基于多種通道的車輛監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計(jì)

基于多種通道的車輛監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型團(tuán)隊(duì)的監(jiān)督需求不斷增加。這些監(jiān)控系統(tǒng)通常有幾個(gè)中央監(jiān)控中心，許多車輛載臺(tái)和監(jiān)控中心之間的通信任務(wù)仍然復(fù)雜且復(fù)雜。考慮到通信質(zhì)量、覆蓋范圍等因素，當(dāng)前車輛監(jiān)控系統(tǒng)的無線通信通常采用短消息服務(wù)（sms消息服務(wù)）和通用無線服務(wù)（eprs，通用領(lǐng)域的無線服務(wù)）。sms適用于車輛數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方法只能由于負(fù)載變化而無法接收傳輸時(shí)間。二次計(jì)費(fèi)模式也可以提高大型系統(tǒng)的運(yùn)營成本。集群分布的帶寬非常高，并且基于ip協(xié)議傳輸?shù)臄?shù)據(jù)非常容易連接到網(wǎng)絡(luò)?；诹髁砍杀荆囕v監(jiān)控信息的傳輸需要成本。然而，由于發(fā)展時(shí)間短，eprs的覆蓋范圍遠(yuǎn)低于sms。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),需要車載臺(tái)同時(shí)支持SMS和GPRS并能自動(dòng)切換.SMS/GPRS通信服務(wù)器的課題正是針對(duì)這一問題提出的,它主要研究車載臺(tái)與監(jiān)控中心之間的網(wǎng)絡(luò)互連、車輛定位信息向各監(jiān)控中心的及時(shí)分發(fā)、控制信息向車載臺(tái)的路由選擇(SMS或GPRS)等技術(shù).本文詳細(xì)論述了課題的關(guān)鍵部分SMS/GPRS通信服務(wù)器的設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)方法.1sms/gprs通信服務(wù)器設(shè)計(jì)SMS/GPRS通信服務(wù)器是車載臺(tái)和各監(jiān)控中心之間的信息交換樞紐.所有的車載臺(tái)和監(jiān)控中心均作為客戶端與通信服務(wù)器相連(圖1).通信服務(wù)器通過互聯(lián)網(wǎng)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的GGSN(GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn))連接,通過租用數(shù)據(jù)專線與SMS的SMSC(短消息服務(wù)中心)連接.各分監(jiān)控中心可視具體情況分別通過LAN(局域網(wǎng))、租用專線或互聯(lián)網(wǎng)與通信服務(wù)器相連.基于上述數(shù)據(jù)通信模型,設(shè)計(jì)SMS/GPRS通信服務(wù)器的具體功能如下:①同時(shí)提供與GPRS和SMS網(wǎng)絡(luò)相連的鏈路和接口,記錄每一車載臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)的鏈路狀態(tài),監(jiān)控各鏈路的通信狀態(tài),出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)重連或者報(bào)警;②實(shí)時(shí)將收到的車載臺(tái)信息分發(fā)到各監(jiān)控中心,并對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)存貯備份,當(dāng)監(jiān)控中心需要時(shí)可以提供相應(yīng)的歷史數(shù)據(jù);③提供面向各監(jiān)控中心的Socket通信接口,在連接時(shí)驗(yàn)證監(jiān)控中心的身份,維護(hù)每一監(jiān)控中心所監(jiān)控的車載臺(tái)號(hào)碼表;④對(duì)各監(jiān)控中心的控制命令數(shù)據(jù)包按車載臺(tái)的當(dāng)前通信鏈路進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā),緩存暫時(shí)無法送達(dá)的控制命令數(shù)據(jù)包,待車載臺(tái)連通時(shí)再進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā);⑤管理車載臺(tái)號(hào)碼和監(jiān)控中心用戶.2項(xiàng)目設(shè)計(jì)2.1通信服務(wù)器模塊從上述通信模型可以看出,整個(gè)系統(tǒng)的通信跨越了GPRS、SMS和各監(jiān)控中心等多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò).為了解決網(wǎng)間網(wǎng)通信的無共享緩存、異步等問題,SMS/GPRS通信服務(wù)器與各網(wǎng)絡(luò)的通信采用客戶/服務(wù)器模式.根據(jù)通信服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)、功能以及客戶/服務(wù)器模式的特點(diǎn),采用分段式模塊化的軟件結(jié)構(gòu).主要包括5個(gè)模塊:GPRS通信模塊、SMS通信模塊、用戶管理模塊、報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊、監(jiān)控中心通信模塊.各模塊之間的關(guān)系如圖2所示.2.2用戶管理模塊整個(gè)通信服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理模型見圖3.GPRS通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與車載臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈接.