（信号与信息处理专业论文）智能农业系统中感知适配网关的研究与设计.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 智能农业即是通过在大棚内安装光照、温度、湿度等无线传感器，来对农作物的环境 参数进行实时采集，客户端操作电脑或3 g 手机，借助无线通信网络，实时观察采集的大 棚现场数据，远程启动棚内相关设备，实现智能调控。该项技术是现代科技作用于传统农 业的研究热点。构建高质量的智能农业平台需要合理的架构、通用的平台及可靠安全的信 息传输。本文即针对该系统的核心技术难点作出相关理论与实验研究，主要研究内容如下： l 、首先，在总结国内现有大规模传统农业不足的基础上，分析了智能农业的必要性， 发展趋势及所涉及的关键技术难点。由此提出设计此感知适配网关系统来解决远程控制、 农业智能管理等一系列问题。 2 、研究了j a v a 底层网络通信，比较了基于t c p 、u d p 协议的j a v a 编程的异同点；着 重对m o d b u s t c p 进行了研究，针对该系统中感知数据信息的特殊性，对m o d b u s 规约进 行修改，提出了一种新的增强型m o d b u s 协议( c t m b ) 来构建智能农业平台远程网络通 信的设计思想，按照此协议对数据信息进行封装，能更好地更具针对性的传输农业信息数 据。 3 、研究了基于x m l 的数据交换技术，以x m l 格式实现信息的存储和传输，规范了 农业信息的描述方式，有效地屏蔽了后台异构或多源问题，系统地解决了服务器端系统效 率低、负载过重等不足之处，减少了网络流量，节约了运行成本，提高了系统的通用性。 4 、研究了感知适配网关系统的接口安全技术，详细阐述了r e s t 接口的a e s 和s h a 1 数据加密算法及原理，提出了一种采用a e s 和s h a 1 混合加密机制以保障数据的保密性、 可靠性和安全性，并通过消息认证模型来保证数据信息的完整性，防止伪造和篡改数据信 息，有效地解决了感知适配网关中数据传输的安全问题。 基于以上理论，结合某智能农业平台项目的目标需求，对感知适配网关系统进行概要 设计和详细设计。实现的感知适配网关系统在可靠性、实时性、安全性等方面均达到了设 计要求，在实际的调试、运行中，系统的各项功能均可满足应用需求。 关键词：智能农业；x m l ：m o d b u s ：r e s t 接口；a e s 浙江理工大学硕士学位论文 r e s e a r c h & d e s i g no fg a t e w a ya d a p t e ri ni n t e l l i g e n ta g r i c u l t u r es y s t e m a b s t r a c t b yi n s t a l l i n gl i g h t ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o ri n t h eg r e e n h o u s e ，t h ei n t e l l i g e n t a g r i c u l t u r es y s t e mc a l lc o n d u c tr e a l - t i m ea c q u i s i t i o no nt h ec r o pt e m p e r a t u r e f o rr e a l i z i n g i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，t h ec l i e n to p e r a t e st h ec o m p u t e ro r3 gp h o n e s ，w i t ht h ea i do fw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，t oo b s e r v e rc o l l e c t i v ef i e l dd a t ai nr e a lt i m e ，a n ds t a r tr e l a t e d e q u i p m e n tr e m o t e l y t h i st e c h n o l o g yi st h eh o ts p o to fm o d e m s c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo nt h e t r a d i t i o n a la g r i c u l t u r e i tn e e d sr e a s o n a b l es t r u c t u r e ，c o m m o np l a t f o r ma n dr e l i a b l es a f e t y i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nt oc o n s t r u c th i 曲q u a l i t yi n t e l l i g e n ta g r i c u l t u r ep l a t f o r m