無(wú)線通訊在廣域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、<p>　　無(wú)線通訊在廣域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用</p><p>　　李 慶 蔣梁中 何 濤</p><p>　?。ńT市環(huán)境保護(hù)局，廣東 江門 529000）</p><p>　　摘要 討論了把無(wú)線GPRS/CDMA技術(shù)應(yīng)用于廣域環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一些設(shè)計(jì)方法，包括如何利用中間件代理機(jī)制屏蔽各種通訊平臺(tái)的細(xì)節(jié)，以及利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)喚醒機(jī)制解決動(dòng)態(tài)I

2、P無(wú)法發(fā)起主動(dòng)Socket連接的問(wèn)題。</p><p>　　關(guān)鍵詞 中間件 GPRS CDMA 動(dòng)態(tài)IP</p><p>　　Application of the wireless communication in wide area environment monitoring system Li Qing，Jiang Liangzhong，He Tao.(Environmen

3、tal Protection Bureau, Jiangmen Guangdong 529000)</p><p>　　Abstract：While applying the GPRS/CDMA technique into the wide area environment monitoring system, some design strategy are discussed，including how t

4、o use a proxy to conceal the communication flat details under the middleware mechanism, and how to make a initiative socket connection to a dynamic IP address by the Point To Point waken mechanism.</p><p>　　

5、Keywords：Middleware GPRS CDMA Dynamic IP</p><p>　　隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推廣與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，近年來(lái)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越得到各級(jí)政府的重視，各省相繼都有廣域的大型環(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上馬。在這樣的廣域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，地理?xiàng)l件復(fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置分散，因此數(shù)據(jù)通訊技術(shù)往往關(guān)系著整個(gè)項(xiàng)目的成敗與優(yōu)劣。本文主要介紹在把無(wú)線通訊技術(shù)應(yīng)用于廣域環(huán)境監(jiān)測(cè)的過(guò)程中如何解決通訊平臺(tái)透明嵌入以及無(wú)線通

6、訊雙向發(fā)起的問(wèn)題。</p><p><b>　　1 無(wú)線平臺(tái)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　考慮成本因素以及環(huán)境監(jiān)測(cè)中主要是間斷的小流量的數(shù)據(jù)傳送，這里介紹的無(wú)線通訊平臺(tái)主要是移動(dòng)的GPRS與聯(lián)通的CDMA網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　GPRS是“通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GeneraIPacketRadioService)”的英文簡(jiǎn)稱，它采用與GSM

7、相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)。引入了分組交換的傳輸模式提供高達(dá)115 kbps的傳輸速率。是介于第二代和第三代之間的一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也就是現(xiàn)在人們常常提到的2.5G概念。</p><p>　　CDMA(Code Division Multiple Access)是碼分多址的英文縮寫，它是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來(lái)的一種嶄新而成熟的無(wú)線通信技術(shù)。所謂擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送

8、的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理，把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。CDMA1X采用了先進(jìn)的擴(kuò)頻編碼和功率控制技術(shù)，應(yīng)用傳輸分組數(shù)據(jù)峰值傳輸速率為153.6kbps。</p><p>　　GPRS與CDMA網(wǎng)絡(luò)的重要特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)就是將移動(dòng)通訊與

9、因特網(wǎng)這兩大熱門技術(shù)聯(lián)合了起來(lái)，無(wú)疑為遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)此類區(qū)域大、布線困難、數(shù)據(jù)流量小的應(yīng)用場(chǎng)合提供了很好的應(yīng)用機(jī)會(huì)。只要監(jiān)控中心具有一個(gè)因特網(wǎng)的公網(wǎng)IP地址，則各個(gè)監(jiān)測(cè)子站很容易與監(jiān)控中心形成客服結(jié)構(gòu)，進(jìn)行并行多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。通常一個(gè)無(wú)線Modem模塊封裝了各種協(xié)議轉(zhuǎn)換與射頻收發(fā)的細(xì)節(jié)，客戶機(jī)通過(guò)串口或USB等標(biāo)準(zhǔn)接口與無(wú)線Modem連接，然后就像使用普通有線Modem一樣進(jìn)行撥號(hào)，就可以接入Internet，結(jié)構(gòu)如圖1所示。</p

