為提高環境監控系統的穩定性，節約系統資源，提出了一種由下位機、傳輸網絡和上位機組成的環境監控系統的設計方案，詳細介紹了該系統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線程間的同步。實際應用表明，該系統運行穩定，提高了系統效率。

0引言

隨著國民經濟及工業技術的發展，環境保護越來越受到重視。現在市場上已經出現了多種環境監控系統，但性能不穩定。現場監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，不利于現場人員的監控管理。針對上述問題，筆者設計了一種基于多線程的環境監控系統。該系統采用多線程技術有效地實現了監控過程中數據的采集與存儲、實時數據顯示、下位機（監控終端）與上位機（監控中心）的通信、實時報警等功能。本文重點介紹該系統下位機的設計。

1系統總體結構

基于多線程的環境監控系統由現場監控終端（下位機）、傳輸網絡、監控中心（上位機）3個部分組成，其結構如圖1所示。

圖1基于多線程的環境監控系統結構

下位機是一個基于A RM9的嵌入式系統，用于定時采集、處理、存儲被監測的特征數據。經過下位機處理后的數據，按照相關協議，經GPRS模塊發送給上位機。上位機由一臺PC機擔任，負責接收多個下位機發送的數據，并對這些數據進行分析、處理和顯示。環保部門可通過上位機監控其轄區內的污染排放狀況。上位機基于VB. NET開發。

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是三星公司生產的一款基于ARM920T內核的32位RISC嵌入式微處理器，帶有獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據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。下位機通過以太網控制器CS8900A擴展了一個網口，數據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（數字量輸入）、4個AI口（模擬量輸入）、4個DO口（數字量輸出），下位機通過這些接口與被監控設備通信。

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、處理現場數據，并存儲在數據庫中，把實時數據發送給上位機，并響應上位機發送的控制命令。因此，下位機需要同時處理多個任務，這些任務并發執行。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，而過多的定時器會導致系統不穩定。Window s是搶先式多任務的操作系統，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作完成，能避免上述缺點且系統比較穩定，但系統對進程的頻繁調度會占用過多資源，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，并充分節約系統資源。該方案中，下位機有5個線程：GU I線程、復位線程、數據采集與存儲線程、網絡通信線程、決策線程。其中GU I線程為主線程，負責界面處理、系統數據的初始化以及創建子線程等任務；復位線程、數據采集與存儲線程、網絡通信線程是后臺的工作線程，通過優先級調度、線程同步等機制保證能可靠執行現場數據采集、存儲、發送、顯示等任務。復位線程在啟動后循環地對看門狗操作，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多線程技術在系統中的應用

4. 1線程的創建

Linux環境下，使用pthread_cr eate（）函數創建一個新線程，默認情況下主線程會等待被創建的子線程執行結束，得到子線程的返回結果然后再繼續往后執行。實時監控程序的子線程都是循環執行的，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.根據子線程的重要性進行優先級設置，確保重要線程優先執行。子線程的優先級從高到低依次為復位線程、數據采集與存儲線程、決策線程、網絡通信線程。

線程的創建、設置偽代碼如下：

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

void * thr ead_collect ion（void * arg）； / /數據采集與存儲線程函數

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

void * thr ead_decis e（void * arg）； / /決策線程函數

int dat a[ 12] ； / /數據緩沖區，用于存放線程間共享的數據函數

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（）； / /設置線程的優先級

sem_init（）； / /對相關信號量進行初始化

pth read_creat e（）； / /創建新線程

/ /啟動GUI程序

……

}