（控制理论与控制工程专业论文）广域监控系统中协议解析器的设计与实现.pdf

硕士论文 广域监控系统中协议解析器的设计和实现 摘要 广域监控系统中被控对象的多样性和复杂性决定了数据通信协议的易变性，而协议 数据单元解析是广域监控系统数据处理的核心部分，在与具有不同应用层协议的被控对 象进行通信时，需要编写各自专用的协议解析程序，这往往会造成整个广域监控系统的 复杂和冗余，所以设计并实现一个统一的协议解析器用以完成现场层和监控层之间的数 据交换具有现实意义。 论文以车辆监控系统为特例，被控对象为企业工程车辆，研究了协议数据单元的解 析和构建方法。首先，通过分析用户需求制定了一套可扩展的数据通信协议，并用x m l 配置文件的形式描述协议，使协议描述与协议数据单元解析代码相分离；其次，设计了 验证协议格式配置文件合法性的s c h e m a 文档，在设计层次和应用层次规范了协议解析 器的可解析字段，并总结了s c h e m a 的设计原则；最后将协议数据单元解析分为初次解 析和再次解析两个过程，利用设计模式、依赖注入等软件开发技术，完成了协议解析器 的实现，并在数据可靠性和解析效率上初步达到了系统设计要求。当协议出现更新时， 协议解析器仍然可以根据修改后的x m l 配置文件重新配置自身结构并正确解析新的协 议数据单元。 关键词：广域监控系统，车辆监控，协议解析，可扩展数据通信协议，协议数据单元， x m l ，s c h e m a ，设计模式 a b s t r a c t t h ed i v e r s i t ya n dc o m p l e x i t yo ft h ec o n t r o l l e do b je c t i nw i d e a r e am o n i t o r i n g s y s t e m ( w a m s ) d e t e r m i n et h ev a r i a b i l i t yo ft h e d a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，a n dt h e a n a l y s i so ft h ep r o t o c o ld a t au n i t ( p d u ) i st h e c o r ep a r to fd a t ap r o c e s si nw i d e 。a r e a m o n i t o r i n gs y s t e m ，w h e n c o m m u n i c a t ew i t hc o n t r o l l e do b j e c t t h a th a v e v a r i o u s a p p l i c a t i o n 。l a y e rp r o t o c o l s ，t ow r i t ep a r t i c u l a r c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e st o c o n n e c te v e r y c o n t r o u e do b j e c ti se s s e n t i a l ，b u tt h i sa l w a y sc a u s e sc o m p l e x i t ya n d r e d u n d a n c i e s a sar e s u l t ，i t i sv e r yn e c e s s a r yt od e s i g na n dr e a l i z eau n i f i e dp r o t o c o lp a r s e r , w h i c hi su s e d t oa c c o m p l i s h d a t ae x c h a n g eb e t w e e nf i e l dl a y e ra n dm o n i t o r i n gl a y e r w i t he n t e r p r i s ee n g i n e e r i n gv e h i c l e a sc o n t r o l l e do b je c t ，t h i sp a p e ru s ev e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e ma sas p e c i a lc a s eo fw a m sa n di n v e s t i g a t et h ep a r s i n ga n db u i l d i n g m e t h o do ft h e p r o t o c o l d a t au n i t f i r s t ，d e s i g nt h ee x t e n s i b l e d a t ac