它接受并管理所有車載臺(tái)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與通信服務(wù)器建立的TCP連接;接收車載數(shù)據(jù)將其轉(zhuǎn)換為監(jiān)控接口協(xié)議數(shù)據(jù)格式后盡快轉(zhuǎn)發(fā)到報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊,在必要時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存;接收?qǐng)?bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊送來的監(jiān)控中心控制命令,根據(jù)目的車載臺(tái)號(hào)碼查到對(duì)應(yīng)的TCP連接號(hào)后提交發(fā)送.SMS通信模塊的功能與GPRS通信模塊類似,但因?yàn)镾MSC的對(duì)外接口協(xié)議類型繁雜,所以協(xié)議轉(zhuǎn)換是本模塊的主要任務(wù)之一.SMS與GPRS通信模塊在協(xié)議轉(zhuǎn)換的過程中,能夠識(shí)別出報(bào)警、急救等特殊信息,這些信息在加入報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊的發(fā)送隊(duì)列時(shí)直接插入隊(duì)列的頭部,避免與其他信息排隊(duì)而延緩轉(zhuǎn)發(fā).用戶管理模塊所指的用戶包括車載臺(tái)用戶和監(jiān)控中心用戶.每個(gè)車載臺(tái)在投入使用前應(yīng)通過本模塊進(jìn)行登記,內(nèi)容包括編號(hào)、所屬監(jiān)控中心代號(hào)(一輛車可同時(shí)屬于多個(gè)監(jiān)控中心)等.監(jiān)控中心用戶的內(nèi)容包括用戶名、密碼、代號(hào)、IP地址等信息,用于監(jiān)控中心向通信服務(wù)器登錄時(shí)的注冊(cè)認(rèn)證.報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊是通信服務(wù)器的核心.它緩存GPRS和SMS兩通信模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)包,根據(jù)來源模塊記錄每一數(shù)據(jù)包的源地址(車載臺(tái))的當(dāng)前通信狀態(tài)(GPRS或SMS),根據(jù)源地址查找目的地址(監(jiān)控中心代號(hào))并按監(jiān)控接口協(xié)議格式將其加入數(shù)據(jù)包(如有多個(gè)目的地址則相應(yīng)復(fù)制多份).同時(shí),本模塊還對(duì)各監(jiān)控中心發(fā)來的數(shù)據(jù)包按類進(jìn)行處理,需要轉(zhuǎn)發(fā)的按目的地址(車載臺(tái)編號(hào))當(dāng)前的鏈路狀態(tài)發(fā)送到相應(yīng)的通信模塊,對(duì)于請(qǐng)求改變監(jiān)控車輛的數(shù)據(jù)包則解釋其內(nèi)容并相應(yīng)地修改車載臺(tái)的所屬監(jiān)控中心.另外,該模塊對(duì)其處理過的數(shù)據(jù)包均作歷史備份.監(jiān)控中心通信模塊負(fù)責(zé)維護(hù)監(jiān)控中心與通信服務(wù)器的通信鏈路,完成監(jiān)控中心的登錄認(rèn)證工作,將報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)包發(fā)往監(jiān)控中心,對(duì)監(jiān)控中心傳來的數(shù)據(jù)包根據(jù)監(jiān)控接口協(xié)議進(jìn)行解釋,需要轉(zhuǎn)發(fā)的則送往報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊.2.3車載臺(tái)之間的通信協(xié)議由于通信服務(wù)器連接3種類型的網(wǎng)絡(luò)(SMS、GPRS、監(jiān)控中心),與每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議也互不相同.這就需要通信服務(wù)器完成必要的協(xié)議轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互通.各模塊的通信協(xié)議如圖4所示.GPRS通信模塊與車載臺(tái)之間采用基于TCP/IP的通信協(xié)議.SMS通信模塊與SMSC之間的通信協(xié)議較多,常見的有SMPP、EMI、CIMD、TAP等.為了使通信服務(wù)器能夠與不同接口的SMSC實(shí)現(xiàn)互聯(lián),需要一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換器將它們轉(zhuǎn)換為一種統(tǒng)一協(xié)議.各監(jiān)控中心與通信服務(wù)器之間采用自行設(shè)計(jì)的監(jiān)控接口協(xié)議.考慮到車輛監(jiān)控系統(tǒng)傳送的數(shù)據(jù)與SMS的短消息類似,監(jiān)控接口協(xié)議以SMSC的對(duì)外接口SMPP協(xié)議為參考協(xié)議,并對(duì)原有的命令進(jìn)行了一些必要的擴(kuò)充,添加了有關(guān)監(jiān)控中心修改其監(jiān)控車輛號(hào)碼等命令,在回執(zhí)上采用了類似TCP/IP批量回應(yīng)的思想,大大減少不必要的網(wǎng)絡(luò)流量.3實(shí)現(xiàn)3.1ws提供的soceti線程是具有最小開銷的程序?qū)嶓w,一個(gè)線程可以與其他線程并行執(zhí)行.合理地使用多線程可以改善程序結(jié)構(gòu),提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度,增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.Winsock是Windows提供的最低層的SocketAPI,它的使用分同步和異步兩種模式.