基于GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)

馮凌杰，張 梅，范建豐

(華南理工大學(xué)精密電子制造裝備教育部工程研究中心自動化學(xué)院，廣州510640)

1 引言

遠(yuǎn)程監(jiān)控是國內(nèi)外研究的前沿?zé)衢T課題，基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控取得了巨大的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人遠(yuǎn)程分布式控制、設(shè)備遠(yuǎn)程故障診斷、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室等領(lǐng)域。

目前的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，通訊方式分為有線通訊和無線通訊。有線通信因其線路架設(shè)成本太高，位置固定不能移動，從而限制了在偏遠(yuǎn)地區(qū)和移動環(huán)境下的應(yīng)用。無線通信則克服了有線通信的缺點(diǎn)［1］。GPRS是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)。GPRS借用了移動的接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)，提供端到端、廣域的無線IP連接。所以，GPRS較其他通信鏈路具有五大優(yōu)點(diǎn):瞬間上網(wǎng)、永遠(yuǎn)在線、快速傳輸、按量計費(fèi)、自由切換。因此，GPRS通信方式廣泛的應(yīng)用于各類遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

基于GPRS通信鏈路的實(shí)現(xiàn)方案:客戶端采用RAM7+一體化GPRS DTU實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與收發(fā)，服務(wù)器端采用通信模塊與數(shù)據(jù)處理模塊相分離的實(shí)現(xiàn)方案。這種實(shí)現(xiàn)降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)的實(shí)時性。整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建如圖1所示。

2 通信方案設(shè)計及協(xié)議選擇

2.1 GPRS通信鏈路的選擇

目前，GPRS的通信鏈路主要有四種實(shí)現(xiàn)方案:

(1)中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP。監(jiān)控點(diǎn)直接向中心發(fā)起連接，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。

(2)中心采用主副GPRS－DTU，采用移動內(nèi)網(wǎng)動態(tài)IP+移動DNS解析服務(wù)。此方案可以節(jié)約固定IP的費(fèi)用，但某些移動公司不提供DNS解析服務(wù)，所以應(yīng)用受到限制，并且此方案實(shí)時性和穩(wěn)定性較差。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建

(3)中心采用主副GPRS－DTU，采用移動APN專網(wǎng)固定IP。這種方案具有移動內(nèi)網(wǎng)固定IP，傳輸數(shù)據(jù)不經(jīng)過公網(wǎng)，節(jié)省了寬帶專線費(fèi)用，所以其穩(wěn)定性，安全性和性價比都比方案二好。

(4)中心采用APN專線，采用內(nèi)網(wǎng)固定IP。此方案在實(shí)時性、安全性和穩(wěn)定性方面都比前三種方案有很大提高，適用于數(shù)據(jù)點(diǎn)多、安全性和實(shí)時性要求高的環(huán)境。缺點(diǎn)是費(fèi)用太高［2－3］。

綜合考慮穩(wěn)定性和開發(fā)成本，最終決定采用方案一。

2.2 通信協(xié)議的選擇

GPRS有TCP和UDP兩種通信協(xié)議。TCP是一種面向連接的、可靠的、基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。TCP協(xié)議有五大特點(diǎn):①面向連接的傳輸;②端到端的通信;③高可靠性;④全雙工方式傳輸;⑤采用字節(jié)流方式。UDP提供的服務(wù)是不可靠的、無連接的，因UDP無需進(jìn)行確認(rèn)排序以及網(wǎng)絡(luò)信息的發(fā)送，其數(shù)據(jù)包的包頭較TCP小，占用網(wǎng)絡(luò)資源少，實(shí)時性較高。因此，TCP協(xié)議更多的應(yīng)用于對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，但對實(shí)時性要求不是很高的情況，例如文件傳送、計算機(jī)郵件等;而UDP適用于對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸蟛皇呛芨?，但對?shí)時性要求比較高的情況，例如視頻電話會議系統(tǒng)等［4］。

綜合考慮遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)時性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑳Q定選用TCP協(xié)議。

3 服務(wù)器和客戶端的程序?qū)崿F(xiàn)

3.1 客戶端實(shí)現(xiàn)

在客戶端，利用RAM7開發(fā)出基于UC/OS II實(shí)時操作系統(tǒng)的串口通信程序，從而將RAM7采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS DTU模塊。UC/OS II操作系統(tǒng)是基于任務(wù)的，所以在該程序中建立了一個主函數(shù)和兩個任務(wù)。

