基于Socket技術(shù)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

游積平，崔哲虎，高建秋，鐘晨，趙博，鄭凱，林俊君

（1.廣東省人工影響天氣辦公室，廣東廣州　510080；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京　100081）

基于Socket技術(shù)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

游積平1，崔哲虎2，高建秋1，鐘晨1，趙博1，鄭凱1，林俊君1

（1.廣東省人工影響天氣辦公室，廣東廣州510080；2.中國(guó)氣象科學(xué)研究院，北京100081）

介紹了飛機(jī)增雨的空地傳輸串口通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口Socket技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)信息加密傳輸技術(shù)，通過具有公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器為信息轉(zhuǎn)發(fā)平臺(tái)，以無線數(shù)字電臺(tái)結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)為通信載體，在Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)下利用C++Builder語言搭建異步、非阻塞和多線程的遠(yuǎn)程飛機(jī)增雨信息傳輸平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了增雨飛機(jī)與地面之間的遠(yuǎn)程通信。

計(jì)算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用；套接字技術(shù)；飛機(jī)增雨；遠(yuǎn)程通信；空地傳輸

游積平，崔哲虎，高建秋，等.基于Socket技術(shù)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)［J］.廣東氣象，2016，38（4）：70-73.

2010年中國(guó)氣象局為推進(jìn)全國(guó)人工影響天氣工作機(jī)制體制創(chuàng)新，加強(qiáng)跨?。▍^(qū)）聯(lián)合作業(yè)，統(tǒng)籌考慮天氣系統(tǒng)上下游相關(guān)地方人工增雨的有利條件，組織開展規(guī)模化的作業(yè)，旨在提高區(qū)域性作業(yè)水平和服務(wù)整體效益，推動(dòng)建立跨省（區(qū)）人影作業(yè)機(jī)制。目前我國(guó)大部分省均已開展飛機(jī)增雨的業(yè)務(wù)工作，飛機(jī)增雨作為實(shí)現(xiàn)跨省、跨區(qū)域作業(yè)的一個(gè)主要手段，空地通信能夠科學(xué)有效地指揮飛機(jī)開展增雨作業(yè)，只有了解飛機(jī)的實(shí)際飛行情況，結(jié)合地面的氣象資料及時(shí)指導(dǎo)飛機(jī)增雨作業(yè)，才能提高飛機(jī)增雨效率。飛機(jī)增雨空地通信方式主要有無線電臺(tái)［1-3］、北斗衛(wèi)星［4-5］等。北斗衛(wèi)星雖然具有通信遠(yuǎn)、不受地形影響等特點(diǎn)，但其帶寬窄、費(fèi)用高，每次只能發(fā)送幾十個(gè)字節(jié)的短信，不能傳輸圖像、數(shù)據(jù)文件，且需在飛機(jī)上方安裝北斗衛(wèi)星天線，一定程度上影響北斗衛(wèi)星在飛機(jī)增雨業(yè)務(wù)中的應(yīng)用。利用數(shù)字無線電臺(tái)在其有效半徑（200 km）范圍內(nèi)進(jìn)行空地信息通信，實(shí)現(xiàn)較大數(shù)據(jù)文件的傳輸，而且具有安裝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，若結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，建立基于Socket技術(shù)的遠(yuǎn)程通信平臺(tái)，對(duì)開展飛機(jī)跨省增雨作業(yè)，實(shí)現(xiàn)地面與飛機(jī)甚至飛機(jī)與飛機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信，有效提高全國(guó)人工增雨作業(yè)規(guī)?；?、集約化和區(qū)域云水資源利用率具有重要意義。