o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l ( e d c p ) b ya n a l y z i n g u s e rn e e d sa n dd e s c r i b et h ee d c pi n t h ef o r mo fx m l c o n f i g u r a t i o nf i l et om a k et h ep d up a r s ep r o g r a mi n d e p e n d e n tf r o mt h ep r o t o c o l f r a m e f o h n a t b e s i d e s ，t h ex m ls c h e m ad o c u m e n ti sd e s i g n e dt ov a l i d a t et h ex m l c o n f i g u r a t i o n f i l ea n ds t a l l d a r d i z e dp r o t o c o lp a r s e rw h i c hp r o t o c o lf i e l dc a nb ep a r s e di nd e s i g nl e v e la n d a p p l i c a t i o nl e v e l ，a l s os u m m a r i z e dt h ed e s i g np r i n c i p l e s o fs c h e m a a tl a s t ，d i v i d e a n a l y t i c p r o c e s so fp d ui n t ot h et w op r o c e d u r e ：i n i t i a lp a r s e a n ds e c o n dp a r s e ，c o m p l e t et h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ep r o t o c o lp a r s e rb yd e s i g np a t t e r n s d e p e n d e n c yi n j e c t i o na n do t n e r s o r w a r ed e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , a n da c h i e v es y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t si nd a t ar e l i a b i l i t y a n dp a r s ee f f i c i e n c y w h e nt h ee d c pi su p d a t e d ，p r o t o c o lp a r s e rc a l l s t i l lr e c o n t i g u r e1 t s s t l l 】c 血】r ea c c o r d i n gt ot h er e v i s e dx m lc o n f i g u r a t i o nf i l ea n dp a r s et h en e w p d u c o r r e c t l y k e y w o r d ：w i d e a r e am o n i t o r i n gs y s t e m ，v e h i c l e p a r s i n g ，e x t e n s i b l ed a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，p r o t o c o l p a t t e r n s m o n i t o r i n gs y s t e m ，p r o t o c o l d a t au n i t ，x m l ，s c h e m a ，d e s i g n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： ! 至3 垂： 沙r 9 年6 月艿日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：! 茎31 堑：珈b 年月沙日 硕士论文广域监控系统中协议解析器的设计和实现 1 绪论 近年来，监控系统不仅广泛应用于电力、化工、钢铁、制造、航空航天等自动控制 领域，而且也在交通、水利、医疗、邮电、金融、安防等公共事业领域发挥着举足轻重 的作用。顾名思义，监控就是监视与控制，融合了自动化控制技术、计算机技术和通信 技术，从综合自动化的角度出发，以微机技术为核心，与数据通信技术、人机界面技术 相结合，广泛用于生产管理、数据采集和实时监控中，几乎人们日常政治、经济生活的 一切都或多或少地使用着各种监控设备和监控系统【l 】。