基于3G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

張 軍，李長云，崔海燕，田得潤，戴明華

（湖南工業(yè)大學(xué) 計算機與通信學(xué)院，湖南 株洲 412008）

0 引言

遠(yuǎn)程監(jiān)控是一種監(jiān)控端與被監(jiān)控對象在物理位置上分開，通過網(wǎng)絡(luò)來獲得信息和對遠(yuǎn)程計算機進行操作的系統(tǒng)。在國內(nèi)外，遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用十分廣泛。目前，大部分的監(jiān)控系統(tǒng)都是以計算機為核心，多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)及自動控制技術(shù)相結(jié)合來構(gòu)建的[1]。

嵌入式技術(shù)及移動通信技術(shù)的蓬勃發(fā)展給遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)帶來了革新，為現(xiàn)代社會的生產(chǎn)生活實施數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控提供了有力的技術(shù)保障。近年來，國內(nèi)外對基于無線移動通信的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)研究火熱，且該項技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無線抄表、變電站監(jiān)控、航標(biāo)燈控制、水文氣象監(jiān)控、遠(yuǎn)程遙控等智能控制領(lǐng)域中[2]。3G牌照發(fā)放后，國內(nèi)電信運營商積極進行3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展為工程應(yīng)用提供了有力支持。但基于3G網(wǎng)絡(luò)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，目前還存在諸如開放性、可靠性較差及應(yīng)用開發(fā)較難等問題?；谏鲜霰尘?，本文提出了一種基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控系統(tǒng)，定義了一種開放的系統(tǒng)框架，其具有適應(yīng)性強、傳輸速率高等特點，還可支持手持式智能設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控前端、監(jiān)控中心、移動訪問查詢端3個部分組成。該系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖Fig.1The system diagram

1）監(jiān)控前端。其部署在監(jiān)控現(xiàn)場，主要功能是對前端采集及報警設(shè)備進行控制管理，從監(jiān)控現(xiàn)場采集信息，對采集的數(shù)據(jù)進行壓縮、打包及轉(zhuǎn)發(fā)，解析和執(zhí)行由監(jiān)控中心發(fā)送的控制指令并及時將反饋信息和現(xiàn)場各設(shè)備的狀態(tài)信息發(fā)回監(jiān)控中心。在前端部署一個嵌入式平臺，該平臺提供了接口與前端的具體采集設(shè)備相連，本文采用處理能力強、穩(wěn)定性好的S3C6410處理器芯片作為該平臺的核心。

2）監(jiān)控中心。這是整個系統(tǒng)的核心，其主要功能是數(shù)據(jù)存儲發(fā)送控制指令。工作流程是：初始化、啟動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和等待遠(yuǎn)程監(jiān)控前端的連接請求；維護監(jiān)控前端及用戶列表，驗證用戶登陸；用戶登錄后，可隨時向監(jiān)控前端發(fā)送控制及監(jiān)測指令；移動訪問查詢端可隨時向監(jiān)控中心發(fā)送連接請求，連接后，可實時查詢和調(diào)取監(jiān)控數(shù)據(jù)或監(jiān)測監(jiān)控現(xiàn)場；對數(shù)據(jù)進行存儲、檢索、回放等。

3）移動訪問查詢端。它為3G移動智能設(shè)備（如3G智能手機、PDA等），主要功能是遠(yuǎn)程訪問。該端先連入網(wǎng)絡(luò)，動態(tài)獲取一個IP地址，再向監(jiān)控中心發(fā)送連接請求，驗證登錄后，用戶可隨時隨地地查詢感興趣的監(jiān)控信息，也可發(fā)送一些基本的控制指令，經(jīng)監(jiān)控中心審核與處理，再由監(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控現(xiàn)場。

2 關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

2.1 監(jiān)控前端的設(shè)計和實現(xiàn)