1　關(guān)鍵技術(shù)的處理

1.1互聯(lián)網(wǎng)通信與串口通信的銜接

目前互聯(lián)網(wǎng)通信主要利用Socket技術(shù)，通過公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器實(shí)現(xiàn)C/S模式下多個(gè)客戶端機(jī)器之間的有效連接。服務(wù)器端作為一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的機(jī)器，主要負(fù)責(zé)將某一用戶發(fā)來的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)送到另一用戶和管理所有在線用戶的信息。而對(duì)于客戶端在向服務(wù)器端的Socket發(fā)出連接請(qǐng)求并與服務(wù)器建立連接后，就可以通過Internet傳輸數(shù)據(jù)和文件，其傳輸方式主要有阻塞、同步和非阻塞、異步等。飛機(jī)增雨的空地?cái)?shù)據(jù)傳輸通過飛機(jī)上的PC機(jī)與地面上PC機(jī)之間的串口通信，無線數(shù)字電臺(tái)是實(shí)現(xiàn)空地之間通信的載體，而與地面數(shù)字電臺(tái)和互聯(lián)網(wǎng)連接的PC機(jī)既是客戶端又是服務(wù)器端，對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)來說，該P(yáng)C機(jī)是客戶端，但對(duì)于增雨飛機(jī)來說，該P(yáng)C機(jī)相當(dāng)于服務(wù)器端，解析由互聯(lián)網(wǎng)傳來的數(shù)據(jù)包信息并通過串口轉(zhuǎn)發(fā)到增雨飛機(jī)上的電腦。同時(shí)，解析由增雨飛機(jī)上串口傳來的信息轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)其它用戶。當(dāng)從互聯(lián)網(wǎng)Client Socket控件On Read事件中的Receive Buf函數(shù)獲得數(shù)據(jù)包并進(jìn)行解析，若該數(shù)據(jù)包是發(fā)給增雨飛機(jī)的，則通過串口通信YbCommDevice控件中的Write Package函數(shù)將此數(shù)據(jù)包發(fā)出；同樣，當(dāng)從串口通信Yb Comm Device控件On Package事件中Read Package的函數(shù)獲得的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，若此數(shù)據(jù)包是發(fā)給地面互聯(lián)網(wǎng)用戶的，則通過互聯(lián)網(wǎng)通信Socket控件的Send Buf函數(shù)將此數(shù)據(jù)包發(fā)送給公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器，并由此服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到指定的互聯(lián)網(wǎng)客戶。通過互聯(lián)網(wǎng)和串口通信的銜接技術(shù)從而實(shí)現(xiàn)增雨飛機(jī)與地面互聯(lián)網(wǎng)多個(gè)客戶端用戶的數(shù)據(jù)交流。

1.2人影數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芎徒饷芗夹g(shù)

由于互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息傳輸大多數(shù)是沒有經(jīng)過加密處理，對(duì)于人工影響天氣的作業(yè)指令發(fā)送和增雨飛機(jī)的實(shí)時(shí)航跡傳輸?shù)纫恍┲匾畔⑷菀妆粋陕牻厝。踔翋阂獯鄹?，為保證在互聯(lián)網(wǎng)中人影數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}，飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信平臺(tái)在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸中采用了目前技術(shù)上較為成熟的對(duì)稱密鑰加密方法對(duì)人影作業(yè)信息進(jìn)行加密處理，對(duì)稱加密算法是一種傳統(tǒng)的密碼算法，在互聯(lián)網(wǎng)中不同節(jié)點(diǎn)之間的加密解密雙方擁有相同的密鑰，在互聯(lián)網(wǎng)的客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)信息前進(jìn)行加密，到達(dá)服務(wù)器后進(jìn)行解密，了解數(shù)據(jù)包的屬性和接收方，然后對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密轉(zhuǎn)送到接收端，接收端對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解密。因此在互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中其安全性主要依靠于密鑰的保管。

2　廣東飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程空地通信平臺(tái)

2.1通信架構(gòu)

空地通信系統(tǒng)采用了有線互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合數(shù)字電臺(tái)的無線通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式。其中有2個(gè)通信端節(jié)點(diǎn)是非常重要的，一個(gè)Socket服務(wù)器端節(jié)點(diǎn)，所有通信端均登錄到Socket服務(wù)器，由Socket服務(wù)器組織各通信節(jié)點(diǎn)之間的通信，完成互聯(lián)網(wǎng)之間數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)；另一個(gè)重要的通信節(jié)點(diǎn)是既連接數(shù)字電臺(tái)又連接互聯(lián)網(wǎng)的地空連接端，在地面上的互聯(lián)網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn)與飛機(jī)的通信要通過地空連接端，它實(shí)際起到一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與增雨飛機(jī)之間的地空通信互傳的作用。增雨飛機(jī)上有2個(gè)電臺(tái)，一個(gè)電臺(tái)與GPS定位設(shè)備相連，負(fù)責(zé)將增雨飛機(jī)的定位信息向地面發(fā)送，并由地空連接端將增雨飛機(jī)的實(shí)時(shí)定位信息轉(zhuǎn)送到互聯(lián)網(wǎng)端的其它節(jié)點(diǎn)；另一個(gè)電臺(tái)用于空-地通信，通過地空連接端，實(shí)現(xiàn)將互聯(lián)網(wǎng)上的其它節(jié)點(diǎn)與增雨飛機(jī)之間的互送信息。對(duì)于互聯(lián)網(wǎng)端，在地面上只要通過Internet，登錄到廣東省人影辦的Socket服務(wù)器，就可實(shí)現(xiàn)與增雨飛機(jī)的實(shí)時(shí)通信。飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D見圖1。

