机场跑道温度监控系统的设计与实现

2012-09-18杨德君宋利民

大连大学学报 2012年6期

杨德君，宋利民

（1.辽宁师范大学，辽宁大连 116081； 2.大连海事大学，辽宁大连 116026）

1 引言

航空运输是随着社会、经济和技术进步发展起来的新型运输方式。近年来，航空运输凭借其舒适便捷的搭乘环境、日益低廉的机票价格以及其他交通工具望尘莫及的航行速度等巨大优势一跃发展成为人们社会和经济生活中必不可少的组成部分。

但与此同时，航空运输安全很容易受气候影响，这为其发展带来很大的局限性。我们知道，世界各地的机场跑道在一年当中的温度差距是很悬殊的。在烈日炎热的夏季，机场跑道表面温度高达40～60℃，跑道会因材料膨胀而挤压变形，导致表面破损，使其平整度大大降低，给飞行器的起降造成安全隐患。而在大雪纷飞冰冻三尺的冬季，机场跑道表面温度可达零下二十几摄氏度，积雪积冰现象严重，经常造成飞行器冲出跑道、跑道入侵和跑道混淆等事故的发生，无法保证人民的生命财产安全。

由此可见，机场跑道温度数据的实时测量对机场的飞行保障服务水平来说是至关重要的，让飞行员充分掌握气候和跑道环境信息是保障飞机安全起飞、着陆的一个关键环节。这正是绝大多数国内机场急需解决却尚未解决的问题[1]。

本系统基于国内机场对跑道温度实时测量设备的需求展开研究，进而设计并实现了机场跑道温度监控系统。通过分析国内外机场跑道温度测量现状，提出了机场跑道温度监控系统的重要性和必要性。研究无线数据传输技术，选择合适的无线传输方式来构成系统的数据传输平台，并搭建相应的硬件平台，使数据可以远程传输。利用开发工具Microsoft Visual Studio 2005，实现组织中各项活动的管理、调节和控制，并以此为基础进行需求分析和系统设计。实现了 VS.NET[2]与数据库Access无缝结合，以便实时管理，监控数据，并能存储，查询历史数据，从中寻找规律，做出对比分析。

本文源于大连机场的一个实际项目，目前该项目在已在大连机场实际应用，反响良好。完成了设计出针对机场跑道的无线温度测量系统信息管理系统的软件设计：国内首次提出了利用.NET设计信息管理系统并与数据库无缝结合的思想和方法。采用短距离无线通信技术，设计了温度测量硬件与本系统的数据通信协议[3]，替代了国外的同类产品，具有极高的实用价值和经济价值。

2 系统的硬件设计

机场跑道温度监控系统的硬件设计以ATmega8微控制器为运行平台，以DS18B20数字温度传感器为核心器件，综合运用短距离无线通信技术完成了机场跑道温度的实时采集与传输。其结构如图1所示。

图1 机场跑道温度监控系统结构图

整个系统的运行与控制主要由高性能的ATmega8微控制器完成，温度测量模块、电源转换模块、无线通信模块以及显示模块协同单片机共同工作。整个系统主要包括以下几个方面[6]：

（1）微控制器：即MCU，它是整个系统的中央处理单元，是最为核心的部分。

（2）电源部分：通过 LM2576稳压集成电路给整个系统提供稳定的电压利用LM1117系列芯片实现不同电压的转换。

（3）显示部分：系统同时提供机场跑道温度监控信息管理系统。

（4）无线通信：系统利用无线电台组成的一个点对多点的无线通信网络。无线电台提供RS-232电平，采用232芯片实现转换。从而实现无线数据通信。

（5）温度测量[5]模块：采用 DS18B20数字温度传感器为核心器件，将采集到的温度传送给主控模块。采用DS18B20型单线智能温度传感器,属于新一代适配微处理器的智能温度传感器,可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。它具有体积小，接口方便，传输距离远等特点。

2.1 主控模块的选择

ATmega8的芯片内部集成了较大容量的存储器和丰富强大的硬件接口电路，具备AVR高档单片机MEGE系列的全部性能和特点。而且性价比极高。再加上AVR单片机的ISP性能，用户往往不需要购买昂贵的仿真器和编程器就可以进行单片机嵌入式系统的开发应用。ATmega8单片机采用了ATMEL的高密度费非易失性内存技术，片内Flash可以通过SPI接口、通用编程器及自引导BOOT程序进行编程和自编程。利用自引导BOOT程序，可以使用任一硬件接口下载应用程序，并写入到Flash的应用程序区中。在更新Flash的应用程序区数据时，处在Flash的BOOT区中的自引导程序将继续执行，实现了同时读写（Read-While-Write）的功能（芯片自编程功能）。由于将增强RISC8位CPU与在系统编程和在应用编程的 Flash存储器集成在一个芯片内，ATmega8成为一个功能强大的单片机，为本系统的研发提供了一种灵活而低成本的解决方案。

