基于4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙杰

（河南藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

基于4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙杰

（河南藝術(shù)職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

本文對(duì)4G網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控通信的相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并以車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控為例，設(shè)計(jì)基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控通信系統(tǒng)。結(jié)合4G模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在ARM系統(tǒng)和服務(wù)器之間的傳輸，以期達(dá)到更好的遠(yuǎn)程監(jiān)控通信效果。

4G網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；通信系統(tǒng)

目前，眾多領(lǐng)域都對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信有著很大的需求。4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備傳輸時(shí)上行帶寬大，傳輸時(shí)延較小的特點(diǎn)，為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)高清傳輸提供了技術(shù)基礎(chǔ)。伴隨4G通信技術(shù)的不斷進(jìn)步及4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大，無(wú)線(xiàn)視頻傳輸系統(tǒng)在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用得到進(jìn)一步加深。

1 4G網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程監(jiān)控通信

目前，在日常生活中以及不同領(lǐng)域的生產(chǎn)和加工等過(guò)程中，對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信有著極大的需求。通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信，能夠在任意位置隨時(shí)觀察特定地點(diǎn)的實(shí)際情況，觀察各種生產(chǎn)活動(dòng)的開(kāi)展情況、各種試驗(yàn)設(shè)備的工作狀態(tài)等。另外，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集等活動(dòng)，可以為人們的各種監(jiān)控和管理提供極大的便利。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的演化，目前第四代移動(dòng)通信技術(shù)（4G）已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸成熟的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，并被逐漸應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。尤其是隨著各種便攜式移動(dòng)終端的出現(xiàn)，可以更好地利用4G網(wǎng)絡(luò)對(duì)各種高質(zhì)量信號(hào)傳輸進(jìn)行承載，并完成各種遠(yuǎn)程監(jiān)控與通信活動(dòng)。

2 基于4G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控通信是目前在交通管理領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)手段，涉及到無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和車(chē)載終端等多個(gè)部分，在智能交通領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以對(duì)不同車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)、具體位置等予以實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸具備自身獨(dú)有特點(diǎn)，以此類(lèi)特點(diǎn)為依據(jù)，結(jié)合實(shí)際需求進(jìn)行本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本次設(shè)計(jì)的技術(shù)方案將數(shù)據(jù)采集后的解析處理和封裝處理，以及通過(guò)4G模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)到遠(yuǎn)端服務(wù)器的傳輸過(guò)程作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。其中，內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集完成后對(duì)其進(jìn)行符合預(yù)定報(bào)文格式的解析處理，經(jīng)重新封裝后發(fā)送至ARM控制系統(tǒng)。ARM接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)傳輸至4G模塊，4G模塊利用4G網(wǎng)絡(luò)根據(jù)IP地址向遠(yuǎn)端服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。該過(guò)程中通過(guò)上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)及發(fā)送情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并完成后臺(tái)存儲(chǔ)處理。利用客戶(hù)端軟件可以向服務(wù)器進(jìn)行車(chē)輛信息查詢(xún)。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用廣州致遠(yuǎn)電子生產(chǎn)的產(chǎn)品IOT-3960l作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板。處理器選用性能較高的Freescale 454MHz MCIMX287 ARM9處理器。集成128MB 200MHz二代內(nèi)存及128MB NAND FLASH，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙路以太網(wǎng)的支持。隔離模塊為具備較高性能的CAN-bus隔離模塊，該模塊同時(shí)支持RS485、USB2.0、UART等功能，同時(shí)能夠滿(mǎn)足多種方式的系統(tǒng)升級(jí)需求。系統(tǒng)4G模塊使用上海龍尚公司的longsungU8300C產(chǎn)品。該產(chǎn)品無(wú)線(xiàn)模塊支持多種制式的網(wǎng)絡(luò)，在FDD-LTE網(wǎng)路下，其接入上行速度和下行速度分別可以達(dá)到50Mbps和100Mbps，在TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)下，接入上行速度和下行速度可達(dá)18Mbps和61Mbps。此外，該模塊集成接口類(lèi)型較多，包括RESET、UART、USIM/SIM、USB等多種接口，同時(shí)具備豐富的AT指令，表現(xiàn)出很高的靈活性和操作便捷性［1］。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