10、><p>　　2 通訊平臺(tái)的透明嵌入</p><p>　　一個(gè)典型的廣域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)場(chǎng)工控機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)儀器的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)初步處理或直接向上級(jí)監(jiān)測(cè)中心傳送；上級(jí)監(jiān)測(cè)中心則向下發(fā)送各種控制命令，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，查詢，分析等等高級(jí)操作。在數(shù)據(jù)通訊過(guò)程中，由于各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的分散性與地理?xiàng)l件的不同，往往會(huì)出現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)中有多種通訊方式并存的情況。一個(gè)良好的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)

11、模塊之間的松散耦合，封裝模塊內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，亦即上層數(shù)據(jù)處理模塊并不用去了解底層的數(shù)據(jù)傳輸是使用PSTN的Modem進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的RAS撥號(hào)，還是GPRS/CDMA的無(wú)線IP傳輸，抑或ADSL專線。</p><p>　　在這里借用對(duì)象請(qǐng)求代理ORB的概念，利用一個(gè)通用的Socket編程二進(jìn)制接口(這也是原系統(tǒng)的通訊接口)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)最簡(jiǎn)單的通訊服務(wù)代理進(jìn)程。</p><p>　　如圖3所示，以

12、監(jiān)測(cè)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起聯(lián)接為例：</p><p>　　應(yīng)用進(jìn)程1需要發(fā)起遠(yuǎn)程聯(lián)接的時(shí)候首先聯(lián)至通訊代理1監(jiān)聽(tīng)的本機(jī)socket端口，然后發(fā)送一條約定的遠(yuǎn)程聯(lián)接發(fā)起命令。</p><p>　　代理1收到這條命令后，根據(jù)命令中的監(jiān)測(cè)中心具體地址以及當(dāng)前本機(jī)可用的通信平臺(tái)向監(jiān)測(cè)中心的通訊代理2發(fā)起聯(lián)接，并轉(zhuǎn)發(fā)這條聯(lián)接發(fā)起命令。</p><p>　　監(jiān)測(cè)中心上的通訊代理2通過(guò)分析該

13、命令的內(nèi)容獲得具體聯(lián)接的端口號(hào)，進(jìn)而向本機(jī)內(nèi)的應(yīng)用進(jìn)程2監(jiān)聽(tīng)的該端口發(fā)起聯(lián)接。</p><p>　　這之后，應(yīng)用進(jìn)程1、2之間進(jìn)行正常的通信過(guò)程，代理1、2只是透明的轉(zhuǎn)發(fā)所收到的內(nèi)容。</p><p>　　圖3 通過(guò)代理進(jìn)程實(shí)現(xiàn)的二進(jìn)制級(jí)的模塊隔離</p><p>　　客戶進(jìn)程的連接請(qǐng)求在系統(tǒng)中采用統(tǒng)一的格式（見(jiàn)表1）。</p><p>　　

14、表1 連接請(qǐng)求命令格式</p><p>　　本地代理進(jìn)程接受socket數(shù)據(jù)處理方法概略如下：</p><p>　　void LocalProxy::OnReceive(int nErrorCode)</p><p>　　{ Receive(m_Buffer); //接受本地客戶數(shù)據(jù)</p><

15、;p>　　if (m_Buffer.getorderID()==CONNECTINIT) //是否是請(qǐng)求連接</p><p>　　{ CString TargetID=m_Buffer.gettargetID();</p><p>　　int port=m_Buffer.getport(); //獲取目標(biāo)地址，端口</p><p&g

