RUDP協(xié)議在嵌入式氣象設(shè)備數(shù)據(jù)通信終端中的應(yīng)用＊

李建勇，伍光勝，劉艷中

（廣東省大氣探測技術(shù)中心，廣州 510080）

引 言

為了使氣象探測資料具有一定的地域代表性，自動氣象站一般都安裝到省內(nèi)各地，分布上具有分散性和流動性的特點。按照業(yè)務(wù)化的要求，常規(guī)天氣下自動氣象站每5分鐘就要上傳一次報文，如果是災(zāi)害性天氣或公共突發(fā)事件氣象應(yīng)急過程中，自動氣象站就要求每分鐘上傳一組觀測資料。根據(jù)自動氣象站站點分布和資料傳輸?shù)奶攸c，自動氣象站一般則采用無線通信業(yè)務(wù)（如GPRS或CDMA）作為通信組網(wǎng)方式。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，TCP協(xié)議會產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)確認(rèn)和數(shù)據(jù)確認(rèn)而消耗系統(tǒng)資源，UDP協(xié)議采用面向非連接的傳輸策略，會大大提高UDP協(xié)議的傳輸速度和效率，但UDP協(xié)議不提供數(shù)據(jù)傳送保證機制，這就降低了資料傳輸?shù)目煽啃浴Ｒ虼?，這就需要設(shè)計一個具有可靠UDP協(xié)議（Reliable UDP，簡稱RUDP）的通信終端，本文就通信終端的硬件和軟件設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)作相關(guān)論述。

1 系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)簡介

GPRS（General Packet Radio Service）無線傳輸業(yè)務(wù)以其成本低廉、性能可靠等優(yōu)點，被無線通信系統(tǒng)廣泛采用。截止到2012年底，廣東省已建成由1900余個自動氣象站網(wǎng)組成的中尺度資料探測系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)邏輯圖如圖1所示，系統(tǒng)由自動氣象站、數(shù)據(jù)通信終端單元（Data Communication terminal Unit，DCU）、數(shù) 據(jù) 處 理 中 心 （Data Process Center，DPC）以及GPRS網(wǎng)絡(luò)組成。自動氣象站主要負責(zé)采集氣溫、雨量、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素，并形成數(shù)據(jù)報文；DCU將自動氣象站生成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS信網(wǎng)絡(luò)；DPC對接收的報文進行分析處理。為了保證數(shù)據(jù)的安全，避免在傳輸過程中的泄漏，數(shù)據(jù)處理中心采用APN專線接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，在GGSN（網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）與移動公司互聯(lián)路由器之間采用GRE隧道，使用私網(wǎng)IP地址進行連接。按照業(yè)務(wù)化的要求，自動氣象站每5分鐘向數(shù)據(jù)處理中心上傳1份報文，加密觀測時每分鐘要上傳1份報文。探測資料實行全省統(tǒng)一采集、處理，該種組網(wǎng)方式大大提升了全省自動氣象站探測網(wǎng)資料的采集處理能力[1]。DCU作為數(shù)據(jù)上傳、命令下達的雙向通信設(shè)備，在系統(tǒng)中起著重要作用，它的性能直接影響業(yè)務(wù)系統(tǒng)運行效率。市場上絕大多數(shù)數(shù)據(jù)通信終端為了滿足不同用戶的不同需求，基本都采用的是透明UDP傳輸協(xié)議。為了增強數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，提高探測設(shè)備的來報率，在不改變原有自動氣象站軟件的情況下，就要對原本的通信協(xié)議進行改進。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邏輯結(jié)構(gòu)

2 DCU的設(shè)計

DCU應(yīng)具備串口通信功能，能夠收發(fā)自動氣象站數(shù)據(jù)和DPC的控制命令。此外DCU還應(yīng)具有自動登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)、自動檢測網(wǎng)絡(luò)在線狀態(tài)、下線時自動撥號、按照設(shè)置的周期向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送注冊信息，以及按照設(shè)定的端口和協(xié)議向指定IP地址發(fā)送用戶協(xié)議數(shù)據(jù)等功能。

2.1 硬件設(shè)計

DCU硬件上可以分為電源、GPRS模塊、單片機和外圍部件4部分。電源主要為GPRS模塊和系統(tǒng)芯片提供電源；單片機主要內(nèi)嵌了TCP／IP協(xié)議，負責(zé)將采集器數(shù)據(jù)打包成用戶協(xié)議，控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信網(wǎng)絡(luò)；GPRS模塊負責(zé)無線通信；外圍部件包括串口、SIM卡座接口等，完成接口的轉(zhuǎn)換。電路原理圖如圖2所示。

