基于天通一號通信衛(wèi)星的云計算監(jiān)控系統(tǒng)研究

朱育林，陳志彬

（漳州理工職業(yè)學(xué)院，福建 漳州 363000）

0 引言

隨著科技信息網(wǎng)絡(luò)的深入發(fā)展，云計算應(yīng)運而生并得到了廣泛應(yīng)用。云計算通過網(wǎng)絡(luò)“云”將巨大的數(shù)據(jù)計算處理程序分解為無數(shù)個小程序，使得計算更加高效。云計算的應(yīng)用也促使了其他領(lǐng)域飛速發(fā)展，監(jiān)控領(lǐng)域就是其中的典型代表。監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用較為廣泛，并且在多個領(lǐng)域都起到了非常重要的作用，如智能家居、資源勘測、智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警、地籍繪制、智慧交通等。隨著監(jiān)控要求的不斷提高，監(jiān)控范圍越來越大，監(jiān)控需要的信息量也越來越大，當(dāng)采集設(shè)備完成信息采集之后，需要將信息傳輸?shù)竭h程控制終端，再在終端上進行異常分析，最后將得出的結(jié)果在客戶端進行顯示[1]。當(dāng)前云計算監(jiān)控系統(tǒng)雖然能夠處理大量的信息，但是存在一個較為嚴(yán)重的問題，即隨著采集信息量的增大，信息傳輸面臨巨大壓力，具體表現(xiàn)在兩個方面：一是受通信傳輸距離的限制，很多監(jiān)控系統(tǒng)只適用于短距離監(jiān)控；二是受到傳輸帶寬限制，傳輸容易發(fā)生擁塞問題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)常發(fā)生丟包現(xiàn)象，傳輸?shù)竭h程控制終端的數(shù)據(jù)完整性遭到破壞。

目前，應(yīng)用在監(jiān)控系統(tǒng)中的通信傳輸方式主要有GPRS、GSM、CDMA三種。GPRS通信具有實時性強、傳輸速率高、通訊費用低等特點，因此將GPRS通信用于監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計是一種經(jīng)濟、可靠、理想的方案[2]。GSM通信是一種數(shù)字移動通信技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點在于不受地域范圍限制、網(wǎng)絡(luò)容量大、穩(wěn)定性強，不易受干擾，并且能夠?qū)崿F(xiàn)雙向無線通信[3]。CDMA通信對信息進行調(diào)制后，可以擴展原數(shù)據(jù)信號的帶寬，再進行載波調(diào)制并發(fā)送信號，這種通信傳輸方式速率大，但是不能持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，否則容易發(fā)生沖突問題[4]。根據(jù)上述研究，結(jié)合天通一號通信衛(wèi)星，設(shè)計一種云計算監(jiān)控系統(tǒng)，以期通過該系統(tǒng)提高監(jiān)控質(zhì)量，實現(xiàn)云計算監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化。

1 基于天通一號通信衛(wèi)星的云計算監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用使得人們能夠及時掌握監(jiān)控目標(biāo)的狀態(tài)與變化規(guī)律，以便及時采取應(yīng)對措施。隨著監(jiān)控要求的不斷提高，監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測的信息應(yīng)該更加全面，這就使得監(jiān)控系統(tǒng)需要采集更多的信息[5]。為了滿足監(jiān)控系統(tǒng)的需要，云計算監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計要考慮以下兩個功能：一是能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的遠距離傳輸數(shù)據(jù)；二是能夠擁有強大的通信資源，保證數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)耐暾裕苊獬霈F(xiàn)丟包問題[6]。天通一號通信衛(wèi)星是衛(wèi)星通信方式的一種，與銥星、海事衛(wèi)星、北斗相比，天通一號通信衛(wèi)星業(yè)務(wù)更加廣泛，包括話音、短信、數(shù)據(jù)、傳真。該通信衛(wèi)星優(yōu)勢明顯：使用成本更低；自主可控性好；單次最大報文字節(jié)達到320字節(jié)，單次傳輸容量更大。因此本研究結(jié)合天通一號通信衛(wèi)星設(shè)計云計算監(jiān)控系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