16、t;　　if(LocalProxy::Dial()) //封裝的撥號(hào)細(xì)節(jié)</p><p>　　{ m_Localsocket::Connect(TargetID,port); //內(nèi)部Socket發(fā)起遠(yuǎn)程連接</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　...</b

17、></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else //其他命令則轉(zhuǎn)發(fā)</p><p>　　{ m_Localsocket.Send(m_Buffer);</p><p><b>　　}</b>

18、</p><p><b>　　...</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　3 無(wú)線通訊的雙向發(fā)起</p><p>　　監(jiān)測(cè)子站通過(guò)GPRS/CDMA撥號(hào)上網(wǎng)后獲得的都是動(dòng)態(tài)的虛擬內(nèi)網(wǎng)地址，因此除非它們主動(dòng)的連接至具有公網(wǎng)IP的監(jiān)測(cè)中心的監(jiān)聽(tīng)端口，否則中心無(wú)法主動(dòng)與其

19、建立連接。而具有完善功能的監(jiān)測(cè)中心需要能主動(dòng)向子站發(fā)出狀態(tài)查詢命令以及設(shè)備管理命令，這稱之為反控。因此，這時(shí)需要保證子站與中心的連接常時(shí)有效（這種連接形式稱之為長(zhǎng)連接）。</p><p>　　然而，為了節(jié)約網(wǎng)絡(luò)資源，移動(dòng)服務(wù)商的網(wǎng)絡(luò)NAT路由器會(huì)按照一定的算法更新移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)地址與具體移動(dòng)終端之間路由的地址翻譯表，某一表項(xiàng)如果一段時(shí)間內(nèi)沒(méi)有發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸，就會(huì)被逐步降低優(yōu)先權(quán)直至最后被釋放，此時(shí)該條無(wú)線鏈路也就失效了。

20、</p><p>　　因此，要想保證連接的始終有效，就需要定時(shí)的發(fā)送數(shù)據(jù)以維持NAT路由表項(xiàng)。這類數(shù)據(jù)稱為心跳包。心跳包的時(shí)間間隔各個(gè)地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木W(wǎng)絡(luò)情況與運(yùn)營(yíng)商的設(shè)置不同而不同。一般通過(guò)TCP協(xié)議建立的連接的有效時(shí)間約在10～25 min。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)需要隨時(shí)接受主站命令信息的監(jiān)測(cè)子站而言，一天之中主動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)并不多，中心的主動(dòng)查詢就更少。而這種以心跳包維持無(wú)線鏈路

21、始終有效以實(shí)現(xiàn)的方法需要耗費(fèi)不少的數(shù)據(jù)流量在無(wú)用的心跳消息上，大大增加了用戶的負(fù)擔(dān)。因此，又提出了一種短連接的方式，即希望能讓子站閑時(shí)離線，有任務(wù)時(shí)收到一個(gè)喚醒通知，于是再撥號(hào)接入。這時(shí)就需要在監(jiān)測(cè)中心端也配備一個(gè)無(wú)線模塊，以利用無(wú)線通道實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的喚醒通知機(jī)制（當(dāng)然利用手機(jī)，人工喚醒也是可行的）。這種方式雖然實(shí)時(shí)性有所降低，但可以大大節(jié)約數(shù)據(jù)流量，提高通訊的實(shí)際利用率。</p><p>　　利用現(xiàn)有的無(wú)線Mod

22、em可實(shí)現(xiàn)的不外乎語(yǔ)音撥號(hào)與短信息兩種喚醒方式。其中語(yǔ)音撥號(hào)的速度快，但需要無(wú)線Modem和SIM卡都支持語(yǔ)音功能。如果要傳遞主叫號(hào)碼，還需要開(kāi)通來(lái)電顯示服務(wù)。而SMS（短信息服務(wù)）速度較快，被普遍支持，一次可傳遞140字節(jié)信息，資費(fèi)便宜，但響應(yīng)時(shí)間受網(wǎng)絡(luò)影響較大。以下還是以MC35 GPRS模塊來(lái)講解實(shí)現(xiàn)喚醒的步驟：</p><p>　　子站終端平時(shí)保持GPRS網(wǎng)絡(luò)附著狀態(tài)，但不保持與中心的Socket連接通道