將經(jīng)裁剪與優(yōu)化的Windows CE6.0嵌入式操作系統(tǒng)和經(jīng)編譯的應(yīng)用程序一起移植到S3C6410芯片的Nand Flash中。嵌入式數(shù)據(jù)庫SQL Server CE3.0存儲前端所有設(shè)備及自身的狀態(tài)信息和部分監(jiān)測數(shù)據(jù)。前端還可智能控制報警器報警，增強了系統(tǒng)的安全性、可靠性。監(jiān)控前端結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 監(jiān)控前端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2The structure diagram of front-end monitoring system

2.1.1 嵌入式操作系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和實現(xiàn)

Windows CE6.0是一款高度模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)，具有可裁剪性與穩(wěn)健的實時性，支持多硬件平臺以及與之配套的開發(fā)工具[3]。具體實現(xiàn)過程如下：

1）基于BSP源代碼[4]開發(fā)BSP（即板級支持包）。首先，建立引導(dǎo)程序（BootLoader），其功能是將Windows CE操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存，為系統(tǒng)初始化各種參數(shù)，按結(jié)構(gòu)可分為BLCommon、OEM、EBoot、存儲管理、EDBG驅(qū)動程序5個部分，除了OEM代碼自己編寫外，其它都是由Windows CE自身提供，OEM的功能是控制和調(diào)試硬件平臺。其次，開發(fā)OAL和驅(qū)動程序，OAL是把操作系統(tǒng)內(nèi)核對硬件的訪問功能抽象出來，形成一些函數(shù)或者庫，實現(xiàn)內(nèi)核和目標(biāo)硬件之間的通信，包括處理中斷、計時器、電源管理、通用I/O控制等。驅(qū)動程序直接與硬件外設(shè)打交道，是應(yīng)用程序或操作系統(tǒng)與硬件外設(shè)交互的橋梁。在Windows CE下，該程序以用戶態(tài)下的DLL文件形式存在，編寫該程序所用到的方法、工具與編寫其它普通的DLL相同。

2）裁剪定制操作系統(tǒng)。啟動BSP后，通過開發(fā)工具Platform Builder創(chuàng)建一個新的平臺。根據(jù)系統(tǒng)需求，添加內(nèi)核組件，加入網(wǎng)絡(luò)和串口支持、Direct Show相關(guān)的及運行必要的組件服務(wù)，對字體的選擇要慎重，一般不要添加太多字體，這樣能保證最小的運行內(nèi)核；裁剪Windows CE內(nèi)核不需要的組件，不添加微軟直接發(fā)布給用戶的應(yīng)用程序，這樣能避免Platform Builder自動搜索該程序的相關(guān)組件并加入系統(tǒng)中，造成系統(tǒng)體積過大，不能很好地保證系統(tǒng)的最小運行。

3）嵌入式數(shù)據(jù)庫SQL Server CE具備精簡的數(shù)據(jù)庫引擎和強大的查詢優(yōu)化器，提供了與SQL Server一致的開發(fā)模型和API，支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問和合并復(fù)制，離線修改數(shù)據(jù)后能與服務(wù)器同步，且占用很少的內(nèi)存和系統(tǒng)資源，因此是嵌入式無線環(huán)境的理想選擇。數(shù)據(jù)庫模塊的功能包括前端數(shù)據(jù)采集和報警設(shè)備基本信息管理2個部分。數(shù)據(jù)表包括設(shè)備狀態(tài)表、設(shè)備配置表及采集數(shù)據(jù)表。SQL CE數(shù)據(jù)同步常用的方式有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問和合并復(fù)制，本系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問。OLE DB技術(shù)可方便地訪問SQL CE，是微軟開發(fā)的一種基于COM的高性能數(shù)據(jù)庫技術(shù)，提供了一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問方式，用戶可通過該接口訪問數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)庫組織成一個合作組件基地。OLE DB的主要接口有：IDBInitialize，用于初始化和釋放數(shù)據(jù)源對象；IDBDataSourceAdmin，用于新建數(shù)據(jù)庫；IDBCreateSession，用于獲取一個新的數(shù)據(jù)庫訪問會話對象；IDBCreateCommand，用于創(chuàng)建一個新命令對象；IcommandText，用于表示文本命令對象；ITransactionLocal，用于執(zhí)行事務(wù)。

