱动、温湿度等六要素驱动。内核层是系统层，是应用层与驱动层数据传递的桥梁。应用层将内核层传递来的数据处理打包后上传，应用层设置了3个进程：图像采集进程cam_threads()、六要素(温湿度、压力、风速、风向、雨量)采集进程weather_threads()、网络监听进程。

图3　系统软件架构图Fig 3　Architecture of system software

图像采集需要传输的数据量大，在处理过程中不允许切换，除了采取上锁的机制外，将其设置为单独进程进行处理，而其他六要素采集则在另一个进程中处理。网络监听进程有两个任务：1)接收处理来自图像采集进程和六要素采集进程发送来的数据；2)负责监听来自远程网络的请求。一旦有远程请求，并验证是向本机发出的请求，则将数据包上传。

2路域气象站实现

2.1路域气象采集终端硬件实现

气象采集终端硬件包括视频采集、风速、风向、温湿度、雨量等采集，其中较为复杂的是视频采集、风速风向采集模块，故本文对视频采集、风速风向采集做重点阐述。

1)图像采集硬件电路：TVP5150是TI公司生产的高性能视频处理芯片，采用I2C接口方式对芯片进行初始化输入，因此，该芯片被广泛用于模拟到数字视频信号转换中，芯片可输入两路模拟视频信号，两路模拟视频转换通道完全相同，但任意时刻只能选择其中的一路，输入信号格式提供PAL和NTSC制等制式供用户选择。芯片带硬件自适应滤波器和自适应放大器，可根据输入信号调节滤波和放大比例，减少了硬件设计的工作量；芯片输出8位数字量信息和行场控制信号，输出信号格式是ITU—RBT601和ITU—RBT565，为与S3C6410兼容本项目选择内嵌565格式。TVP5150接口电路如图4所示。系统摄像头选择CMOS型红外模拟摄像头。

图4　图像采集原理图Fig 4　Principle diagram of image collection

2)风速风向采集电路：风速风向一体化传感器，风向输出的是格雷码信号，风速输出的是脉冲信号，但风速风向信号电平为5V，而S3C6410 的I/O引脚电平为3.3V，所以，需要对电平进行电压转换。本文采用74LS4245芯片进行调理，74LS4245双向8入8出电平转换芯片，电平可以在3.3V和5V间互相转换，本文采用74LS4245将传感器输出的5V电平转换为S3C6410的I/O电平3.3V。

2.2路域气象终端软件实现

1)驱动程序设计

由于需要采集的传感器种类较多，各个传感器间信号的输出方式不同，需对每种传感器分别编写或移植驱动程序，包括：图像采集驱动编写与移植；风速风向驱动的编写与移植；雨量驱动的编写与移植；温湿度驱动编写与移植。图像采集驱动分为两个部分：TVP5150初始化和图像数据处理。TVP5150初始化包括芯片的管脚初始化，型号识别和驱动注册。TVP5150通过I2C总线接口与S3C6410微控制器通信，而S3C6410微处理器的管脚多是复用的，既可以被用做特殊功能，也可以被用做I/O管脚。本文采用I/O管脚模拟I2C总线，所以，首先要将S3C6410相应管脚初始化为I/O工作方式；TVP5150要求使用前先确认芯片型号，所以，驱动程序首先通过I2C总线询问芯片的管脚型号，得到确认后方可对芯片进行后面的初始化和处理。风速雨量驱动程序的编写包括设备号、打开和读、写函数的注册，这一点与图像采集TVP5150驱动编写一样，不同的是信号的采集方式不同，操作方式也就不同。风速雨量传感器输出的是脉冲信号，即单位时间内所输出的脉冲个数越多，风速越强或雨量越大。风速雨量的信号通过I/O的方式接入微控制器S3C6410。S3C6410设有24个外部中断源EINT1～EINT24，每个中断源设有不同的优先级别，中断源可以是高低电平触发方式和边缘触发方式。根据风速、雨量信号的特点，采用边沿触发方式，对于风速雨量的采集就转换为在中断服务函数中对各自的脉冲进行计数。图5为气象采集终端安装图。

图5　气象采集终端结构Fig 5　Terminal structure of meteorologial collection

2)采集系统应用程序设计

采集应用程序是对各个驱动程序的整合，将驱动程序采集的数据存储并打包后上传给上位机。应用程序与驱动程序的中间桥梁是内核层，对于应用程序而言，每个设备都是文件，应用程序通过内核依次打开设备所对应的文件，读取参数信息，并将参数信息打包上传。