2.2信息流程

飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程空地通信系統(tǒng)的建立是基于互聯(lián)網(wǎng)的Socket技術(shù)和無線電臺(tái)的串口通信技術(shù)，其通信信息流程見圖2。

圖1　基于Socket技術(shù)飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

在互聯(lián)網(wǎng)端的服務(wù)器監(jiān)聽特定的一個(gè)端口，等待客戶端的連接請(qǐng)求，在接到互聯(lián)網(wǎng)客戶端的連接請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器就為它建立一個(gè)連接，并把該連接的有關(guān)信息加入到用戶鏈表。在建立連接的過程中，服務(wù)器與客戶機(jī)都被分配一個(gè)本地端口，并將套接字綁定到各自的端口上進(jìn)行通信。廣東飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程空地通信平臺(tái)利用C+ +Builder編程語言進(jìn)行開發(fā)建設(shè)，采用非阻塞、異步通信連接方式，在互聯(lián)網(wǎng)的客戶端和地空連接端分別將ClientSocket控件的ClientType屬性設(shè)置為ctNonBlocking（非阻塞連接）、端口號(hào)Port =11000；服務(wù)器端的ServerSocket的ServerType屬性同樣設(shè)置為ctNonBlocking、端口號(hào)Port= 11000。當(dāng)服務(wù)器端的Socket進(jìn)行讀或?qū)憰r(shí)，客戶端和地空連接端就會(huì)觸發(fā)OnRead或OnWrite異步讀或?qū)懯录Ｍ?，?dāng)客戶端的Socket試圖進(jìn)行讀或?qū)憰r(shí)，服務(wù)器端的Socket也會(huì)觸發(fā)On-Read或OnWrite異步讀或?qū)懯录?。并利用C++Builder語言提供的TThread類完成多線程的文件傳輸功能。同時(shí)，在互聯(lián)網(wǎng)通信過程中均使用了對(duì)稱密鑰加密方法進(jìn)行加密，增雨飛機(jī)終端通過地空連接端登錄到服務(wù)器，作為一個(gè)單獨(dú)的客戶加入到服務(wù)器的用戶鏈表中，實(shí)現(xiàn)與其它用戶進(jìn)行通信。

圖2　基于Socket技術(shù)飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信信息流程圖

2.3設(shè)計(jì)思路

飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信平臺(tái)的研發(fā)是充分利用廣東人影現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)條件進(jìn)行的。包括目前已有的無線數(shù)字電臺(tái)、公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器、計(jì)算機(jī)、GPS定位設(shè)備、3G無線上網(wǎng)卡以及飛機(jī)增雨作業(yè)外場(chǎng)的ADSL有線寬帶網(wǎng)等硬件，通過軟件開發(fā)將這些設(shè)備有效地連接一起。同時(shí)，設(shè)計(jì)每個(gè)通信包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和信息標(biāo)識(shí)，數(shù)據(jù)包中前4個(gè)字節(jié)分別代表要傳輸該數(shù)據(jù)包的信息。其中$NU$用戶#1：代表新用戶進(jìn)入；$ CL$用戶#1：代表該在線用戶退出；$SE$用戶1 #1用戶2#2：代表用戶1向用戶2發(fā)送文字信息；$AU$用戶名#1：代表該用戶向所有在線用戶群發(fā)信息；$FI$用戶1#1用戶2#2文件名#3文件大小#4每次傳輸文件包的大小#5：代表用戶1向用戶2發(fā)送要傳輸?shù)奈募畔ⅲ瑢⒁獋鬏數(shù)奈募?、文件大小以及每次傳輸?shù)據(jù)包的大小告知用戶2；$FT$用戶1#2用戶2#2：代表用戶1向用戶2發(fā)送文件內(nèi)容；$FE$用戶1#1用戶2# 2：代表用戶1向用戶2發(fā)送文件最后一個(gè)數(shù)據(jù)包等，其中$、#1、#2、#3、#4、#5均為分隔符。通過計(jì)算機(jī)的串口通信與互聯(lián)網(wǎng)通信的有效銜接，在互聯(lián)網(wǎng)傳輸過程中利用公網(wǎng)IP地址的服務(wù)器解析數(shù)據(jù)包內(nèi)容識(shí)別用戶和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，從而實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶對(duì)增雨飛機(jī)的遠(yuǎn)程通信（圖3）。

圖3　增雨飛機(jī)空地通信平臺(tái)界面

其中通信平臺(tái)界面右上角的在線用戶可以是多個(gè)互聯(lián)網(wǎng)用戶或者增雨飛機(jī)的用戶，選擇不同的用戶名就可以向其發(fā)送信息或發(fā)送文件。