異步模式采用無阻塞調(diào)用,能夠在接收和發(fā)送信息時(shí)處理界面和其他事件,適合在單線程的程序中使用,程序結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.在多線程的環(huán)境中,如果使用Winsock的線程專為通信設(shè)計(jì),則無須使用異步模式,而選用實(shí)現(xiàn)簡單的同步模式為好.一般主線程執(zhí)行用戶界面,而阻塞Winsock調(diào)用則在其他工作線程中實(shí)現(xiàn).系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了MFC提供的CAsyncSocket和第三方提供的CBlockingSocket分別支持上述兩種模式.3.2監(jiān)控通信及監(jiān)控通信比較根據(jù)各模塊的功能和組成特點(diǎn),采用具有圖形界面的主線程實(shí)現(xiàn)用戶管理模塊和報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊,其他3個(gè)通信模塊分別由GPRS、SMS和監(jiān)控通信線程實(shí)現(xiàn).各線程的關(guān)系及簡要流程圖如圖5所示.用戶管理模塊需要用戶界面,且所管理的數(shù)據(jù)主要由報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊使用,報(bào)文處理轉(zhuǎn)發(fā)模塊又是本通信服務(wù)器的核心模塊,所以將二者結(jié)合起來設(shè)計(jì)在主線程內(nèi)較為合理.GPRS和SMS因通信協(xié)議不同,所以需要分開設(shè)立兩個(gè)線程.每個(gè)線程與外部網(wǎng)絡(luò)都有多條鏈路相聯(lián),且每條鏈路的通信流量不大,所以適合采用消息形式的CAsyncSocket類.監(jiān)控通信模塊與監(jiān)控中心的連接數(shù)不會(huì)太大,且各連接的數(shù)據(jù)流量大,協(xié)議統(tǒng)一,所以每個(gè)連接適合采用獨(dú)立線程(阻塞Winsock)方式實(shí)現(xiàn).主線程啟動(dòng)CBlockingSocket的連接偵聽和第一個(gè)監(jiān)控通信線程.監(jiān)控通信線程阻塞等候接收連接,當(dāng)收到連接后馬上啟動(dòng)第2個(gè)監(jiān)控通信線程在Accept調(diào)用阻塞,等候下一個(gè)連接.依此類推,在任何時(shí)候總有一個(gè)監(jiān)控通信線程在等候新的連接.采用這種實(shí)現(xiàn)方法,可以支持多個(gè)監(jiān)控中心并發(fā)操作,并具有良好的請(qǐng)求響應(yīng)能力.除監(jiān)控通信線程外,其他各線程均采用事件驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu).采用消息觸發(fā)不僅可以使程序具有良好的性能,而且在沒有消息到達(dá)時(shí),線程可被掛起,不占用CPU資源,有助于提高整個(gè)系統(tǒng)的效率.監(jiān)控線程因?yàn)橥ㄐ帕髁枯^大,且其主要工作集中在Socket的讀寫操作上,采用阻塞調(diào)用不會(huì)明顯增加CPU的負(fù)擔(dān),但卻可以大幅度降低程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)的復(fù)雜性,提高協(xié)議運(yùn)行的可靠性.3.3cqueue類下標(biāo)設(shè)計(jì)通信服務(wù)器在通信的過程中需要頻繁地查詢和讀寫其中的數(shù)據(jù)信息.為了加快訪問速度,多處數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采用了以空間換時(shí)間的設(shè)計(jì)思想.車載臺(tái)的通信狀態(tài)表以及所屬監(jiān)控中心表分別以數(shù)組和結(jié)構(gòu)數(shù)組的形式實(shí)現(xiàn).每個(gè)車載臺(tái)擁有自己的編號(hào).按照編號(hào)規(guī)則,可以將這些編號(hào)映射到0～n的連續(xù)自然數(shù)范圍.以此整數(shù)作為前述兩表的數(shù)組下標(biāo),就可以快速定位所需信息.因?yàn)槊枯v車有可能同時(shí)被多個(gè)監(jiān)控中心監(jiān)控,所以車載臺(tái)所屬監(jiān)控中心表的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些.考慮到實(shí)際使用中每輛車通常只同時(shí)被兩個(gè)以下的監(jiān)控中心監(jiān)控,設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有指針的含有兩個(gè)中心ID的結(jié)構(gòu)(如圖6所示).當(dāng)所屬監(jiān)控中心不多于兩個(gè)時(shí),其指針指向NULL.而當(dāng)所屬監(jiān)控中心多于兩個(gè)時(shí),可動(dòng)態(tài)申請(qǐng)一個(gè)同樣的結(jié)構(gòu),前一結(jié)構(gòu)的指針則指向新的結(jié)構(gòu),新結(jié)構(gòu)的指針指向NULL,-1表示該存儲(chǔ)單元為空.各線程的緩存隊(duì)列是線程交換數(shù)據(jù)的場所.考慮到車輛定位和控制信息的數(shù)據(jù)包的大小比較統(tǒng)一,以結(jié)構(gòu)數(shù)組為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了CQueue類.該類在創(chuàng)建時(shí)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)指定大小的結(jié)構(gòu)數(shù)組,以便能夠在多線程之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享.用數(shù)組作為隊(duì)列較動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)申請(qǐng)的鏈表在內(nèi)存占用方面有些不利,但可加快訪問速度,減少內(nèi)