随着信息技术的发展和各种现实 需求的提出，监控系统的被控对象也从小范围的单一对象演变成宽领域、多层次的复杂 对象，在数字技术应用到控制领域后，监控系统也逐渐从计算机集中监控系统向广域监 控系统转变。从系统组成角度看，广域监控系统一般可分为现场层、传输层、监控层三 个层次【2 j ，如图1 1 所示： 监控层 业务展示和管理控制平台 厂 ” 4+ 、 协议解析器 传输层 现场层 图1 1 广域监控系统的分层结构 现场层由分布式终端和被控对象组成。主要完成对被控对象各种信息的采集和执行 监控系统监控层下发的各种控制命令，是整个广域监控系统的数据采集机构和控制执行 机构。 传输层是现场层与监控层进行信息交互的通信媒介，负责上传分布式终端采集的数 据和下发监控系统应用层的各种命令。根据监控对象与监控中心距离的远近采用不同的 传输介质，传输介质大概可分为有限传输介质和无线传输介质，有线传输介质主要有双 绞线、同轴电缆和光纤；无线传输介质主要是传输微波、红外线和激光等光波或电磁波 1 1 绪论 硕士论文 信号。采用以上各传输介质进行数据传输各自有其优缺点，在实际工程中根据现场状况 及用户需求经常采用的是i n t e m e t 网络、g p r s 网络、c d m a 网络等。 监控层是整个监控系统的“大脑，监控中心的所在地，负责整个系统信息的分析、 处理、展示、控制等工作，对从传输层传过来的数据依据事先约定的协议进行解析、处 理、加工并根据需求以图片、文字、声音等多种形式进行展示实时数据、历史趋势、报 警故障等信息，也可以按照事先规定的控制策略下发控制命令。同时将各种信息存储到 数据库并提供人机交互管理功能，并可以根据需求统计、分析和打印各种报表。 1 1 项目研究背景 车辆监控系统是广域监控系统w a m s ( w i d e a r e am o n i t o r i n gs y s t e m s ) 在车辆交通 领域的典型应用范例。随着我国经济的快速发展，机动车辆的日益增多，交通运输行业 之间的竞争不断加剧，给国家和企业带来了诸多交通和车辆的管理问题。因此，如何运 用现代化管理手段合理调度、提高车辆的使用效率、降低事故的发生，已成为一个亟待 解决的课题。车辆监控系统是将全球卫星定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 以及无线 通信技术相结合，实现车辆的实时定位和导航、车载终端和监控中心的实时数据传递、 以及监控中心对车辆状态、运行情况和道路状况进行实时监控、调度、疏导，迸一步实 现资源合理有效利用，减少环境污染和交通事故，并且在车辆安全防盗方面也体现出其 优越性【3 1 。 该系统分为车载终端、g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用无线分组业务) 通信网络、数据服务中心、数据库和业务展示平台五部分，用以实现企业对企业所属工 程车辆的监控。论文就是以车辆监控系统为特例来探讨广域监控系统的工作原理和过 程，主要研究了协议解析在监控系统的作用和协议解析的过程，并对协议解析的多种手 段的优缺点进行了比较，提出了一些协议解析器设计的原则和方法。 1 2 国内外研究现状 随着各行业的深入发展和用户的增多，广域监控系统必将会面临海量数据的处理问 题，在超大容量的数据面前，依靠人来解析处理这些信息并做出控制决策将显得无能为 力。所以广域监控系统走向智能化势在必行，主要包括三个方面：系统结构的智能化、 计算方法的智能化和监控手段的智能化。未来的广域监控系统必然是一个并行、分布、 开放、协调、容错的智能监控管理系统1 4 j 。 车辆监控系统最近几年在我国很多地方已经有了很成熟的应用，如机动车辆智能收 费系统、高速公路交通监控系统、移动巡警车等。其中智能交通系统发展较快，可以对 交通流量进行计算机监控和调度，也已经成为当前的研究热点【5 】。 协议解析是通过程序分析数据帧的头和尾，解码并表示出协议用来交互信息的消息 2 硕士论文广域监控系统中协议解析器的设计和实现 格式，从而了解信息和相关数据帧在产生和传输过程中的行为 6 1 。解析的实质就是对单 条信息的处理。将用特定进制( 十六进制或者二进制) 表示的消息i e ( i n f o r m a t i o n e l e m e n t s ) 翻译成协议中规定的含义 7 1 。在车辆监控系统中就是根据约定的协议格式将 数据帧中的数据解析成车辆监控系统中具有实际含义的各种信息。协议解析实际上就是 对数据帧进行分析和“翻译 的过程，现在使用或者研究的分析手段主要有以下几种： 1 硬编码解析 即协议的格式和内容都固化在代码中，用代码的处理逻辑来体现。虽然这种方法保 证了较快的数据帧解析速度，但是对于易变的协议格式和需要扩展的协议格式显然不可 取，因为开发和维护成本太高。所以这种解析手段只存在于对速度有极高要求的低层次 简单协议中。 