a c c o r d i n gt o t h ec o r eo ft e c h n i c a ld i f f i c u l t i e so ft h es y s t e m ，t h i sa r t i c l em a k e sr e l e v a n tt h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 、f i r s t l y , o nt h eb a s i so fc o n c l u d i n gt h es h o r t a g e o fe x i s t i n gd o m e s t i cl a r g e s c a l e t r a d i t i o n a la g r i c u l t u r e ，i ta n a l y z e st h en e c e s s i t y , d e v e l o p m e n tt r e n da n dt h ek e yt e c h n i c a l d i f f i c u l t i e so ft h ei n t e l l i g e n ta g r i c u l t u r e t h e ni tp u t sf o r w a r dt od e s i g nt h eg a t e w a ya d a p t e r s y s t e mt os o l v eas e r i e so fp r o b l e m s ，s u c ha s t h e r e m o t ec o n t r o l ，a g r i c u l t u r ei n t e l l i g e n t m a n a g e m e n ta n ds oo n 2 、i tr e s e a r c h e st h eb o t t o mn e t w o r kc o m m u n i c a t i o no fj a v a , a n dc o m p a r e st h ed i f f e r e n c e s a n ds i m i l a r i t i e sb e t w e e nt c pa n du d pp r o t o c o lo nj a v ap r o g r a m m i n g a c c o r d i n gt ot h e p a r t i c u l a r i t yo ft h es e n s o rd a t ai nt h es y s t e m ，i tf o c u s e so nt h er e s e a r c ho nt h em o d b u s t c p p r o t o c o l ，a n dm o d i f i e st h ec o n v e n t i o no fm o d b u sp r o t o c o l ，t h e np u t sf o r w a r da ne n h a n c e d m o d b u sp r o t o c o l ( c t m b ) t ob u i l dr e m o t en e t w o r kc o m m u n i c a t i o ni ni n t e l l i g e n ta g r i c u l t u r e p l a t f o r m t h r o u g ht h ee n c a p s u l a t i o no fd a t ai n f o r m a t i o nw i t ht h ep r o t o c o l ，i tc a nt r a n s f e rt h e i n f o r m a t i o no fa g r i c u l t u r a ld a t ab e t t e ra n dm o r et a r g e t e d 3 、b yr e s e a r c h i n gd a t ae x c h a n g et e c h n o l o g y b a s e do nx m l ，i tr e a l i z e si n f o r m a t i o ns t o r a g e a n dt r a n s m i s s i o ni nx m l f o r m a t ，r e g u l a t e st h ed e s c r i p t i v ew a y o fa g r i c u l t u r a li n f o r m a t i o n ，a n d s h i e l d st h ep r o b l e m so fb a c k s t a g eh e t e r o g e n e o u so rm u l t i s o u r c ee f f e c t i v e l y t h r o u g hr e d u c i n g t h en e t w o r kf l o w , i ts o l v e st h ed e f i c i e n c ys