選用版本號(hào)Linux2.6.35的平臺(tái)定制內(nèi)核作為本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)內(nèi)核。longsungU8300C模塊集成多種接口，如包含USB、UART接口等。以數(shù)據(jù)傳輸速度作為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信功能時(shí)確定選用ARM系統(tǒng)和USB接口。實(shí)現(xiàn)通信功能必須將USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)等4G網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動(dòng)添加至Linux內(nèi)核，并確保支持PPP撥號(hào)協(xié)議，對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯并下載到開(kāi)發(fā)板。對(duì)撥號(hào)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試可采用ping域名或者IP的方式。由于UDP協(xié)議具備較快的傳輸速度，因此4G模塊和服務(wù)器之間采用UDP通信協(xié)議［2］。4G遠(yuǎn)程客戶(hù)端的終端程序運(yùn)行時(shí)，首先調(diào)用相應(yīng)函數(shù)獲取文件描述，對(duì)端口號(hào)和傳送協(xié)議進(jìn)行定義，調(diào)用sendto()函數(shù)以IP為依據(jù)對(duì)指定服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，等待服務(wù)器回應(yīng)。調(diào)用recvfrom()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)服務(wù)器回傳消息數(shù)據(jù)的接收，并對(duì)接收到的服務(wù)器回傳確認(rèn)消息進(jìn)行增加時(shí)間戳處理后繼續(xù)發(fā)送。如果無(wú)法接收到來(lái)自服務(wù)器的回傳數(shù)據(jù)，客戶(hù)端將保持阻塞狀態(tài)進(jìn)行無(wú)限等待。引起客戶(hù)端接受服務(wù)器回傳數(shù)據(jù)失敗，保持無(wú)限等待阻塞狀態(tài)的可能性有2個(gè)，一是服務(wù)器收到來(lái)自客戶(hù)端的數(shù)據(jù)后進(jìn)行了確認(rèn)并完成確認(rèn)消息數(shù)據(jù)回傳，但數(shù)據(jù)在向客戶(hù)端傳輸過(guò)程中丟失，導(dǎo)致客戶(hù)端沒(méi)有接收到回傳數(shù)據(jù)；二是客戶(hù)端向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中丟失，服務(wù)器并沒(méi)有接收到數(shù)據(jù)，自然不會(huì)產(chǎn)生確認(rèn)數(shù)據(jù)。這兩種原因都會(huì)導(dǎo)致客戶(hù)端沒(méi)有接收到回傳數(shù)據(jù)，進(jìn)而保持無(wú)限等待的阻塞狀態(tài)。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)者結(jié)合alarm()鬧鐘函數(shù)為recvfrom()函數(shù)設(shè)置了5s超時(shí)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)為確保數(shù)據(jù)能夠被繼續(xù)發(fā)送，還調(diào)用sigaction()函數(shù)，并將函數(shù)參數(shù)設(shè)置為SA_NOMASK，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)送的不重啟動(dòng)。這種機(jī)制能夠終端recvfrom()，禁止客戶(hù)端保持阻塞狀態(tài)，推動(dòng)程序繼續(xù)向下執(zhí)行，數(shù)據(jù)傳送過(guò)程完成后，服務(wù)器及客戶(hù)端調(diào)用close()關(guān)閉函數(shù)。以傳輸速率為標(biāo)準(zhǔn)，選用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶(hù)端和服務(wù)器之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸。在實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控過(guò)程中，如果對(duì)數(shù)據(jù)要求不高，或者采集頻率較高時(shí)，可以選擇直接中斷前面，開(kāi)始下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚矸绞?，這種情況造成的數(shù)據(jù)包丟失屬可接受范圍，大多數(shù)時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸都處于穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)據(jù)丟失后開(kāi)始進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)傳輸時(shí)服務(wù)器會(huì)接到通知，數(shù)據(jù)連續(xù)丟失且到達(dá)設(shè)定值時(shí)服務(wù)器能夠提供報(bào)警。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)景、應(yīng)用需求對(duì)報(bào)警范圍進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。伴隨4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步和覆蓋范圍的擴(kuò)大，數(shù)據(jù)丟包情況已經(jīng)得到嚴(yán)格控制，不會(huì)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和效果造成影響。

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

首先，按照相關(guān)協(xié)議對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行組包處理，利用ARM控制系統(tǒng)將處理后的數(shù)據(jù)包由USB接口輸送至4G網(wǎng)絡(luò)模塊，4G終端接入4G網(wǎng)絡(luò)后向服務(wù)器IP發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)定頻率1s/次，服務(wù)器接對(duì)來(lái)自客戶(hù)端模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行增加時(shí)間戳處理后直接發(fā)回。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)到達(dá)服務(wù)器，服務(wù)器按照制定好的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并按條目存入數(shù)據(jù)庫(kù)?？蛻?hù)端可以選擇自行開(kāi)發(fā)的具備車(chē)輛信息實(shí)施查詢(xún)功能的電動(dòng)汽車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。具體實(shí)施過(guò)程中，為每輛車(chē)編制固定ID，結(jié)合ID號(hào)對(duì)車(chē)輛信息進(jìn)行實(shí)時(shí)查詢(xún)，如車(chē)輛位置、車(chē)載電池電壓、溫度等［3］。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合來(lái)看，本次設(shè)計(jì)以嵌入式Linux2.6操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺(tái)，處理器則選擇具備較高性能的ARM9，采用的4G網(wǎng)絡(luò)模塊上集成了各種接口，因此能夠在應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)時(shí)起到很大的簡(jiǎn)化效果，也為系統(tǒng)后期擴(kuò)展提供良好保障。本次設(shè)計(jì)經(jīng)實(shí)際完成4G網(wǎng)絡(luò)接入及遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，客戶(hù)端軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控查詢(xún)功能。經(jīng)驗(yàn)證，本設(shè)計(jì)運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸順暢，能夠發(fā)揮良好的4G遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。

［1］胡圣堯，楊子立，關(guān)靜，等.基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)，2016（9）：1865-1866，1892.

［2］梁茂麒.基于4G的智能家居遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.信息通信，2015（2）：226-227.

［3］譚寶成，曹?chē)?guó)浩.4G網(wǎng)絡(luò)在無(wú)人駕駛智能車(chē)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2015（15）：30-32.

Design and Implementation of Remote Monitoring Communication Based on 4G Network

Zhao Jie
（Henan Art Vocational College，Zhengzhou Henan 450000）

In this paper,the characteristics of the 4G network and remote monitoring communication were analyzed, and taking the remote monitoring vehicle as an example,a remote monitoring communication system based on 4G network was designed.Combine 4G module to realize data transmission between ARM system and server,in order to achieve better remote monitoring communication effect.

4G network；remote monitoring；communication system

TN929.53；TP277

A

1003-5168（2017）05-0056-02

2017-04-16

趙杰（1970-），女，本科，助教，研究方向：廣播電視技術(shù)。