系統(tǒng)框架設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的首要環(huán)節(jié)，主要為整個系統(tǒng)設(shè)計提供基本思路?；贛VC的云計算監(jiān)控系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)主要分為四層，即數(shù)據(jù)采集層、通信層、業(yè)務(wù)處理層和顯示層。[7]采集層的主要功能是利用布置在現(xiàn)場的傳感器采集監(jiān)控目標(biāo)的信息。通信層的主要功能是利用天通一號通信衛(wèi)星將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到遠程數(shù)據(jù)處理終端中[8]。業(yè)務(wù)處理層的主要功能是接收數(shù)據(jù)包并解析，然后對數(shù)據(jù)進行處理，挖掘數(shù)據(jù)中隱藏的信息。顯示層的主要功能是顯示監(jiān)測結(jié)果。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件，即組成系統(tǒng)的物理設(shè)備。本系統(tǒng)的主要組成物理硬件包括采集設(shè)備、天通一號通信組件、處理器。采集設(shè)備—傳感器負責(zé)采集現(xiàn)場監(jiān)控目標(biāo)狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后利用天通一號通信衛(wèi)星將數(shù)據(jù)發(fā)送到處理器終端，最后運行處理器，進行數(shù)據(jù)挖掘與分析。[9]

1.2.1 采集設(shè)備

采集設(shè)備是系統(tǒng)的前端設(shè)備，主要布置在監(jiān)測現(xiàn)場。最常見的采集設(shè)備為傳感器，傳感器布設(shè)在監(jiān)控區(qū)內(nèi)，通過多跳的方式將數(shù)據(jù)通過天通一號通信衛(wèi)星傳輸?shù)焦芾砉?jié)點。[10]本系統(tǒng)所設(shè)計的無線傳感器優(yōu)勢如下：A級、B級精度高；長期穩(wěn)定；測量范圍大；功耗低。該傳感器的工作技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2.2 天通一號通信組件

天通一號通信衛(wèi)星是監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕O(shè)備。天通一號通信衛(wèi)星的通信框架如圖1所示。

通信模型設(shè)計步驟如下：

（1）分析天通AT命令，制定初始化AT命令；

（2）基于GSMO710MUX多路復(fù)用通信協(xié)議解析；

（3）Linux的內(nèi)核配置，生成多路復(fù)用的設(shè)備節(jié)點；

（4）PPP撥號配置，包括PPPD移植與啟動腳本配置等；

表1 傳感器工作技術(shù)參數(shù)

圖1 天通一號通信衛(wèi)星通信框架

（5）應(yīng)用層的程序設(shè)計。[11]

天通一號通信組件中主要包括天通通信模塊、HTD1001基帶芯片、HTDM1611-V11通信模塊、HTDM1611_SUB板等。相關(guān)技術(shù)參見如表2所示。

1.2.3 主處理器

主處理器是遠程終端中的關(guān)鍵硬件，負責(zé)數(shù)據(jù)接收、解析、處理以及挖掘分析等業(yè)務(wù)邏輯的運行，是系統(tǒng)的核心大腦[12]。主處理器電路圖見圖2。

所設(shè)計主處理器的優(yōu)勢主要有：緩存大，運行速度快；無線信號連接穩(wěn)定，聯(lián)網(wǎng)速率快；功耗低，支持長時間運行[13]。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

本項目主要針對三個關(guān)鍵模塊進行設(shè)計，即采集模塊、衛(wèi)星通信傳輸模塊和監(jiān)控分析模塊[14]。

表2 通信組件相關(guān)技術(shù)參數(shù)

圖2 主處理器電路圖

1.3.1 采集模塊

采集模塊設(shè)計主要是對系統(tǒng)前端現(xiàn)場部署傳感器的運行流程進行設(shè)計。傳感器采集數(shù)據(jù)的具體過程如下所述。

步驟1，傳感器部署在監(jiān)控區(qū)。

步驟2，監(jiān)控終端通過天通一號通信衛(wèi)星向傳感器發(fā)送采集命令。

步驟3，天通一號通信衛(wèi)星接收命令，并轉(zhuǎn)發(fā)命令。

步驟4，傳感器接收指令并解析。

步驟5，傳感器執(zhí)行命令，并采集數(shù)據(jù)。

步驟6，判斷采集是否完成（完成采集，對數(shù)據(jù)進行A/D轉(zhuǎn)換、放大以及濾波處理；未完成采集，繼續(xù)進行采集工作，直至達到采集結(jié)束條件）。