y s t e m a t i c a l l y , s u c ha sh e a v yl o a do ft h es e r v e r , l o w e f f i c i e n c yo fs y s t e ma n ds oo n ，a l s os a v e st h eo p e r a t i o nc o s ta n di m p r o v e st h eg e n e r a l i t yo f i i 浙江理工大学硕士学位论文 s y s t e m 4 、i ts t u d i e st h es a f e t yt e c h n o l o g yo nt h ep o r to fg a t e w a ya d a p t e rs y s t e m ，a n de x p o u l l d s t h ed a t ae n c r y p t i o na l g o r i t h ma n dp r i n c i p l eo fa e sa n ds h a - 1 ，a n dt h e nc o m e su pw i t hak i n d o fm i x e de n c r y p t i o nm e c h a n i s mu s i n ga e sa n ds h a 一1t oe n s u r ed a t ap r i v a c y , r e l i a b i l i t ya n d s a f e t y t h r o u g ht h em e s s a g ea u t h e n t i c a t i o nm o d e lt o e n s u r et h ei n t e g r i t yo ft h ed a t a , p r e v e n t f o r g e r ya n dm a n i p u l a t ed a t ai n f o r m a t i o n ，i ts o l v e se f f e c t i v e l yt h es a f e t y o ft h ed a t ai nt h e t r a n s m i s s i o no ng a t e w a y a d a p t e rs y s t e m b a s e do nt h ea b o v et h e o r y , a n dc o m b i n i n gw i t hn e e d so ft h ep r o j e c to fi n t e l l i g e n t a g r i c u l t u r ep l a t f o r m ，i td o e so u t l i n ed e s i g na n dd e t a i l e dd e s i g nf o rg a t e w a ya d a p t e rs y s t e m i t r e a c h e st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t si nt h ea s p e c t so fr e l i a b i l i t y , r e a l - t i m e ，s e c u r i t ya n ds oo n ，i nt h e a c t u a lt e s ta n do p e r a t i o n ；g a t e w a ya d a p t e rs y s t e ma l s oc a ns a t i s f ya p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so n e a c hf u n c t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n ta g r i c u l t u r e ；x m l ；m o d b u s ；r e s tp o r t ；a e s i i i 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 论文选题的背景及意义 第一章绪论 步入2 1 世纪，随着物联网u 1 和通信行业的飞速发展，高度的信息化成了当今社会先进 生产力的特点。而在我国广大的农村地区，由于经济条件和地域的限制，知识信息的获取 和更新十分困难。如何利用现代的物质条件、科学技术来实现对温室的农作物远程实时监 测、控制、智能管理成为当前的研究热点之一。它可在一定程度上缓解传统农业的效益低 等问题。 中国农业自改革开放以来取得了前所未有和举世瞩目的成就，为满足人们对农产品数 量与质量需求，促进国民经济发展和提高农民生活水平做出了重大贡献。但中国传统农业 的不可控性和靠天吃饭的境况并未得到切实改变。传统农业的代间承接主要依靠生物遗传 育种，作物生长管理主要依靠手工施肥、除草、喷灌以及药物除害等，由此带来的高污染、 高能耗、低效率问题日益累积，严重地制约了我国农业的国际竞争力和可持续发展。 