主函數(shù)采用UC/OS II中main函數(shù)的典型寫法，只用于初始化UC/OS II、啟動多任務(wù)環(huán)境和建立一個 TaskUart0Send 任務(wù)［5］。

TaskUart0Send任務(wù)完成目標(biāo)板的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送，并建立一個數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)Taskrecv:

UART0_Init(115200);/*初始化目標(biāo)板的串口*/

UART1_SendStr(snd);/*向串口發(fā)送字符串snd*/

OSTaskCreate(Taskrecv，(void*)0，＆TaskStk［TaskStkLengh－1］，2);

TaskRecv任務(wù)主要完成數(shù)據(jù)的接收［6］，本任務(wù)采用循環(huán)接收，每次接收一個字節(jié)，直到接收完規(guī)定的字節(jié)數(shù)為止。

for(i=0;i＜8;i++)

{if(UART0Getch())

{

temp=UART0Getch();

*cp++=temp;

}

}

3.2 服務(wù)器通信實(shí)現(xiàn)

該服務(wù)器的通信模塊采用socket套接字的非阻塞實(shí)現(xiàn)形式，其基本流程如圖2所示。

圖2 服務(wù)器通信模塊流程圖

圖2 中啟動服務(wù)器函數(shù)的主要功能是初始化套接字［7］，包括初始化 windows socket的動態(tài)庫、創(chuàng)建新的套接字并設(shè)置其為非阻塞模式、綁定套接字并進(jìn)行監(jiān)聽。

創(chuàng)建清理資源線程和接收客戶端線程的程序模塊主要是實(shí)現(xiàn)接收客戶端請求線程和釋放資源線程的創(chuàng)建。接收客戶端請求線程用來完成接收客戶端的連接請求，釋放資源線程主要用于當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢時清理相應(yīng)線程所占的系統(tǒng)資源。

當(dāng)完成接收客戶端請求時，在臨界區(qū)內(nèi)以sAccept套接字和addrclient客戶端地址為參數(shù)創(chuàng)建一個cClient類的實(shí)例，將該實(shí)例作為一個節(jié)點(diǎn)加入用戶鏈表cClientlist中，并為該客戶端創(chuàng)建接收和發(fā)送數(shù)據(jù)線程，從而使服務(wù)器在各自的線程中調(diào)用socket中的recv()和send()l來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā):

//創(chuàng)建接收客戶端數(shù)據(jù)線程

m_hThreadRecv=CreateThread(NULL，0，Recv-DataThread，this，0，＆ulThreadId);

//創(chuàng)建數(shù)據(jù)發(fā)送線程

m_hThreadSend=CreateThread(NULL，0，Send-DataThread，this，0，＆ulThreadId);

結(jié)束進(jìn)程完成服務(wù)器退出是最后清理工作，清理在啟動主線程時申請的資源［8］。其中包括釋放臨界區(qū)對象和事件對象句柄、關(guān)閉SOCKET以及卸載Windows Sockets DLL。

4 結(jié)束語

通過實(shí)際的鏈路搭建和調(diào)試運(yùn)行，證明該系統(tǒng)可以很好的滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對實(shí)時性和移動性的要求，并且所用費(fèi)用不高，具有很好的性價比。實(shí)際的客戶端搭建如圖3所示。

圖3 客戶端的搭建

［1］GeoffreySanders.GPRSnetworks［C］.Chichester，England;Hoboken，NJ:Wiley，2003:210 －230.

［2］趙亮，黎峰.GPRS無線網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用［J］.計算機(jī)工程與設(shè)計，2005(9)期:2552 －2554.

［3］Yi－ Bing Lin，Shun － Ren Yang.A mobility management strategy for GPRS［J］.IEEE Transactions on Wireless Communications，2003，2(6):1178 －1188.

［4］TCP/IP協(xié) 議［EB/OL］.http://tieba.baidu.com/f?kz=477764940.

［5］Labrosse J J.MicroC/OS － II The Real－ Time Kenel［M］.Second Edition.邵貝貝譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［6］周立功，張華.深入淺出 RAM7－LPC213X/214X(下冊)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［7］Socket編程的實(shí)現(xiàn)過程［EB/OL］.http://blog.sina.com.cn/s/blog_59f0cdb00100ajgl.htm.

［8］孫海民.精通windows socket網(wǎng)絡(luò)開發(fā)［M］.北京:北京郵電出版社，2008.