2.1.2 串口及網(wǎng)絡(luò)通信模塊的實現(xiàn)

串口是與前端具體采集設(shè)備及報警器進行通信的數(shù)據(jù)接口，具有連接線少、通訊簡單等特點[5]。根據(jù)距離的遠(yuǎn)近來選擇接口方式，長距離用RS485，短距離用RS232。具體實現(xiàn)如下：

1）通過CreateFile函數(shù)打開COM1端口。

HANDLE hComm = CreateFile( _T(＂ COM1:＂),GENERIC_READ|GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,0,NULL )。

2）設(shè)置串口參數(shù)（波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位等）。先調(diào)用GetCommState函數(shù)獲取串口的當(dāng)前狀態(tài)信息，再調(diào)用SetCommState函數(shù)配置串口，調(diào)用GetCommTimeouts和SetCommTimeouts函數(shù)對串口讀寫操作的超時參數(shù)進行設(shè)置。

3）調(diào)用函數(shù)ReadFile和WriteFile對串口進行讀寫操作。由于Windows CE不支持重疊I/O操作，為了防止串口的讀寫阻塞主線程中處理主窗體的消息隊列，可采用多線程技術(shù)來處理，即分別用單獨的線程去讀寫串口，通過多線程來模擬重疊操作。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是為監(jiān)控中心與前端和查詢端之間提供安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路。Windows CE支持TCP/IP協(xié)議，而Socket是一種底層的通信機制，通信雙方必須根據(jù)約定的協(xié)議對數(shù)據(jù)進行處理和解釋，因此本文采用支持流連接和數(shù)據(jù)報連接的Socket模式。在流連接中，套接字是一個基本數(shù)據(jù)管道，當(dāng)兩點連接時，數(shù)據(jù)會來回傳送，不需要額外附加地址；在數(shù)據(jù)報中，套接字像郵槽，離散數(shù)據(jù)包會附加目的地址[6]。本文根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)類型的不同來自動選擇數(shù)據(jù)傳輸方式。因Windows CE不支持異步套接字，所以采用多線程技術(shù)。

2.1.3 數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)管理控制模塊的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)接收轉(zhuǎn)發(fā)的主要功能是：從監(jiān)控中心獲取控制指令和控制參數(shù)，經(jīng)處理后直接發(fā)向監(jiān)控前端；接收監(jiān)控前端反饋的狀態(tài)信息和采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)處理傳向監(jiān)控中心，同時將設(shè)備狀態(tài)信息寫入嵌入式數(shù)據(jù)庫，作為系統(tǒng)運行日志。數(shù)據(jù)處理主要是對傳輸數(shù)據(jù)按照協(xié)議要求進行打包封裝，對某些數(shù)據(jù)（如關(guān)鍵的系統(tǒng)配置信息和驗證信息等）進行加密，對接收數(shù)據(jù)進行拆包，對控制指令進行解析等。受嵌入式芯片容量限制，該模塊不能存儲大量的數(shù)據(jù)，因此該模塊和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫之間要遵循一定的協(xié)議來清理存儲空間。系統(tǒng)實現(xiàn)了自動報警功能，若前端采集的某些數(shù)據(jù)及狀態(tài)信息滿足報警規(guī)則，就發(fā)出報警信號。

2.2 移動訪問查詢端的設(shè)計

該端運行平臺是以Windows Mobile6為操作系統(tǒng)的3G手機或PDA。為了保證系統(tǒng)的安全性，防止未經(jīng)授權(quán)的移動設(shè)備連入監(jiān)控中心，需先通過Windows Mobile6提供的GetDeviceUniqueID函數(shù)來獲取智能設(shè)備的唯一標(biāo)識即注冊編碼，在監(jiān)控中心注冊，再從注冊表中讀取監(jiān)控中心的IP地址和端口號（首次啟動需配置該IP和端口號），然后向監(jiān)控中心發(fā)送連接請求，通過監(jiān)控中心的驗證后，建立連接，并創(chuàng)建一個接收線程，接收由監(jiān)控中心發(fā)送的數(shù)據(jù)包，交由主線程解析處理。部分代碼如下：