当前，在绿色农业和自动化农业高速发展的大背景下，迫切需要在农业领域引入物联 网、3 g 等技术，进一步深化农业各环节的信息化水平，因此对智能农业产品有着广阔的 市场需求。于是一个世界农业发展的新趋势精准农业心1 ( p r e c i s i o na g r i c u l t u r e ) 应运而生。即借助互联网等信息技术手段，远程操作相关设备，按时、按量地对指定位置 完成一整套预定农事操作技术和管理的系统。具体监控采集的对象有大棚内的温度、湿度、 c o ：浓度、光照强度、土壤温湿度以及作物叶面的湿度等相关环境参数，通过客户端对比采 集对象参数与预设对象参数的区别，确定操作指令，远程控制指定设备完成相关操作。该 系统可以以最少的人力投入、最小的能源消耗、最低的环境破坏，完成对控制对象定位、 定时、定量的操作，无论在经济效益还是环境效益上都取得了革命性的进步。与传统农业 的人为经验操作相比，精准农业依靠信息技术实时采集现场实际情况，具有较强的实践性， 更加科学、合理。随着科技的发展，后者必将取代前者，成为未来农业的主导。 本系统是基于黑龙江智能农业项目业务口1 需求，结合前期已经在黑龙江佳木斯建三江 农场试点的智能大棚产品经验，设计和开发的一套服务于农业物联网的信息化平台，该平 台可作为农业物联网应用的应用层公共服务平台，并支持智能大棚、智能仓储、农产品溯 源等多类子应用，同时新设计开发的系统需要具有良好的易用性、适应性、扩展性和稳定 浙江理工大学硕士学位论文 性。该系统开发完成后直接部署在黑龙江省电信，在全省范围内开展了相关产品试点，效 果良好，未来可逐步向全国推广。 本文设计的感知适配网关是一个软件系统，它属于智能农业平台的一部分。首先，通 过收集下位感知边缘网关发送来的农田传感信息等，校验该信息的完整性、合法性和有效 性，将信息解释为适合感知数据中心存储的格式存储。验证信息的合法性需要调用权限控 制模块，判断数据是否属于应当记录的信息源发送。其次，根据系统配置自动发送对边缘 采控器的定时轮询指令。在传感信息的存储过程中查询告警配置，当发现接收到的信息应 当触发告警时向告警管理模块发送告警信息。最后，感知适配网关还可以接收管理平台的 控制要求，组织控制指令( 如打开a 地区1 号大棚通风设备) ，下发给感知边缘网关，并 确认控制要求的执行情况。 1 2 国内外研究现状 目前，以实现高质、高效的精准农业为目标，田间信息采集、农业资源调查、作物生 长模拟模型及调控、智能农业决策支持系统及智能机械精准作业等领域是国内外的研究重 点。 1 2 1 国外研究现状 精准农业作为一种高效节能的现代科技，成功地实现了计算机、互联网、传感技术与 传统农业的有机结合，在互联网技术高速发展的今天，该项技术是一个极富生命力的研究 领域，受到国际农学的高度重视，“国际精准农业学术研讨会”每年都会对该领域的最新 研究进展做出权威评估。美国等国家已经将该技术作为一个重要的学科方向，明尼苏达大 学等高校通过建立研究中心、开设精准农业专业课，来集中对该项技术进行全面的研究。 美国作为国际互联网的发源地，理所当然成为现代农业领跑者，也是精准农业研究成 果最多的国家之一，早在二十世纪九十年代明尼苏达州农场的精准农业试验，通过对比用 g p s 控制施肥和用传统平衡技术施肥对作物产量的影响，发现前者比后者增产3 0 1 ，充 分地展现了精准农业的价值。目前，美国2 0 0 多万农场中的六到七成已经采用了精准农业 技术。作为当今的前沿技术，虽然还未实现系统化规模，但是现阶段已经给农场主提高了 农场管理的自动化水平，带来了相当的经济效益。 在经济全球化、科技全球化的今天，精准农业同时受到了美国以外的多国关注。其中 以澳大利亚、巴西、加拿大、马来西亚等国投入较多佑1 。因为精准农业涉及面相当广泛， 2 浙江理工大学硕士学位论文 主要有精量播种、配方施肥、杂草清除、病虫害防治、收获作业和水分管理等领域，各个 国家由于地理、气候以及资源条件的不同，对精准农业的研究侧重点也有所不同，比如在 水资源缺乏的以色列等国家，通过实时观测农作物生长土壤的水分，适时、适量供水，有 效提高了水资源的利用率，对该国农业的可持续发展具有十分重要的实际意义。 1 2 2 国内研究现状 我国传统农业具有几千年悠久的历史积淀，然而在农业自动化、信息化方面研究却落 后于西方发达国家，为了提高劳动生产率和智能农业化水平，自1 9 9 4 年开始，我国对精 准农业展开了全面的研究，与国际接轨，在8 6 3 计划和9 8 4 项目( 国家引进国际先进农业 科学技术项目“精准农业技术体系研究 ) 中完成立项计划。目前我国正处于由传统农业 向智能化农业过渡的进程当中，建立智能化农业平台成为推动农村经济发展的迫切需求。 智能农业平台的关键问题在于其合理的架构、通用的平台及可靠安全的信息传输。 发展智能农业不是对别人的成功版本照搬照抄，而是实事求是、因地制宜，走出一条 适合我的国情、适合我国特定的自然资源、环境、气候等条件的独特的中国化智能农业道 路。国与国不同，省与省不同，全国各地依据自己的自身条件，引进、消化、吸收外国的 先进的精准农业技术和设备，最后转化为与自身情况相符合的农业自动化道路。例如，2 0 0 4 年到2 0 0 6 年，广西武宣县成功实施的“智能化精准施肥技术示范推广 项目。截止目前， 我国2 1 个省市共有2 2 个智能农业专家系统应用示范区1 。