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。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)用程序同時處理多個任務(wù)，并采用信號量和互斥量實(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
隨著國民經(jīng)濟(jì)及工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，環(huán)境保護(hù)越來越受到重視。現(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。現(xiàn)場監(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)場人員的監(jiān)控管理。針對上述問題，筆者設(shè)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(shù)有效地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控過程中數(shù)據(jù)的采集與存儲、實(shí)時數(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)時報警等功能。本文重點(diǎn)介紹該系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計。
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(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PC機(jī)擔(dān)任，負(fù)責(zé)接收多個下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和顯示。環(huán)保部門可通過上位機(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
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)通過以太網(wǎng)控制器CS8900A擴(kuò)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(kuò)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(jī)通過這些接口與被監(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
下位機(jī)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(shí)時數(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)需要同時處理多個任務(wù)，這些任務(wù)并發(fā)執(zhí)行。若使用單線程來完成這些任務(wù)，則需要使用多個定時器來觸發(fā)，而過多的定時器會導(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)，啟動了一個應(yīng)用程序就等于啟動了一個進(jìn)程。一個進(jìn)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(shè)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(wù)。因此，若使用多個進(jìn)程來協(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)對進(jìn)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(wù)，并充分節(jié)約系統(tǒng)資源。該方案中，下位機(jī)有5個線程：GU I線程、復(fù)位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲線程、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)采集與存儲線程、網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(wù)。復(fù)位線程在啟動后循環(huán)地對看門狗操作，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)建一個新線程，默認(rèn)情況下主線程會等待被創(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)先級設(shè)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(fù)位線程、數(shù)據(jù)采集與存儲線程、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
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(jìn)行重新歸并
pthread_at t r_set s ched param（）； / /設(shè)置線程的優(yōu)先級
sem_init（）； / /對相關(guān)信號量進(jìn)行初始化
pth read_creat e（）； / /創(chuàng)建新線程
/ /啟動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)計時，需考慮到可能引起數(shù)據(jù)毀壞的多線程數(shù)據(jù)訪問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)制的方法有信號量（semaphore）和互斥量（mutex），這兩種方法相似，但各有側(cè)重。信號量側(cè)重于一個線程被另一個線程激活，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)存任一時刻只有一個線程訪問。網(wǎng)絡(luò)通信線程和數(shù)據(jù)采集與存儲線程之間的同步通過信號量來實(shí)現(xiàn)。
為了防止系統(tǒng)資源泄漏，保持各個線程的同步，主線程需要初始化數(shù)據(jù)采集驅(qū)動代碼，為數(shù)據(jù)采集做好準(zhǔn)備；申請相應(yīng)的內(nèi)存空間，用于存放采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)；定義好各個信號量和互斥量。
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)采集與存儲線程激活。下位機(jī)開始運(yùn)行后，數(shù)據(jù)采集與存儲線程啟動，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)和此刻的時間存入SQ Lite數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)采集與存儲線程每運(yùn)行一次，對信號量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)采集與存儲線程的同步流程如圖4所示。
圖4數(shù)據(jù)采集與存儲線程的同步流程
數(shù)據(jù)采集與存儲線程作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，它激活了其它2個子線程，與之相對應(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量激活時處于阻塞狀態(tài)，不占用系統(tǒng)資源。前臺處理用戶界面的GUI線程與后臺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)控對象的信息實(shí)時顯示在圖形界面上，供現(xiàn)場工作人員查詢和設(shè)置。
監(jiān)控程序的每個線程都需要對存放被監(jiān)控對象實(shí)時狀態(tài)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行訪問。由于Linux操作系統(tǒng)允許多個線程同時對某一數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行讀操作，但在同一時刻對該數(shù)據(jù)緩沖區(qū)只能有一個寫操作。GUI線程需要定時刷屏，更新被監(jiān)控對象的實(shí)時狀態(tài)，因而需要定時對緩沖區(qū)進(jìn)行讀操作，而數(shù)據(jù)采集與存儲線程定時地對該緩沖區(qū)進(jìn)行寫操作，它們之間沒有觸發(fā)關(guān)系，是相互獨(dú)立運(yùn)行的。因此，需要對緩沖區(qū)設(shè)置一個互斥量，確保任一時刻這兩個線程只有一個能對其進(jìn)行訪問。
數(shù)據(jù)采集與存儲線程對緩沖區(qū)進(jìn)行寫操作之前，先對互斥量進(jìn)行加鎖操作，把實(shí)時狀態(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
……
}
同樣，GUI線程中也需要對緩沖區(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)采集與存儲線程激活，都是每5 s運(yùn)行1次。
由于GPRS模塊通過串口與下位機(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對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)采集與存儲線程的信號量將其激活，第一次被激活后，進(jìn)入了一個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)采集與存儲線程對信號進(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）； / /等待信號量激活
w h ile（1）{
w rit e（fd， buf ， sizeof（buf））； / /對串口寫操作，發(fā)送數(shù)據(jù)
sem_w ait（sem_2）； / /等待下一次信號量激活
}
pth read_exit（“thread exit \ n”）； / /線程退出
決策線程的任務(wù)是對當(dāng)前被監(jiān)控對象的狀態(tài)進(jìn)行判斷，如果有異常發(fā)生，則產(chǎn)生一個報警信號，并執(zhí)行相關(guān)動作來應(yīng)對這些異常。其代碼結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)通信線程相似。
5結(jié)語
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)的多個任務(wù)，相對于單任務(wù)應(yīng)用程序，多線程應(yīng)用程序能夠減少定時器的使用，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)用于多個項目之中，性能穩(wěn)定可靠。