2 基于编译技术的解析 即通过将协议格式的描述和协议解析的代码相分离，用相对稳定的代码处理不固定 的协议数据帧【_ 7 1 。主要借鉴编译原理【9 】中词法分析和语法分析的原理用正规集的方式形 式化描述通信协议，再由一个状态图生成程序生成对应这个正规集的状态图( 驱动表) ， 然后由一个唯一的主控程序根据这个驱动表对接收到的数据帧进行解析识别【1 。这种解 析手段对于多种通信协议并存时十分有优势，易于维护，也能保证较快的解析速度，但 需要对计算机编译知识有十分的了解，现在在工业自动化领域有一定的应用i l 。 3 基于x m l 配置文件的解析 即通过采用x m l 配置文件封装协议易于变化的需求点，用x m l 文件反映通信协 议的格式和内容，并通过编写x m ls c h e m a 文件来验证x m l 文件的合法性，进而判断 此时协议数据帧能否被协议解析器解析。主控程序通过读取协议格式配置x m l 文件生 成协议各字段的协议解析子模块，分离出各字段在数据帧中的数据，再通过读取再次解 析数据库中对应的信息得出具有实际物理意义的数据。尽管在解析速度上比不上硬编 码，但由于x m l 配置文件的引入，有了很好的可扩展性，自描述的x m l 文件更加简 单易懂，易于维护。现在主要应用在数据吞吐量比较大、协议更新较快的大型监控系统 中。 像这种利用x m l 可扩展标记语言自身独特的自描述性和s c h e m a 文档对其有效性 的验证能力作为在网络中共享、交换数据的模型在国内外很多领域得到了广泛的应用。 有些领域已经有了一整套数据交换标准( 即协议规范) ，只要自己定义的x m l 文件满足 s c h e m a 里的限制条件，自定义的信息就可以在以这套协议为标准的系统中被识别、分 析和处理。如：在服装c a d 领域解决了不同c a d 系统之间兼容性差导致的数据交换问 题【1 2 1 ，在分布式医疗监控领域解决了患者健康电子记录在异构系统中数据传递问题【l3 1 。 i 绪论硕士论文 1 3 研究意义和目的 在车辆监控系统的系统设计过程中，考虑到被控对象的复杂性和车载终端硬件设备 由于厂家不同导致通信方式和通信协议的多样性，数据在传输和解析过程中就缺乏统一 的、标准的开放式接口。假如要在一个监控系统里共存，就必须为它们开发专门的通信 和解析接口。随着企业业务越来越繁杂、监控系统自动化程度越来越高，不可能用一个 厂家的产品进行系统集成，也有可能中途客户需要系统升级，更不可能关闭整个监控系 统停止运行，这就会导致新协议层出不穷，甚至新旧协议共存的情况，而我们在进行上 层监控业务开发时，必须进行协议解析，从上传过来的数据帧提取有用的数据，并进行 相应的存储、加工计算和显示等处理，这就要求我们不得不针对特定的设备特定的协议 开发特定的、专用的通信接口和解析接口。所以要保证车辆监控系统的长期稳定运行， 保证企业的长远利益，为其设计一个可扩展、低耦合、易维护的协议解析器就显得十分 重要。 不管是广域监控系统还是在交通领域的车辆监控系统，协议解析都是系统性能的瓶 颈，解析性能的好坏直接影响车辆监控系统的正常运行。同样车辆监控系统响应速度也 非常重要，直接影响业务展示平台对监控信息的展示和监控中心对车辆的控制效果，更 加影响车辆监控系统管理员软件使用体验。而协议解析器是协议数据单元从车载终端到 监控中心除通信网络外必经的一座“桥梁”，所以如何设计一个可扩展、低耦合、易维 护、适应协议变化的高速解析且误码率低的协议解析器就成为一个非常值得研究的课 题。 1 4 论文的主要工作及章节安排 由于在车辆监控系统被控车辆的复杂性和多样性导致协议的多变性，本文以车辆监 控系统为例研究了适应协议变化的协议解析器的设计和实现，即研究了协议数据单元的 解析和构建。 具体实现是采用x m l 技术描述协议的思想，用x m l 配置文件封装协议的变化点 同时用s c h e m a 文档规范x m l 配置文件表现的协议格式并判断其合法性，实现了协议 格式的描述与协议的解析代码相分离并可以屏蔽协议不同版本间的差异，同时s c h e m a 还规范了协议解析器可解析字段的有限集。将协议解析分为初次解析和再次解析两个过 程：1 ) 初次解析将协议数据单元按照描述协议格式的x m l 配置文件的内容分割成字节 数据片段构成的各字段信息，通过转化和运算得出初始值，但不确定该字段的名称、单 位和实际含义；2 ) 再次解析是在初次解析的基础上根据初次解析结果的信息查询对应 的字段名称、单位和实际含义，得出该字段的实际物理意义。通过采用设计模式、依赖 注入等软件开发技术，最终完成了协议解析器的设计和实现。 4 硕士论文广域监控系统中协议解析器的设计和实现 本文章节框架主要安排如下： 第一章：概述了广域监控体统的体系结构，简单介绍了课题提出的项目背景，并说 明了本课题在国内外的研究现状和研究意义。 第二章：以车辆监控系统为特例，结合广域监控系统相关原理，从整体上描述了车 辆监控系统的系统结构，主要由车载终端、通信网络和监控中心三部分组成。