23、；</p><p>　　當(dāng)中心需要和終端通訊時(shí)，中心通過(guò)其GPRS模塊撥打目的終端模塊的手機(jī)號(hào)碼，或向其發(fā)送包含指定信息的短消息。短信的收發(fā)這里不詳加介紹，關(guān)于語(yǔ)音撥號(hào)相關(guān)的AT命令如下：</p><p>　　ATDxxxx；：該命令使中心無(wú)線Modem立即進(jìn)入摘機(jī)狀態(tài)，并撥出隨后的號(hào)碼（撥號(hào)串為目的終端模塊的手機(jī)號(hào)碼）以建立連接。撥號(hào)串由撥號(hào)修飾符和電話號(hào)碼組成。撥號(hào)修飾符用于指示Mod

24、em何時(shí)撥號(hào)以及如何撥號(hào)的操作。</p><p>　　ATS0=R： 該命令控制應(yīng)答方式：自動(dòng)或手動(dòng)。R=0，手工應(yīng)答；R≠0，表示在響鈴R次之后Modem自動(dòng)摘機(jī)并試圖連接。R值范圍為1～255。監(jiān)測(cè)子站的終端應(yīng)設(shè)為手工應(yīng)答模式，每次電話鈴響時(shí)，Modem返回RING結(jié)果碼，但不應(yīng)答呼叫（除非此時(shí)執(zhí)行ATA指令）。子站通訊程序通過(guò)監(jiān)視串口收到的“RING"字符串，從而可以判斷有電話撥進(jìn)</p&

25、gt;<p>　　AT+CLIP=1：激活來(lái)電顯示，當(dāng)有來(lái)電時(shí)，在每次振鈴RING后會(huì)收到CLIP（Calling Line Identification Presentation）的信息碼</p><p><b>　　格式如下：</b></p><p>　　RING +CLIP：<number>,<type>,,,,<CL

26、IP validity></p><p>　　Type=145 表示number串中包括國(guó)際接入編碼符“+”；否則Type=129。這時(shí)可以根據(jù)number串中的對(duì)方來(lái)電號(hào)碼判斷是否需要發(fā)起連接。</p><p>　　子站根據(jù)收到的短消息或語(yǔ)音撥入的信息判斷是否是中心發(fā)起呼叫的喚醒通知。如果是則迅速撥號(hào)登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)，并向中心監(jiān)聽(tīng)端口發(fā)起連接。連接成功后注冊(cè)自己的身份。</p

27、><p>　　中心根據(jù)子站注冊(cè)的身份在其Socket上完成所需的通訊過(guò)程。</p><p>　　子站通訊結(jié)束后，主動(dòng)斷開(kāi)連接，恢復(fù)初始的串口監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)。</p><p><b>　　4 總 結(jié)</b></p><p>　　綜上，當(dāng)把無(wú)線傳輸平臺(tái)應(yīng)用于廣域環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中時(shí)，利用中間件的代理機(jī)制實(shí)現(xiàn)了傳輸平臺(tái)細(xì)節(jié)的隱藏，有利于

28、系統(tǒng)的維護(hù)、移植，以及冗余傳輸方案的備份。利用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的喚醒機(jī)制解決了無(wú)線撥入的臨時(shí)IP無(wú)法雙向連接的問(wèn)題，替用戶節(jié)約的大量心跳數(shù)據(jù)流量的費(fèi)用，也增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以上方案在廣東江門監(jiān)測(cè)試點(diǎn)工程中取得了良好效果。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 GSM 0161，Digital cellular telecommunicatio

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