“8 6 3 ”计划在全国2 0 个省市推 行了“智能化农业信息技术应用示范工程 。国内，北京起到了模范带头作用，其中，密 云县通过g i s 构建了智能农业资源管理信息系统；2 0 0 6 年，北京市引进外国先进的农田播 种技术，并将其巧妙地应用在“精准农业高科技农业示范工程 项目中。这些成功的尝试 经验，为我国从传统农业向智能农业成功过渡起到了重要作用，对我国农业结构体系的变 革以及农业的可持续发展具有不可估量的重大意义。 依托国家“8 6 3 3 0 6 主题”平台，通过技术先进地区带动、帮助技术落后地区以及 国家的大力扶持，目前，我国研发的农工业专家系统将近2 0 0 个，拥有3 5 个农业专家系 统推广应用的计算机网络，有效地实现了我国智能农业示范工程的全面覆盖。 精准农业是因对象和需求而变换的系统，它不是一套可以硬性拷贝的工具，而是一 种灵活的管理策略和与之相适应的技术。我国是农业大国，同时也是农业弱国，人多地少、 地形复杂、机械化、信息化水平较低，与国外的大环境相差较大。因此，结合国情，吸收 别国先进技术，找出一条高新技术与农业结合的新兴产业道路，成为我国推广精准农业的 3 浙江理工大学硕士学位论文 当务之急。目前，我国与精准农业发展相关的基本国情如下： l1 ) 人均耕地较少，地形复杂，气候复杂多样 我国耕地总面积排名世界第四，然而由于人口众多，人均耕地面积却不到世界人均耕 地面积的一半。西高东低的地势和变化复杂的地形特征，造就了不同地区气候的复杂多样 性，自然灾害频繁发生。发展精准农业要求根据当地自然条件因地制宜。 ( 2 ) 机械自动化水平不高 我国东西部经济发展不平衡，农业自动化程度相差较大，集约化水平较低。整体机械 化水平与发达国家相距较远，每l h m 2 拖拉机拥有量不到世界平均水平的一半。 ( 3 ) 互联网技术及其硬件配套设施薄弱 精准农业与传统农业的本质区别就是现代互联网及其相关技术的应用。我国信息化水 平较发达国家相距较远，物联网技术只是刚刚起步。目前，许多地方甚至连台基本的电脑 都很难配备，更不用说构建完整高效的网络平台。所开发的示范系统的实时性、可靠性程 度不高。 ( 4 ) 技术独立性不高 目前我国构建精准农业系统的相关设备、关键技术方案大部分靠国外引进，缺乏自主 开发能力。 ( 5 ) 相关专业人才较少 发达国家在精准农业开发早期，就已经通过高效设立相关专业课，建立研究所等方案， 培养具有高专业素养的研发人才。而我国才处于物联网、精准农业兴起早期，各大高校很 难开设相关专业，相关人才的培养没有形成规模化，严重缺乏具有高技术的相关专业人才。 1 3 主要研究内容和论文结构 1 3 1 主要研究内容 本课题主要是通过无线传输、x m l 数据交换及接口安全等科学理论来研究和实现智能 农业平台中感知适配网关的设计，主要研究了感知适配网关系统的关键技术：传感数据或 控制信息的高效传输、基于x i l l 的数据交换技术及优化的安全加密机制。 本文主要研究内容如下： ( 1 ) 查阅并学习了本课题的相关文献，介绍了智能农业的产生与发展，总结了国内现 有大规模传统农业的不足之处，研究了智能农业的发展趋势。 4 浙江理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 介绍了智能农业平台的总体设计方案，通过对智能农业的网络拓扑结构进行分析， 挝炀：h 本文设计的感知适配网关系统的功能：用户登录、权限管理、智能展示、阈值设置， 智能报警、智能控制等。 ( 3 ) 分析了感知适配网关的相关技术难点，研究了j a v a 底层网络通信及通信所采用 的m o d b u s 协议标准，提出了一种新的增强型m o d b u s 协议( c t m b ) ，能更好地更具针对性 的传输农业信息数据。另外研究了基于x m l 的数据交换技术，通过以x m l 格式实现信息的 传递，规范了农业信息的描述方式，提高了系统的通用性。 ( 4 ) 重点研究了采用基于r e s t ( 用户状态迁移) 架构风格来实现感知适配网关系统 的多业务、多应用、多协议，通过把w e b 上的每个资源通过一个u r l 来标识，来保证系统 提供的服务都是解耦的，这样可以极大的简化系统，从而改善了系统的交互性和可重用性。 同时研究了r e s t 接口的数据加解密算法原理及特点，提出了一种采用a e s 和s h a l 混合 加密机制以保障数据的保密性、可靠性和安全性，通过消息认证来保证数据的完整性，防 止伪造和篡改数据信息，有效地解决了感知适配网关系统中信息传感的安全性问题。 ( 5 ) 搭建了整个感知适配网关系统的系统框架，对感知适配网关系统进行概要设计和 详细设计，实现了该系统，目前该系统已经在试运行阶段。 1 3 2 论文结构 本论文共分为六章，第一章为绪论，介绍了智能农业的相关知识及发展现状，并由此 引入问题；第二、三章分别从不同的层面分析了关键技术，并在相关的理论基础上，提出 了解决方法和理论证明；第四章是智能农业平台的总体解决方案，概括本文所设计的感知 适配网关的设计思路及意义；第五章通过系统实现来验证解决方法；最后一章是总结与展 望。各章的主要内容如下： 第一章为绪论，阐明了论文的研究背景及意义，智能农业的发展现状及发展趋势，提 出了论文的研究内容以及主要工作。 