2.3 監(jiān)控中心的設(shè)計

監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲及與監(jiān)控前端的嵌入式平臺通信，還負(fù)責(zé)移動訪問查詢端的隨時訪問查詢。主要由7個模塊組成：

1）網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)測模塊。負(fù)責(zé)監(jiān)視監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)連接情況及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，當(dāng)檢測到網(wǎng)絡(luò)斷開時，立即報警，重新連接網(wǎng)絡(luò)，以保障數(shù)據(jù)的傳送。

2）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。采用Socket技術(shù)，負(fù)責(zé)監(jiān)控中心與前端和查詢端的數(shù)據(jù)交互。主要完成Socket接口的綁定及監(jiān)聽、數(shù)據(jù)的接收、命令的發(fā)送等功能。

3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊。主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)發(fā)送前對數(shù)據(jù)按照規(guī)定的協(xié)議格式進行打包封裝，對接收到的數(shù)據(jù)進行拆包解析。

4）控制管理模塊。主要負(fù)責(zé)對監(jiān)控前端的控制管理，如設(shè)置前端報警器的報警規(guī)則、前端數(shù)據(jù)庫與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步規(guī)則等。

5）數(shù)據(jù)存儲模塊。主要負(fù)責(zé)按照用戶的需求，通過網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)控現(xiàn)場的數(shù)據(jù)并按監(jiān)控現(xiàn)場編號和時間規(guī)則存儲到數(shù)據(jù)庫。

6）數(shù)據(jù)顯示模塊。主要負(fù)責(zé)實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢等。

7）信息管理模塊。對用戶信息、移動端的注冊信息、監(jiān)控現(xiàn)場的基本信息等進行管理。

以上簡要介紹了監(jiān)控中心各個模塊的功能，具體設(shè)計與實現(xiàn)就不詳述。

該系統(tǒng)采用了Client/Server的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，將監(jiān)控前端和移動訪問查詢端作為監(jiān)控中心（Server）的2種不同類型的遠(yuǎn)程客戶端（Client），服務(wù)器與客戶端通過Socket進行網(wǎng)絡(luò)通信。為了提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，多處使用子線程，異步處理各種不同事件，這樣可避免事件之間的盲等[7]?；?G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3The system structure chart

3 實驗結(jié)果

3G網(wǎng)絡(luò)是中國電信CDMA2000 EVDO，移動訪問查詢端是HP iPAQ掌上電腦，監(jiān)控中心為Windows XP平臺。先將監(jiān)控前端各軟件模塊與經(jīng)裁剪的Windows CE操作系統(tǒng)一塊燒寫到基于S3C6410的開發(fā)板中，再將攝像頭和相關(guān)監(jiān)控設(shè)備連接到開發(fā)板，系統(tǒng)啟動后，為監(jiān)控前端和移動訪問查詢端配置監(jiān)控中心IP地址，同時建立連接。經(jīng)測試，移動訪問查詢端與監(jiān)控中心的連接時間小于2s，訪問監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)響應(yīng)時間小于3s，監(jiān)控前端對移動訪問查詢端的命令響應(yīng)時間小于5s。系統(tǒng)運行效果如圖4所示。

圖4 實驗效果圖Fig.4Experimental effect chart

4 結(jié)語

本文基于Windows CE6.0嵌入式平臺，設(shè)計了一種開放的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)框架，實現(xiàn)了多個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)管理和多點監(jiān)控，還支持手持式智能設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問，利用該框架能快捷地開發(fā)出適合各種應(yīng)用領(lǐng)域的監(jiān)控系統(tǒng)。且用VC開發(fā)了一個測試系統(tǒng)，實驗證實了該框架的有效性。

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