并详细阐 述了各组成部分子模块的结构及其功能。通过分析车辆监控系统的工作流程和系统数据 流程，明确了协议解析器在车辆监控系统中的位置和作用，引出协议解析的概念。 第三章：简单介绍了协议的概念、功能和组成三要素，通过阐述o s i 模型对网络通 信分层的原因，将数据通信协议分为数据验证层和信息载体层；同时通过分析p 数据 报格式细节，提出了协议中设置可扩展字段的设计原则。依据以上原则，设计了车辆监 控数据通信协议细节，最后简单介绍了基于此协议的协议解析器的工作原理，为后续章 节展开论述做准备。 。 第四章：完善了用x m l 技术描述协议格式和内容的思想。首先简单介绍了x m l 的基本语法和特点，总体上分析了x m l 的技术框架，重点介绍了在本系统实现中所采 用的s c h e m a 和x p a t h 技术特点和作用。总结了一系列x m l 和s c h e m a 的设计原则，并 遵循这些原则为描述数据通信协议设计了协议配置文件、车辆定义信息配置文件和数据 帧构建配置文件和验证协议配置文件合法性的s c h e m a 文档。 第五章：完成了协议解析器的具体设计和实现。给出了基于x m l 描述协议思想的 协议解析流程，主要分析了协议数据帧验证信息和字段信息的解析方法，通过类图的形 式分析了协议解析的设计思想，并对设计过程遇到的实际问题给出了详细解决方法，最 后得出协议解析的初步成果，并分析了协议解析器中s c h e m a 在设计层次和应用层次两 方面的作用，提高了代码的可维护性和系统的可扩展性。 第六章：总结了自己在课题研究中所做的工作及解决的问题，并分析了系统在设计 上的不足，说明了今后可以深入研究和完善的方向。 塑兰堡墨亡基些羹墨垄! 垫丝鳖堑墨盟堡! ! 塑壅里 2 车辆监控系统与协议解析器 经过多年的研究和实践，车辆监控系统的设计不管是在稳定性上还是在软硬件的可 扩展性上有了长足的发展和进步。本章通过详细把握车辆监控系统的总体结构和工作原 理，从整体上明确协议解析器在整个车辆监控系统的位置和作用。 2 1 车辆监控系统组成 车辆监控系统作为广域监控系统的特例，其系统组成极具代表性，由车载终端硬件 设备、通信网络、监控中心三部分组成了一个全天候、全范围的企业管理和车辆监控的 综合平台。其总体结构如下图21 所示： 争飞 图21 车辆监控系统总体结构图 对应广域监控系统的分层情况，带有车载终端的工程车辆属于现场层：g p r s 网络 基站、g p r s 网络、g p r s 网关和h n e m e t 网络属于传输层；w e b 服务器、数据转发中心、 数据库服务器和监控客户端属于监控层。上行信息为从现场层到监控层的数据：下行信 息为从监控层到现场层的数据：本地信息是指不通过通信网络在监控中心内部交换的数 据，如数据库服务器与数据转发中心的通信信息。 车辆监控系统结合了卫星定位技术、g p r s 通讯业务、g i s 技术、计算机网络和数 据库等技术，在企业内部建立一个监控管理平台( c s 结构和b s 结构相结合) 0 4 1 。系 胂一 淞一 2 车辆监控系统与协议解析器 硕士论文 统可对注册车辆实施动态跟踪、监控、行车记录、管理、数据分析等功能，监控车辆可 以在电子地图上显示出来，并保存车辆运行轨迹数据；监控管理终端( 客户端) 可任意 选择服务器内部局域网或国际互联网对中心进行访问并可通过i e 浏览器登录网上综合 工程车辆管理数据分析控制系统( b s 结构) ；且系统软件容量可随时根据监控中心服务 器和操作终端硬件配置进行扩展，入网车辆不仅可以是工程车辆，也可以其他用途的社 会车辆，如危险品运输车辆，可以实现该类型车辆白天不得进入主城区等功能。同时系 统还可以采用分组管理，不同类型的车辆归入不同分组，便于管理人员的操作。 2 1 1 车载终端 车载终端是指安装在移动工程车辆上以a r m 芯片作为处理器的嵌入式硬件系统， 是车辆监控系统的基础。具有双向信息传输能力，信息存储和数据重传等功能，并为日 后扩展预留接口，可与多种外设对接。从具体实现层面分析，主要完成以下两方面的功 能：( 1 ) 通过车载终端多种数据采集模块采集车辆的g p s 定位信息、实时工作状态信 息、统计信息、报警信息等，并通过无线通信网络上传至监控中心。( 2 ) 通过无线通信 网络接收、分析和处理监控中心下发的控制信息和配置命令，并执行相应操作( 如远程 锁车) 。它主要由信息处理和控制模块、g p s 模块、g p r s 通讯模块、数据采集模块、 c a n 总线接口模块和电源模块组成，其硬件系统结构图如图2 2 所示： 图2 2 车载终端硬件结构图 1 信息处理和控制模块 信息处理和控制模块是车载终端的主控制器，c p u 和存储器都在此模块中，是车载 终端硬件系统的枢纽。主要负责现场采集数据的处理、存储和对输出节点的控制。一方 面将数据采集模块、c a n 总线接口模块采集过来的信息和g p s 模块传送过来的定位信 息通过g p r s 模块按照事先制定好的通信协议构建数据帧传送至监控中心并将部分重要 的信息缓存在存储器中。