第二章为感知适配网关软件系统所涉及的关键技术研究。首先研究了j a v a 底层网络通 信技术，比较了基于t c p 、u d p 协议的j a v a 编程的异同点；针对农业信息数据统一表示格 式的问题，对m o d b u s 规约进行修改，提出了一种新的增强型m o d b u s 协议( c t m b ) ，按照 此协议对数据信息进行封装，并采用基于x m l 技术的数据交换技术进行信息存储和数据传 输，有效地屏蔽了后台异构或多源问题，减少了网络流量，系统地解决了服务器端负载过 重、系统效率低等不足之处，节约了运行成本。 5 淅江理工大学硕士学位论文 第三章为感知适配网关系统的安全机制研究。首先介绍了感知适配网关中接口安全的 定义，接着研究了r e s t 风格接口的数据加解密算法原理及详细步骤，提出了一种采用a e s 和s h a 一1 混合加密机制来保障数据的保密性和完整性传输。 第四章为感知适配网关在智能农业的拓扑网络结构中所处的地位，分别从系统功能、 与其他功能模块的联系及遵循整系统松散耦合的原则方面强调了设计该系统的必要性。 第五章为感知适配网关系统的设计及实现，基于上述理论知识，结合感知适配网关的 需求目标，对感知适配网关系统进行概要设计和详细设计，并实现了该系统，给出了该系 统的运行效果图。 第六章为总结及展望。对本文研究工作进行了总结，通过对已经正式运行系统的分析 和研究，指出了本课题研究中存在的一些问题并对下一步的工作进行了展望。 6 浙江理工大学硕士学位论文 2 1j a v a 实现底层网络通信 第二章系统相关技术研究 传统的网络编程是一项非常细节化的工作，程序员必须处理和网络相关的大量细节， 如各种协议，甚至需要理解一定的网络硬件知识。j a v a 作为当今流行的网络编程语言，它 将底层的网络通信细节予以屏蔽，让程序员可以像操作流一样来操作网络数据传输。j a v a 的面向对象、跨平台、分布应用等特点使得w w w 从最初的单纯提供静态信息发展到现在的 提供各种各样的动态服务，给编程人员带来了一种崭新的计算概念。用j a v a 实现计算机 网络的底层通信盯1 就是用j a v a 程序实现网络通信协议所规定的功能和操作，网络通信协议 的种类有很多，这里讨论其中两个具体协议的j a v a 编程一流式套接字提供一种可靠的面 向连接的数据传输方法，它基于t c p 协议；数据报套接字是一种不可靠的面向非连接的数 据报通信方式，它基于u d p 协议。 2 1 1 基于连接的流式套接字 网络上的计算机要进行通信，必须得遵循一定的协议。目前使用最广泛的网络协议就 是i n t e r n e t 上所使用的t c p i p 协议。尽管t c p i p 只有t c p 这个协议名，但是在t c p i p 的传输层同时存在t c p 和u d p 两个协议。在j a v a 语言中，就是利用s o c k e t ( 套接字) 提 供的一组a p i 来编程实现t c p i p 协议，这个编程接口是预先定义好的类。 流式套接字提供的是一种面向连接的保证数据可靠传输的方法，它基于t c p ( t r a n f e r c o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 协议。流式s o c k e t 通过t c p 协议传输，得到的是一个顺序的无差错 的数据流，它是一种基于连接的通信，即在通信开始之前先由通信双方确认身份并建立一 条专用的虚拟连接通道，然后它们通过这条通道传送数据信息进行通信，当通信结束时再 将原先所建立的连接拆除。这个过程可以由图2 1 所示。 7 浙江理工大学硕士学位论文 s e r v e r 端 i 创建s e r v e r s o c k e t 对象在 某端口提供监听服务 等待来自c ll e n t 端 的服务请求 接收c 1l e n t 端的请求用返 回的s o c k e t 建立连接 通过向s o c k e t 中读写数据 来与c 1l e n t 端通信 关闭s o c k e t 结束与当前 c 1 i e n t 的通信等待其他请求 建立连接 ， 数据通信 一 拆除连接 一 c l i e n t 端 创建s o c k e t 对象向s e r v e r 的监听端u 请求 j 通过向新s o c k e t 中读写数 据来与s e r v e r 端通信 l 关闭s o c k e t ，结束与s e r v e r 端的通信 ， 关g s e r v e r s o c k e t 昂l 象 结束监听服务 图2 1 流式s o c k e t 的通信机制 基于连接的通信可以确保整个通信过程准确无误，但可靠的传输是要付出代价的，一 方面连接的建立和拆除增加了程序的复杂性，而另一方面数据内容的正确性检验必然占用 计算机的处理时间和带宽。因此对于一些并不需要保证严格的传输可靠性的应用，比如视 频会议系统，它并不要求音频视频数据的绝对正确，只需要保持连贯性就可以了，这时可 采用2 1 2 所介绍的无连接的数据报方式。 j a v a 中使用了两套类来实现套接字，且分别基于不用协议。