2.2 串口通讯技术

为了使应用程序能够与调制解调器进行通信，应用程序必须将命令发送到相应的串行端口。串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，为使计算机、电话以及其他通信设备互相沟通，现在，已经对串行通信[4]建立了几个一致的概念和标准，这些概念和标准基本在四个方面体现：传输率，电特性，信号名称和接口标准。

串口通信的概念属于异步通信，数据需要一桢一桢的传输，需要起始位、数据段和校验位。为了保证通信的正确性，发送端还需要在发送数据的时候，同时发送时钟，发送时钟决定了传输的速率。接口的接收波特率和发送波特率是可以通过编程分别设置的。串口通信中最重要的是RS-232-C标准：RS-232－C采用负逻辑规定逻辑电平，-5～-15V 规定为“1”，+5～+15V 规定为“0”。事实上 PC可以连接多个外围设备，WINDOWS编程时需要通过调用通信驱动程序的API函数完成对数据的发送和接收。

2.3 短距离无线通信技术

采用短距离无线通信技术，设计了温度测量硬件与本系统的数据通信协议，替代了国外的同类产品，具有极高的实用价值和经济价值。

短距离无线通信网可以随时随地的进行数据通信[7-9]，减少了对有线连接的要求，提高了网络的灵活性，并且因其可移动性、组网灵活性、应用范围的广泛性和传输速度快等优点。使得在家庭和办公环境逐渐开始广泛的应用。

2.4 系统硬件电路设计

这个系统的电路主要分两个：主机电路和子机电路。主机主要用于接收子机的数据并显示出来；子机用于采集温度数据并把数据传给主机，同时也用于转发数据，相当于路由。

主机电路的组成主要由：

（1）单片机 STC12C5A60S2：整个电路的核心，数据处理和控制，接受子机传来的数据，并返回相应的应答信号；由接受的信号来判断是否报警、个单片机工作状态是否正常，并由LCD12864显示或者LED指示。

（2）MAX232、9针串口的接口：用于程序的下载和无线模块的数据传输。

（3）无线收发模块JZ863：负责无线数据的收发，其工作的波特率、数据位等应于单片机相符。

（4）LCD12864、LED：显示温度，指示工作状态和报警。

子机电路的组成主要有：

单片机 STC12C5A60S2：整个电路的核心，数据处理和控制，控制18B20工作来获得温度数据，加以处理，并将其传给主机，在空闲时还可以作为任何子机和主机的路由，且可以控制LED来显示各个部分的工作状态和报警。

MAX232、9针串口的接口：用于程序的下载和无线模块的数据传输。

无线收发模块JZ863：负责无线数据的收发。

温度传感器18B20：温度的采集。

嵌入式软件程序框图如图2。

主程序功能：实现接受各个子机发来的数据，判断数据，并作出相应的处理。当主机得到某个子机的温度时，返回接受信号，并根据接受的数据来判断子机的工作情况是否正常，温度是否超过警戒温度等。单片机控制LCD12864和LED显示出这些结果。

3 系统软件设计

机场跑道温度监控系统同时提供信息管理系统，开发工具是Microsoft Visual Studio 2005，以便及时、准确地收集、加工、存储、传递和提供信息，实现组织中各项活动的管理、调节和控制，并以此为基础进行需求分析和系统设计；实现了VS.NET与数据库Access无缝结合，以便实时管理，监控数据，并能存储，查询历史数据，从中寻找规律，做出对比分析。

3.1 整体设计

机场跑道温度监控信息管理系统不仅可以实时显示当时当日的温度信息，同时也支持历史温度查询功能，如图3为机场跑道温度监控系统的软件系统结构图。

系统由主窗体控制开启监控、关闭监控以及今日记录显示、历史记录查询等功能。如图4为机场跑道温度监控系统的软件系统流程图。

3.2 开发工具与开发平台

机场跑道温度监控系统的开发是一个实用性项目。该项目充分考虑了硬件及软件两部分的结合，较为完善的处理了机场跑道温度的实时监控。

机场跑道温度监控系统使用的开发工具是Microsoft Visual Studio 2005，使用两种开发平台，开发用计算机是Microsoft Windows 2003 Server中文版。它提供了强大的容错性能，为新一代的开发工具以及文件打印传输等提供网络基础。多平台和对称处理，它支持Intel、RISC、Power PC等微处理器，并提供支持多CPU的能力。多任务和多线程，它是一个抢占式多任务多线程的操作系统，不同类型的程序可同时运行。服务器版的操作系统与.NET的开发平台结合非常好，适宜构建.NET类开发软件的环境。

Microsoft Visual Studio 2005是新一代的.NET开发平台，它基于 Internet，为传统的Windows API和服务提供全新的编程接口，并融合了微软开发类软件的各种技术，包括了COM+组件服务，ASP WEB开发技术，对XML的全面支持等。该开发工具具有跨语言的特性，支持多种开发语言的互操作性，用某种语言编写的程序被编译成中间代码，编译好的代码可以与从其他语言编译过来的代码交互，结合使用。