若工作状态发生异常，就直接给监控中心发送异步报警数据帧 至监控中心，并通知监控系统管理员。另一方面，信息处理和控制模块也可以侦听并解 析监控中心下发的各种控制信息指令，通过控制开关量输出节点来实现控制效果。假如 r 硕士论文 广域监控系统中协议解析器的设计和实现 由于网络故障而导致信息上传失败时，c p u 会取出缓存在存储器中的上次数据帧待网络 恢复通信后继续上传，防止发出不完整的信息。此外硬件的存储器除了存储a r m 系统 的源程序外，还实时更新车辆运行的日志文件，当车辆出现故障时，就可以查询最近的 使用情况以供客户分析并加以改进升级。 2 数据采集模块 数据采集模块由a d 模块和i o 模块组成。a d 模块主要负责采集车辆的模拟量信 息并进行模数转换，然后将转换后的数字量传给信息处理和控制单元，如电压、水压、 水位、油温等模拟量参数。i o 模块主要负责采集车辆的开关量信息，点火、报警、供 电等开关量参数，同时也可以输出开关量信号通过高低电平控制继电器的闭合来实现对 车辆的控制。 3 c a n 总线接口模块 c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线【1 5 】接1 2 1 模块主要负责接收从c a n 总线传送过 来的车辆实时状态信息，如车辆故障信息、车辆电气部件工作状态信息等，并随着移动 工程车辆型号的不同车载终端上传的c a n 总线信息也有所差异。 c a n 协议是i s o 国际标准化的串行通信协议，属于工业现场总线的范畴，它是一 种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，并被广泛地应用于工业自动化、船 舶、医疗设备、工业设备等方面，它为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数 据通信提供了强有力的技术支持。 4 g p r s 通讯模块 g p r s 通讯模块负责将现场传感器的模拟量、开关量等数据通过g p r s 无线网络连 接i n t e m e t 网络传至监控中心，同时传输监控中心下发的各种控制信息或者配置指令。 5 g p s 模块 g p s 模块主要用于采集车辆的地理位置信息，由天线、接收机、计算机及用户输入 输出设备四部分组成。接收机能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪 这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪 距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理 器就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、 方位角和时间等信息。 6 电源模块 电源模块主要为信息处理和控制模块中的c p u 、存储器和其他模块提供电力支持。 2 1 2 通信网络 由于工程车辆广域分布的随机性，通信网络需要全天候、全范围地与所有车载终端 同时通信，那首选必然是无线通信网络。无线通信网络的构建至今为止已经出现多种方 9 2 车辆监控系统与协议解析器 硕士论文 案：无线电台通信、集群移动通信、g s m 公用移动通信、g p r s c d m a 无线网络通信、 卫星移动通信等。 在前面介绍车辆监控系统系统组成时就说明了本系统采用的是g p r s 网络进行无线 通信，基于g p r s 的车辆监控系统以g p r s 网络作为数据通信平台，充分发挥了通用分 组无线业务g p r s 数据传输的优势，系统具有传输速率高、误码率低、延时小、实时性 强等显著特点【1 6 j 。 g p r s ( 通用无线分组业务：g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是一种基于g s m 系统的 无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线i p 连接。简单的说，g p r s 是一项高速 数据处理的技术，其方法是以“分组 的形式传送数据。网络容量只在所需时分配，不 要时就释放，这种发送方式称为统计复用。目前，g p r s 移动通信网的传输速度可达 1 1 5 k s 。g p r s 是在g s m 基础上发展起来的技术，是介于第二代数字通信和第三代分组 型移动业务之间的一种技术，所以通常称为2 5 g 。 它与原有g s m 网络采用电路交换进行数据传输的方式相比，优势十分明显。原有 的g s m 网络提供的数据业务传输速率低，资源利用率差，即使提供了短消息u s s d ( u n s t r u c t u r e ds u p p l e m e n t a r ys e r v i c ed a t a 非结构化补充数据业务) 等数据分组业务，也 只适用于少量的、突发性的数据传输，无法适应大量的数据应用【1 。