正如图2 1 所示的基于t c p 的流式s o c k e t 中提到了s o c k e t 和s e r v e r s o c k e t 类，s o c k e t 类与s e r v e r s o c k e t 类是用 j a v a 实现流式s o c k e t 通信的主要工具哺1 ，分别用来表示双向连接的客户端和服务端。创 建一个s e r v e r s o c k e t 对象就是创建了一个监听服务，创建一个s o c k e t 对象就建立了一个 c l i e n t 与s e r v e r 间的连接。j a v a 中提供了多个构造函数来以不同的参数创建对象，下面 将分别介绍： ( 1 ) s o c k e t 类 当客户端需要从服务器端获取信息及其他服务时，应该显式地( 调用n e w ) 创建一个 客户端的s o c k e t 对象，对服务器的端口发出连接请求，一旦连接成功，则打开会话。 s o c k e tm y c li e n t s k = n e ws o c k e t ( ”1 2 7 0 0 1 ”，1 2 2 9 ) ： 需要注意的是在自定义端口时，必须小心。因为每个端口提供一种特殊的服务，只有 给出正确的端口，才能获得相应的服务。0 - 1 0 2 3 的端口号为系统所保留，所以最好选择一 个大于1 0 2 3 的数以免发生冲突；另外就是在创建s o c k e t 对象若发生错误将产生 8 浙江理工大学硕士学位论文 】o e x c e p t i o n 异常，所以在程序中必须捕获或抛出异常。s o c k e t 对象建立成功之后，就可 以在客户端和服务端建立一个连接，利用s o c k e t 的两个方法一g e t i n p u t s t r e a m ( ) 和 g e o u t p u t s t r e a m ( ) 可以分别获得一个输入流( 来自服务器端) 和一个输出流( 通往服 务器端) 。客户端程序正是利用这两个输入输出流同服务器进行通信。每一个s o c k e t 存在 时都将占用一定的资源，所以当客户端和服务端的通信完成时需要关闭s o c k e t ，可以调用 s o c k e t 类的c l o s e ( ) 方法，并且在关闭s o c k e t 之前，应将与s o c k e t 相关的输入输出流全 部关闭以释放相关资源。 ( 2 ) s e r v e r s o c k e t 类 s e r v e r s o c k e t 类用于服务器端，服务器端使用s e r v e r s o c k e t 监听指定的端口，等待 客户连接请求，客户连接后，会话产生。下面是一个典型的创建s e r v e r 端s e r v e r s o c k e t 的过程。 s e r v e r s o c k e tm y s e r v e r = n u ll ： t r y 创建一个在端口1 2 2 9 监听客户请求的s e r v e r s o c k e t m y s e r v e r = n e ws e r v e r s o c k e t ( 12 2 9 ) ： ) c a t c h ( i o e x c e p t i o ne 1 ) s y s t e m o u t p r i n t l n ( ”c a nn o tl i s t e nt o ：”+ e 1 ) ： s o c k e tm y s e r v e r s k = n u l1 ： t r y m y s e r v e r s k = m y s e r v e r a c c e p t ( ) ： ) c a t c h ( i o e x c e p ti o ne 2 ) s y s t e m o u t p r i n t l n ( ”e r r o r ：”+ e 2 ) ： 上述程序是服务端的典型工作模式，只不过这里的服务端只监听一次请求，接收完就 退出了。在实际的应用中可以用循环来实现实时监听。由上述程序可以看到服务端的 s o c k e t 对象是调用s e r v e r s o c k e t 的a c c e p t0 方法产生的，这个方法的执行将使s e r v e r 端的程序处于等待状态，程序将一直阻塞到捕捉到一个来自c l i e n t 端的请求并连接到相 同的端口，然后a c c e p t0 方法返回一个同该c l i e n t 通信的s o c k e t 对象m y s e r v e r s k 。接 下来就是由各自的s o c k e t 打开输入输出流进行读写数据。需要结束监听时，则调用 9 浙江理工大学硕士学位论文 s e r v e r s o c k e t 对象的c l o s e ( ) 方法即可。 由此可见，客户端的发送信息和接收信息跟服务器的接收发送是一样的，只不过一个 是侦听模式而另一个是连接模式。在服务器端，s e r v e r s o c k e t 对象起到监听作用，而服务 器端和客户端之间的通信就是通过两边s o c k e t 对象利用输入输出流传递数据进行实现的。 