步驟7，數(shù)據(jù)存入存儲器，并將其封裝為JSON格式。

步驟8，將數(shù)據(jù)打包通過天通一號通信衛(wèi)星發(fā)送給監(jiān)控終端。

步驟9，判斷記錄大于2 073 600字節(jié)，清空SQLite監(jiān)控數(shù)據(jù)表。

步驟10，判斷是否退出采集程序（若退出，采集模塊結(jié)束；否則，回到步驟5）。

通過上述步驟，傳感器完成一次采集任務(wù)，接下來進入衛(wèi)星通信傳輸模塊。[15]

1.3.2 衛(wèi)星通信傳輸模塊

天通一號通信衛(wèi)星可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、傳輸，因此衛(wèi)星通信模塊是本系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊。傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控表現(xiàn)較差的主要原因是通信模塊無法處理大量數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，導(dǎo)致經(jīng)常發(fā)生擁塞，并出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象。而在本系統(tǒng)中，天通一號通信衛(wèi)星的使用可以很好地解決上述問題。天通一號通信衛(wèi)星本身的頻帶寬、容量大、信道質(zhì)量好，能很好地滿足海量數(shù)據(jù)的通信需求。[16]更重要的是，天通一號通信衛(wèi)星帶有擁塞控制算法，能很好地改善網(wǎng)絡(luò)延遲問題，使網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)速率提高，從而解決數(shù)據(jù)丟包問題。[17]天通一號通信衛(wèi)星采用的擁塞控制算法過程如下所述。

步驟1，帶寬估計。利用ACK（確認(rèn)字符）到達速度來計算天通一號通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬。計算公式為：

式中，L代表帶寬；Bk代表接收端收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)；Tk、Tk-1代表第k個ACK確認(rèn)和上一個ACK確認(rèn)報文到達的時刻。

步驟2，窗口增長，增長公式為：

式中，C代表帶寬估計窗口值。

步驟3，判斷是否收到3個重復(fù)ACK或分組發(fā)送超時，若是，進行丟包檢測；否則，回到步驟2。

步驟4，丟包檢測，即查看此時的通信鏈路是否處于擁塞狀態(tài)。若處于擁堵狀態(tài)，則認(rèn)為丟包原因是鏈路擁塞，否則認(rèn)為丟包原因是鏈路錯誤造成的，即誤碼原因。

步驟5，根據(jù)丟包原因，進行不同的處理。若屬于擁塞原因造成丟包，需要進行分組重傳，并進入下一步窗口恢復(fù)環(huán)節(jié)；若屬于誤碼原因造成丟包，則直接進行分組重傳，并回到步驟1。

步驟6，窗口恢復(fù)，即將數(shù)據(jù)傳輸速率盡量恢復(fù)成擁塞發(fā)生前的水平。

通過上述擁塞控制算法，在很大程度上減少了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膿砣闆r，提高了天通一號通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

1.3.3 監(jiān)控分析模塊

監(jiān)控分析模塊的主要作用是對采集到的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行挖掘和分析。具體過程如下所述。

步驟1，監(jiān)聽數(shù)據(jù)通信IP地址固定端口，等待TCP連接。

步驟2，判斷連接是否成功，若成功則進行下一步，否則就回到步驟1。

步驟3，監(jiān)控終端接收數(shù)據(jù)包。

步驟4，對數(shù)據(jù)包進行拆包解析，并存儲數(shù)據(jù)。步驟5，關(guān)閉TCP連接。

步驟6，判斷是否退出連接，若退出，進行下一步，否則，回到步驟1。

步驟7，數(shù)據(jù)挖掘，分析監(jiān)控區(qū)監(jiān)控目標(biāo)是否存在異常，一旦存在異常，系統(tǒng)進行報警，通過人員盡快處理。