單片機選用W77E58芯片，其自帶的32KB ROM和1KB的SRAM，雙串口、雙指針、13個中斷源、3個16位定時器，能夠滿足硬件設(shè)計。I2C總線芯片選用CAT24WC64，用于存儲設(shè)備設(shè)置參數(shù)，如通信波特率等。串行口通信芯片MAX202將通信信號轉(zhuǎn)換成RS232電平，實現(xiàn)與自動氣象站的通信。GPRS模塊采用MC35i模塊，它是Siemens公司新一代無線通信GSM模塊，內(nèi)嵌的軟件部分執(zhí)行應(yīng)用接口和所有GSM協(xié)議站的功能，它主要由GSM基帶處理器（GSM Baseband Processor）、GSM射頻部分、電源模塊（ASIC）、閃存、ZIF連接器、天線接口6部分組成[2]。

圖2 模塊硬件電路

2.2 軟件設(shè)計

DCU上電初始化后，就會連接配置MC35i模塊，成功后進行撥號，流程如圖3所示。撥號又分為2個階段：第一步首先登陸基站服務(wù)器；第二步通過基站服務(wù)器的LCP配置、PAP／CHAP認(rèn)證建立PPP鏈接，取得IP地址獲準(zhǔn)登陸到GPRS網(wǎng)絡(luò)。取得IP地址后，DCU就可在PPP協(xié)議的框架中嵌入TCP／IP協(xié)議進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 軟件流程

按照功能層次從下到上軟件設(shè)計可以分為串口驅(qū)動層、GPRS模塊驅(qū)動層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、UDP協(xié)議層、RUDP協(xié)議層幾部分。串口驅(qū)動層是軟件最底層的協(xié)議，主要實現(xiàn)打開、關(guān)閉串口，讀寫串口數(shù)據(jù)的功能。GPRS模塊的驅(qū)動主要是依靠AT指令來完成，對于MC35i的配置和操作可參見其用戶資料和相關(guān)文獻，因比較成熟這里就不再詳細介紹。需要注意的是MC35i模塊在點火之前必須先關(guān)閉單片機的相應(yīng)串行口，否則MC35i會因載波不正常而無法工作，另外由于MC35i讀SIM卡大約需要10s時間，延時時間一定要夠用。PPP（Point to Point Protocol）協(xié)議也叫點對點協(xié)議，主要任務(wù)有鏈路建立、維護、拆除、上層協(xié)議協(xié)商和認(rèn)證等[3]。下面分別是打開、關(guān)閉串口和通過串口發(fā)送一個字符的程序：

3 RUDP協(xié)議設(shè)計

3.1 UDP協(xié)議的優(yōu)缺點

在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用中，UDP協(xié)議特別適合于頻繁、少量的突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。UDP協(xié)議采用面向非連接的傳輸策略，使得UDP協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸過程中避免如TCP協(xié)議那樣產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)確認(rèn)和數(shù)據(jù)確認(rèn)而消耗系統(tǒng)資源，大大提高了UDP協(xié)議的傳輸速度和效率，同時也不存在如TCP協(xié)議的海量并發(fā)連接問題。對絕大多數(shù)基于消息包傳遞的應(yīng)用程序來說，特別在無線網(wǎng)絡(luò)中，基于幀的通信比基于流的通信更為直接和有效[4]。但UDP協(xié)議不提供數(shù)據(jù)傳送保證機制協(xié)議，存在可靠性差、傳輸功能單一的缺點。所以在充分利用UDP協(xié)議優(yōu)勢的前提下，為確保自動氣象站資料傳輸?shù)目煽啃裕岣呔W(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的性能，通過對UDP協(xié)議結(jié)構(gòu)的改進，解決UDP協(xié)議的無連接性、多個數(shù)據(jù)報突發(fā)傳輸時可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)報無序性及流量控制問題。

3.2 RUDP協(xié)議的結(jié)構(gòu)設(shè)計[5]

在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，UDP協(xié)議處于網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的傳輸層，通過在傳輸層與應(yīng)用層之間加入可靠傳輸協(xié)議RUDP，形成5層的協(xié)議結(jié)構(gòu)，包括應(yīng)用層、RUDP層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和物理層。

RUDP通過對UDP協(xié)議結(jié)構(gòu)的擴展，在原8個字節(jié)報頭的基礎(chǔ)上增加5個字節(jié)，用于對自動氣象站資料進行有序報文封裝、站號標(biāo)識及報文識別，其結(jié)構(gòu)如下所示。

字節(jié)1～8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4～6 5 5 3 6 U D P報頭命令標(biāo)識I D高位I D低位數(shù)據(jù)包流水號高位數(shù)據(jù)包流水號低位用戶數(shù)據(jù)，可變長度，一般小于1 K B

① 第9個字節(jié)“命令”指DCU與DPC通信的握手標(biāo)識，不同的標(biāo)識表示UDP包是注冊包（DCU上線時發(fā)出）、心跳包（DCU在線定時測試通信鏈路）還是用戶數(shù)據(jù)包等。