刀。而g p r s 克服了电 路交换速率低、资源利用率差等缺点，基于g p r s 的分组型数据业务与基于g s m 的电 路型数据业务优缺点对比如表2 1 【l 驯： 表2 1 电路型数据业务与分组型数据业务对比 g p r s 提供承载业务、用户终端业务和补充业务等多项业务，并且还支持短消息业 务。承载业务又分为点对点( p t p ) 业务和点对多( p t m ) 。g p r s 承载业务支持标准网 络层协议如i p 协议，所以用户可以以i p 报的形式来通过g p r s 网络进行数据传送。其 中点对点的业务应用相当广泛，如利用g p r s 浏览w a p 网页、无线e m a i l 、电子商务等。 论文构建的车辆监控系统就是利用g p r s 点对点的承载业务。 1 0 硕士论文 广域监控系统中协议解析器的设计和实现 g p r s 网络构建于现有的g s m 网络之上，与g s m 网络相比，它增加了两个服务节 点，网关g p r s 支持点g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ) 和服务支持节点s g s n ( s e r v i c eg p r ss u p p o r t n o d e ) 。g g s n 是外部分组数据网( i p ) 或分组交换网( x 2 5 x 7 5 ) 与g p r s 核心网之间的网关结点。假如外部网络是一个口网，g g s n 可以看成一个普 通的i p 路由器，它服务所有移动台的i p 地址，g g s n 接收用户发送的数据，然后根据 移动台的位置为其指定一个s g s n 。s g s n 是g p r s 骨干网与无线接入网之间的借口， 他将分组交换到正确的基站子系统( b s s ) 。其主要任务包括提供对移动台的加密、认证、 会话管理、移动性管理、和逻辑链路管理。 它在车辆监控系统中的简化网络结构如图2 3 所示： 图2 3 车辆监控系统中g p r s 的网络结构 图中移动终端m t ( m o b l i et e r m i n a l ) 就是车载终端硬件设备中的g p r s 通讯模块， b t s ( b a s et r a n s c e i v e rs t a t i o n ) 为基站收发台，b s c ( b a s es t a t i o nc o n t r o l l e r ) 为基站控 制器，b t s 和b s c 构成了基站子系统，外部数据网就是i n t e m e t 网络，车载终端就是通 过如上的g p r s 网络结构接入i n t e m e t 网络与监控中心进行通讯的。 2 1 3 监控中心 监控中心，也称数据服务中心，是整个车辆监控系统的核心，完成车载终端上传数 据帧的转发、处理、显示并提供客户端管理人机界面。主要由通信模块、数据处理模块 ( 转发中心) 、业务展示接口模块、数据库访问模块四部分组成。其拓扑结构如图2 4 所示。 1 通信模块 通信模块实现了监控中心通过通信网络与车载终端进行通信的功能。主要负责接收 车载终端上传的数据帧和监控中心向车载终端下发控制命令数据帧和配置命令数据帧。 本系统是采用n e t 平台的c 撑语言编程实现，利用s o c k e t 通信技术保证现场层数据和监 控层控制命令的可靠传输。 本系统使用的是用户数据报协议u d p ( u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) ，是一种面向非连 2 车辆监控系统与协议解析器 硕士论文 接的通信，传送数据之前不建立连接，对方收到信息也不回发确认信息，简而言之，是 一种简单、不可靠的通信。因为在车辆监控系统中，车载终端是每隔一个心跳时间( 传 输周期) 定时向监控中心上传数据帧，数据传输有时间不定性，不需要通信双方一直保 持连接状态；其次上传数据帧长度在所有型号车辆上都比较短，通信一次也不会出现大 量的数据流量；最后u d p 连接既可以充分发挥其相比较t c p 协议而言的通信速度优势， 而且还能减少譬如t c p 通信多次建立连接产生的流量，由于车辆监控系统采用的g p r s 通信网络是基于流量计费的，这样可以减少支撑系统运行的日常费用。 由于基于u d p 协议通信的不可靠性，为了保证数据帧的可靠传输，必须在通信模 块数据通信协议设计中制定数据传输的确认机制。通信模块采用异步接收上传数据帧， 此时主线程可以进行其他工作，提高了监控中心的响应速度。 f ! 数据厍 图2 4 监控中心结构图 2 数据处理模块 数据处理模块是监控中心的核心，协议解析器也是其中单独的一个子系统，处理分 析车载终端上传过来的数据帧，并作为业务展示接口模块的数据来源，同时负责构建数 据帧对车载终端执行控制、配置或者执行历史数据查询等操作。 