3)信息发布系统实现

气象信息发布平台基于JBossSeam开发采用C/S架构的系统，功能模块如图6所示，系统共6个功能模块，即用户登录模块、图表显示模块、站点历史模块、文件发布模块、用户管理模块、设备管理模块以及系统设置与帮助模块。

图6　气象信息发布平台结构Fig 6　Platform structure of meteorologial information publishing

3系统测试与数据分析

在高速气象六参量数据中，风速和雨量的信息比较重要，对误差的要求较高，所以，本文对风速、雨量数据着重进行分析。

1)风速数据分析：依上文所述风速传感器输出的是脉冲信号，对于采集系统而言即采集的是单位时间内的脉冲的个数(频率信息)，频率越大，风速越强，雨量越大。应用程序中以1s为采集单位，即1s的时间间隔内中断的次数。传感器频率与风速的换算关系为1Hz对应风速0.05m/s，则据此可换算出风速。由于风速采集的是频率信息，为测试数据定量分析方便，本文首先按表给系统输入脉冲信号发生器输出频率的脉冲波代替风速传感器给采集器提供信号以测试系统参数。

风速传感器理论频率范围在0～400Hz，本文将其分为3频段：低频段(0～200Hz)、中频段(200～300Hz)和高频段(300～400Hz)。在低、中、高频段各取采样点，经测试可知，在低频段和中频段误差较小，而在高频段误差稍大，如图8所示，采集风速数据如表1所示。

表1　风速中低频段测试

图7　风速测试数据分析Fig 7　Test data analysis of wind speed

图7(a)为在350～400Hz每间隔10Hz采样3次。由图可知在高频范围内误差逐渐增大，这从图8(b)误差曲线也可看出，在高频段上误差从0.3 %增到1 %。整个测量误差在允许范围内。

2)雨量数据分析：雨量传感器中分别注入100，250，500，1 000mL四个容量级别的水(用烧杯定量)，每个容量级别分别测试3次(如表2所示)。1,2,3所对应数据分别是注入100,250,500,1 000mL时使雨量桶上升的高度。测试结果如图8所示(数据如表2)。从图中可知，测试各点的雨量值都小于注入值，最大误差值接近3 %，但误差等级在允许误差范围内。产生误差的主要原因：翻斗式雨量传感器属于机械装置，翻斗在运动过程中会产生摩擦；翻斗反转过程中水会产生飞溅；水会粘附在漏斗壁从而减少反转次数，增加误差等级。

表2　雨量传感器注入水量计算

图8　雨量测试数据分析Fig 8　Analysis on test data of rainfall

4结束语

本文介绍基于JBoss高速公路路域气象信息采集和发布系统，阐述采用ARM+Linux架构搭建气象采集终端。采集与发布系统实时采集并上传视频、风速与风向等信息。实测温度误差小于0.1 ℃，风速误差小于2 %，雨量误差小于3 %，经现场安装测试运行良好，能满足高速公路气象实时信息采集与发布的需要，为减少高速公路特别是云贵山区的高速公路交通事故提供有力保证。

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Designofroad-areameteorologicalinformationacquisitionandpublishingsystemforexpresswaybasedonJBoss*

WENLi-min1,JUYong-feng1,ZHUXu1,YANMao-de1,ZHANGChang-li2

(1.SchoolofElectronicandControlEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China;2.SchoolofInformationEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710064,China)

Abstract:Road-area meteorological information acquisition and publishing are important way to reduce traffic accident.A monitoring and forecast system for highway road-area meteorological based on JBoss is set up based on architecture of C/S;ARM and Linux technologies are used to design hardware terminal for meteorological information acquisition and real-time monitoring.The system can supply drivers with real-time meteorological information,realize meteorological information sharing and supply evaluation gist for vehicle schedule and command.Experiment on field reveals that the system work well with the performance of temperature error is less than 0.3 ℃,wind speed error is less than 2 %,rainfall error is less than 3 %.Measurement shows that the system can meet need for meteorological information acquisition and publishing for expressway.

Key words:road-area meteorology; JBoss; ARM+Linux; data acquisition; information publishing

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)04—0111—05

收稿日期：2015—11—24

*基金项目：西安市科技基金资助项目(CXY1512(9))；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(CHD2010JC127)

中图分类号：TP 216

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)04—0111—05

作者简介:

温立民(1976-)，男，黑龙江宝清人，博士，讲师，主要研究方向为数控技术与智能检测。