2 1 2 无连接的数据报 由上节我们了解到流式s o c k e t 可以实现准确的通信，但是占用资源较多，对于类似传 输速度更重要的应用，尤其是需要很强的实时交互性的应用，如网游等，使用无连接的数 据报s o c k e t 会更恰当一些。 数据报s o c k e t 又称为u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l ，即用户数据报协议) 套接字， 是一种无连接的远程通信协议。u d p 发送独立的数据包，数据包包括目的端口号和源端 口号信息，但不保证传送顺序和内容的准确性，因此是一种不可靠的传输方式。它无须建 立、拆除连接，直接将信息打包传向指定的目的地，使用起来比流式s o c k e t 简单。j a v a 中用于无连接的数据报通信的类有两个：d a t a g r a m s o c k e t 类和d a t a g r a m p a c k e t 类。其中 d a t a g r a m s o c k e t 类来表示无连接的s o c k e t ，实现数据报的接收和发送过程； d a t a g r a m p a c k e t 类用于保存接收和要发送的数据报信息。 ( 1 ) 数据报的发送过程可由如下步骤阳1 编程实现： 创建d a t a g r a m p a c k e t 对象，其中包含要发送的数据、数据报分组长度、发送目的 地的主机i p 地址和目的端口号； 在指定的或可用的本机端n g , j 建d a t a g r a m s o c k e t 对象，调用该对象的s e n d0 方法， 以d a t a g r a m p a c k e t 对象为参数发送数据报。 ( 2 ) 数据报的接收过程可由如下步骤编程实现： 创建一个用于接收数据报的d a t a g r a m p a c k e t 对象，其中包含空白数据缓冲区和指 定数据报分组长度； 在指定的或可用的本机端n g , j 建d a t a g r a m s o c k e t 对象，调用d a t a g r a m s o c k e t 对象 的r e c e i v e0 方法，以d a t a g r a m p a c k e t 对象为参数接收数据报； 接收到的信息有：收到的数据报文内容、发送端的主机i p 地址、发送端主机的发送 端口号。 前面已经对t c p 和u d p 进行了比较，这里做个小结：t c p 传输可靠，传输的数据大小 无限制，但是建立连接需要时间长，差错控制开销大；u d p 传输不可靠，传输的数据大小 1 0 浙江理工大学硕士学位论文 限制在4 6 k b 以下，不需要建立连接，差错控制开销小。总之，这两种协议应用的场合不 同，它们两个并不是对立的，而是完全互补的两个协议。 2 2m o d b u s 通讯协议 在感知适配网关系统中，数据的重要性不言而喻。从远端大棚数据的采集上传、告警 信息的转发和平台侧控制信息的下发等，无一不用到远程网络通信。在组建无线网络时， 必须选择一种通讯协议，以使设备之间可以更好的“交流”。 这里，数据信息的通信通过互联网传输，分三种情形：查询上报、定时( 历史数据) 上报和下发控制。在协议使用上，查询上报( 感知适配网关查询边缘网关) 采用t c p 协 议封装，下发控制( 感知适配网关至边缘网关) 控制指令采用t c p 协议封装，定时上报 信息( 边缘网关至感知适配网关) 采用u d p 协议封装。三种情形的传输，在适配网关侧的 服务端口均采用m o d b u st c p 协议的5 0 2 号端口。 2 2 1m o d b u s 协议概述 m o d b u s 应用协议是工业控制领域中应用最广的协议之一n 们，它是由m o d i c o n 公司于 1 9 7 8 年开发出来的。通过此协议，不同厂商生产的控制设备和终端可以组建成工业网络， 进行远距离数据通信。m o d b u s 的协议内容可以免费获得再加上协议简单易学，许多厂家 的工业设备，包括p l c ( 可编程逻辑控制器) 、d c s 、智能仪表等都选择m o d b u s 协议作为 他们之间的通讯标准，因此m o d b u s 协议在市场上长期占有着主导地位。 m o d b u s 通讯协议作为智能设备通讯时采用的一种公共语言，它属于应用层协议，即o s i 网络模型中的第七层。它定义了消息的公共格式，使设备能认识和使用消息，而无需考虑 通信网络的拓扑结构。在m o d b u s 网络中，每个设各都有自己的地址，m o d b u s 协议定义了 设备问发送请求、识别和响应请求必须遵守的规则，并给出了相应的错误传输侦测和处理 办法。如今，随着m o d b u s 协议的不断发展，已经将工业以太网的一些关键技术，如w e b s e r v e r 、t c p i p 引入到了m o d b u s 协议解决方案中并逐渐应用于各种现场级测控领域。根 据i s o 各层模型，对m o d b u s 协议定义了两个通信规范：基于串行链路的实现和基于t c p i p 的实现。基于串行链路的m o d b u s 协议与t i a e i a 标准的2 3 2 - f 和4 8 5 一a 有关；基于t c p i p 的m o d b u s 协议与i e t f 标准r