通過監(jiān)控分析，實時掌握目標(biāo)變化情況，以便及時進行處理。

2 系統(tǒng)仿真測試

采用目前流行的NS2仿真軟件作為仿真工具，對所設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)進行測試，并與基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)、基于GSM的監(jiān)控系統(tǒng)、基于CDMA的監(jiān)控系統(tǒng)進行對比，驗證所設(shè)計系統(tǒng)的有效性。

2.1 測試環(huán)境

測試區(qū)域在一個100m×100m的平面區(qū)域內(nèi)進行，其中隨機分布的傳感器節(jié)點總共為500個，分布情況如圖3所示。

圖3 傳感器分布圖

其中，“○”代表傳感器節(jié)點；“■”代表匯聚節(jié)點。

2.2 參數(shù)設(shè)置

系統(tǒng)測試相關(guān)參數(shù)設(shè)置見表3。

表3 相關(guān)參數(shù)設(shè)置表

2.3 測試指標(biāo)

根據(jù)測試目的的不同將系統(tǒng)測試指標(biāo)分為兩類，一類用于評測系統(tǒng)通信傳輸性能，一類評測系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確性能。下面對這些指標(biāo)進行具體分析。

2.3.1 系統(tǒng)通信傳輸性能

系統(tǒng)通信傳輸性能評測指標(biāo)有三個，即有效吞吐量、公平性指數(shù)以及丟包率。三個指標(biāo)計算公式如下：

有效吞吐量G：

式中，T代表通信傳輸時間；H1、H2代表在時間T內(nèi)傳輸?shù)目偟臄?shù)據(jù)包數(shù)量和總的重傳數(shù)據(jù)包數(shù)量。

公平性指數(shù)F（S）：

式中，Si代表第i個數(shù)據(jù)包的吞吐量。F（S）值越大代表通信鏈路均衡負載，越不容易發(fā)生擁塞。

丟包率K：

式中，a代表所丟失數(shù)據(jù)包數(shù)量，A代表所發(fā)送數(shù)據(jù)包總量。

2.3.2 系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確性

系統(tǒng)監(jiān)測準(zhǔn)確性通過F1值來確定，該值計算公式如下：

式中，P代表準(zhǔn)確率；R代表召回率。

2.4 結(jié)果分析

在同樣傳輸500個數(shù)據(jù)包（異常數(shù)據(jù)包300個，其余為正常數(shù)據(jù)包），傳輸距離為1000~5000Km的條件下，所設(shè)計系統(tǒng)、基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)、基于GSM的監(jiān)控系統(tǒng)、基于CDMA的監(jiān)控系統(tǒng)的測試結(jié)果對比如表4所示。

從表4中可以看出，隨著傳輸距離的增加，所設(shè)計系統(tǒng)在有效吞吐量、公平性指數(shù)、丟包率以及F1值等四項指標(biāo)的表現(xiàn)上均好于其他系統(tǒng)，說明所設(shè)計系統(tǒng)不僅更加適用遠距離監(jiān)控，同時面對大量數(shù)據(jù)，傳輸性能和監(jiān)控準(zhǔn)確性均更好，改善了基于GPRS的監(jiān)控系統(tǒng)、基于GSM的監(jiān)控系統(tǒng)、基于CDMA的監(jiān)控系統(tǒng)存在的缺陷。

3 結(jié)語

綜上所述，監(jiān)控系統(tǒng)在當(dāng)前很多領(lǐng)域都起到關(guān)鍵作用，通過監(jiān)控可以及時掌握目標(biāo)狀態(tài)，以便及時作出決策。然而，隨著監(jiān)控距離以及監(jiān)控數(shù)據(jù)量的增大，當(dāng)前常見監(jiān)控系統(tǒng)無法滿足要求，經(jīng)常發(fā)生擁塞、數(shù)據(jù)丟包問題，導(dǎo)致后期監(jiān)控不準(zhǔn)確。針對上述問題，通過設(shè)計一種基于天通一號通信衛(wèi)星的云計算監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)彌補了當(dāng)前監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷，有效性得到了驗證。

表4 測試結(jié)果