3　業(yè)務(wù)應(yīng)用

廣東飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程空地平臺(tái)之間的串口通信速率為19 200 bit/s（波特率bps）、輸入輸出緩沖均為8 192 byte（字節(jié)），為解決由于互聯(lián)網(wǎng)傳輸速率快而空地串口傳輸速率慢容易造成數(shù)據(jù)緩沖溢出等問題，適當(dāng)降低有線互聯(lián)端的傳輸速率，在由地面互聯(lián)客戶端向增雨飛機(jī)傳輸文件過程中，每個(gè)數(shù)據(jù)包大小設(shè)定1 024 byte，而數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔設(shè)定2 s，即每隔2 s發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，這樣較好地解決了互聯(lián)網(wǎng)與無線網(wǎng)之間由于傳輸速率差別所造成的數(shù)據(jù)緩沖溢出。

廣東飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程空地平臺(tái)已經(jīng)投入實(shí)際飛機(jī)人工增雨業(yè)務(wù)使用，每年3—5月開展飛機(jī)增雨作業(yè)中，在廣東省氣象局安放一臺(tái)具有公網(wǎng)IP的計(jì)算機(jī)作為SOCKET服務(wù)器，以深圳機(jī)場(chǎng)或佛山機(jī)場(chǎng)或湛江機(jī)場(chǎng)作為空地通信的地面接收、發(fā)送及中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，而在互聯(lián)網(wǎng)上作為其它的通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，組成一個(gè)全方位、空地為一體的遠(yuǎn)程通信平臺(tái)，其業(yè)務(wù)應(yīng)用通信方式及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布局見圖4。

圖4　基于SOCKET技術(shù)的飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程通信方式及網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接示意圖

在業(yè)務(wù)應(yīng)用中，不同的通信連接方式在不同的地點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)與空中飛行的增雨飛機(jī)之間進(jìn)行通信聯(lián)系和文件傳輸，且地面上各個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)也可相互通信。增雨飛機(jī)作為其中一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能與地面任何地點(diǎn)上的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。同時(shí)，通過增雨飛機(jī)上的其中一個(gè)數(shù)字電臺(tái)每隔2 s就實(shí)時(shí)向地面?zhèn)鬏敽桔E，在地面上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能同時(shí)接收并實(shí)時(shí)顯示增雨飛機(jī)的航跡，從而實(shí)現(xiàn)了在地面不同地點(diǎn)利用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控增雨飛機(jī)的能力。

4　結(jié)論

1）利用有線互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合無線數(shù)字電臺(tái)的綜合通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)增雨的遠(yuǎn)程空地傳輸，大大拓寬飛機(jī)增雨的空地通信距離，有利于我國(guó)組織開展跨省、跨區(qū)域的飛機(jī)增雨作業(yè)。

2）客戶端可采用多種通信方式連上互聯(lián)網(wǎng)并登錄到Socket服務(wù)器，就可以實(shí)現(xiàn)與增雨飛機(jī)的通信。

3）利用互聯(lián)網(wǎng)的Socket技術(shù)和空地串口通信技術(shù)的原理，可以實(shí)現(xiàn)增雨飛機(jī)與增雨飛機(jī)之間的通信聯(lián)絡(luò)。

4）由于數(shù)據(jù)無線電臺(tái)的傳輸距離有限，一般在半徑200 km左右，因此地面接收天線的位置和飛機(jī)作業(yè)區(qū)域不宜太遠(yuǎn)。

［1］游積平，馮永基，林俊君，等.飛機(jī)增雨遠(yuǎn)程遙控催化作業(yè)的實(shí)現(xiàn)［J］.氣象，2007，33（9）：103-106.

［2］阮征，彭浩，周國(guó)春，等.信息空地傳輸顯示系統(tǒng)及試用［J］.氣象，2005，31（7）：80-84.

［3］樊鵬，陳保國(guó)，郭強(qiáng)，等.飛機(jī)人工增雨空地傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］.氣象科技，2005，33（3）：260-263.

［4］陳農(nóng)，鄭凱，孫利民.黑龍江省飛機(jī)人工增雨空地傳輸系統(tǒng)業(yè)務(wù)化設(shè)計(jì)與研制［J］.黑龍江氣象，2008，25（2）：26-27.

［5］王文新，王金民，劉國(guó)進(jìn)，等.飛機(jī)人工增雪空地傳輸系統(tǒng)的研制及應(yīng)用［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008（6）：166 -171.

TP39

A

10.3969/j.issn.1007-6190.2016.04.018

2015-12-10

中國(guó)氣象科學(xué)研究院項(xiàng)目“飛機(jī)探測(cè)空地實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)”

游積平（1964年生），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事人工影響天氣工作。E-mail：jpyou@grmc.gov.cn