② 第10個字節(jié)“ID高位”和第11個字節(jié)“ID低位”指DCU標(biāo)識0～65 535，用于區(qū)別不同安裝地點的自動氣象站發(fā)送的信息。

③ 第12個字節(jié)“數(shù)據(jù)包序列號高位”和第13個字節(jié)“數(shù)據(jù)包序列號低位”指每個自動氣象站發(fā)送到DPC的數(shù)據(jù)包流水號，從0～65 535重復(fù)執(zhí)行，用于使UDP報文從無序變?yōu)橛行颉?/p>

④ 從第14個字節(jié)開始到第65 536個字節(jié)為自動氣象站的監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)自動氣象站每次觀測的數(shù)據(jù)量、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的特性及UDP協(xié)議的特點，用戶數(shù)據(jù)長度一般可設(shè)計小于1KB。

3.3 RUDP協(xié)議的工作原理

當(dāng)DCU完成與無線網(wǎng)絡(luò)有關(guān)PPP通信鏈路的操作協(xié)商后，IP通信鏈路被創(chuàng)建。DCU向通信服務(wù)系統(tǒng)發(fā)出長度為13字節(jié)的RUDP注冊包，在DPC進行登記后，就可以進行基于RUDP協(xié)議報文的資料傳輸，同時通過定時器的注冊包連續(xù)無回應(yīng)次數(shù)K來判斷通信鏈路是否建立成功，其工作流程如圖4所示。為了避免通信鏈路不穩(wěn)定或斷鏈時進行無效的數(shù)據(jù)傳輸，在每次完成緩沖隊列的數(shù)據(jù)傳輸前，都要進行鏈路RUDP心跳包（13字節(jié)）測試。在數(shù)據(jù)等待隊列為空時，通過啟動定時器的次數(shù)M決定是否發(fā)送心跳包來保持DCU的PPP鏈路持續(xù)連接。當(dāng)永久連接的鏈路出現(xiàn)錯誤時，通過定時器的心跳包連續(xù)無回應(yīng)次數(shù)N來決定是否關(guān)閉通信鏈路。

圖4 RUDP協(xié)議的工作流程

在圖4的RUDP協(xié)議工作模式中，定時器1、定時器2、定時器3和K、M、N為何值時，RUDP協(xié)議工作在最佳狀態(tài)？在不同帶寬的通信網(wǎng)絡(luò)中，其取值可能不太一樣。如基于GPRS業(yè)務(wù)的自動氣象站資料傳輸網(wǎng)絡(luò)中，從DPC服務(wù)器到DCU的PING時間最大延時為3s，則對于小數(shù)據(jù)量注冊包和心跳包的定時器1及定時器2的等待時間可設(shè)定為6s左右，連續(xù)沒有收到ACK包的K、N值可設(shè)定為3次；對于每分鐘產(chǎn)生300字節(jié)的氣象觀測數(shù)據(jù)包，定時器3及定時器4的等待時間可設(shè)定為12s左右，M可在定時器3連續(xù)累計時間3～5min取值，視網(wǎng)絡(luò)情況及需要，若為3min，則 M為180／12＝15。

基于RUDP的自動氣象站資料傳輸采用消息收發(fā)同步以及流量控制。探測數(shù)據(jù)傳遞的序號采用兩個字節(jié)無符號整數(shù)表示，取值范圍為0～65 535，形成一個大的循環(huán)隊列，發(fā)送數(shù)據(jù)大小相同且可設(shè)為一次探測數(shù)據(jù)的大小，有效地控制了發(fā)送數(shù)據(jù)的速度，防止在大流量時出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)過度擁塞的現(xiàn)象。在可靠數(shù)據(jù)傳遞協(xié)議中保證數(shù)據(jù)可靠傳遞的基本就是要使用確認(rèn)技術(shù)。在RUDP的設(shè)計中為了更好地控制流量，達到最大限度地利用網(wǎng)絡(luò)資源的目的，采用捎帶確認(rèn)、累計確認(rèn)和超時確認(rèn)方式相結(jié)合的方式來實現(xiàn)確認(rèn)。

結(jié) 語

通過對數(shù)據(jù)通信終端系統(tǒng)的設(shè)計，研究了基于UDP協(xié)議的可靠應(yīng)用傳輸協(xié)議。廣東省區(qū)域站監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中1800多個自動氣象站全部使用該DCU，實際應(yīng)用中取得了良好的效果，來報率達到99.7%以上。測試和應(yīng)用表明，該技術(shù)解決了基于無線網(wǎng)絡(luò)無人值守，及實時性、突發(fā)性UDP數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性、無序性等問題，實現(xiàn)了大規(guī)模突發(fā)浪涌氣象數(shù)據(jù)的實時傳輸，滿足氣象現(xiàn)代化業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。

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