在对上传数据帧进行解析时，一方面通过数据库接口模块连接数据库并进行数据保 存，另一方面将其中包含的实时信息在内存中进行缓存。 下发数据帧在具体实现上，为方便数据下发，本系统将终端手机号码、i p 地址和通 信端口号、上传时间、车辆型号等下发必备数据封装在一个模板类中。由于不同型号车 辆对应不同的模板，然后这些模板类存放在一个集合中，通过遍历该集合就可以获得车 辆监控系统中所有型号车辆的信息，方便下发数据帧和及时响应客户端的查询。 1 2 硕士论文广域监控系统中协议解析器的设计和实现 一3 业务展示接口模块 业务接口模块主要为监控终端提供业务调用接口，连接w e b 服务器，在人机界面 上把数据处理模块处理后的结果采用g i s 地图给人以直观清楚地显示，并为系统管理管 理员提供业务数据查询和下发控制或配置命令的功能接口。只有当监控终端查询历史数 据时才会通过数据库接口模块连接数据库进行查询操作，而请求车辆实时信息时，直接 从数据处理模块的缓存中获取，提高系统响应速度，也减轻了数据存取过于频繁时后台 数据库的压力。 4 数据库访问模块 数据库访问模块主要负责数据库的读写操作。本系统是采用a d o n e t 来连接数据 库，并进行数据的添加、更新、查询等操作。a d o n e t 是一组用于和数据源进行交互 的面向对象类库，提供对多种数据源的一致访问的接口【1 9 】。应用程序可以使用a d o n e t 来连接到数据源，进行检索、更新等操作。 。 2 2 车辆监控系统工作原理 2 2 1 系统工作流程及其功能特点 本论文中的车辆监控系统工作过程中具有如下特点： 1 监控中心软件操作自动化，高效准确。 系统可以自动检测车辆位置、自动报警，并提供数据统计，取代以往的手工作业方 式，降低了企业车辆管理员调度和查询的工作强度，保障了数据的及时性、准确性。 2 实时性，实用性强。 通过无线通信网络，实现了监控中心与车载终端的实时信息交流，可以实现调度到 统计全过程的实时监控与管理。 3 灵活性，方便扩展。 系统可实现多级调度方式，扩容方便，同时车载终端硬件设备具有可重构性，支持 多种型号工程车辆，容易进行大规模集成。 具体工作过程如下：被监控车辆随机分布在全省乃至全国范围内，车载终端上的数 据采集模块、g p s 模块、g p r s 通讯模块、数据采集模块、c a n 总线接口模块按照事先 约定的数据通信协议构建上传数据帧，里面包含车辆的实时数据( g p s 、模拟量、开关 量等) 、统计信息( 总工作时间、当天出动时刻、当天点火次数等) 、异步报警信息( 油 漏报警、电池电量过低报警、越界报警等) 。当车载终端的数据处理和控制模块分析采 集到的原始数据出现错误时，车载终端马上出现报警信号并同时发送异步报警帧通知监 控中心，监控中心回发应答确认信息帧并对报警信息进行保存以便日后查询分析。正常 情况下，车载终端每隔上传周期( 5 5 s ) 向监控中心发送构建好的数据帧，在车载终端 2 车辆监控系统与协议解析器 硕士论文 的g p r s 模块中协议封装成通信网络可以传输的数据帧，监控中心收到数据帧时，就交 给监控中心( 数据服务中心) 的数据处理模块分析，主要是其中的协议解析器解析出是 否是本系统的、完整的、正确的数据帧，然后分析匹配出其中各个字节组属于协议中哪 个字段，分别代表什么样的物理含义。取出其中的g p s 数据传给业务展示接口模块连 接g i s 子系统并在监控终端人机界面上进行实时显示，当监控中心客户端有请求数据 时，若是实时数据直接从数据处理模块的缓存中读取，若是历史数据则通过数据库访问 模块进行查询。当监控中心要下发命令帧重新配置车载终端设备或者控制被监控的特定 车辆时，同样是协议解析器根据数据通信协议构建出能实现相应功能的命令帧，通过监 控中心的通信模块接入i n t e m e t 网络，再转换成g p r s 上能传输的数据帧，根据车载终 端的s i m 卡号找到目标车辆，目标车载终端的数据处理模块分析命令帧，并通过执行器 执行相应操作。 主要实现了以下几种功能【2 0 1 ，车辆监控功能：包括车辆定位、实时监控、地图功能、 跟踪监控、选择监控、超速报警、越界报警、轨迹回放等功能；统计分析功能：包括运 行记录、检修统计、运营统计、等功能；系统管理功能：包括配置管理、故障管理、安 全管理、版本管理、权限管理、设备管理等功能。 2 2 2 系统数据流程 同其他的监控系统一样，车辆监控系统中数据的传输涉及到多种协议层，如图2 5 所示。网络通讯总是以客户( c l i e n t ) 与服务器( s e r v e r ) 方式进行的，服务器是总是处 于被动状态，等待客户的询问，负责应答。而客户总是处于主动地位，在工作启动时客 户总是首先向服务器发出联络信号，然后等待服务器的应答。而在车辆监控系统中，车 载终端就是客户，监控中心数据转发中心就是服务器。车载终端中的g p s 模块、数据 采集模块、c a n 总线接口模块采集的车辆实时数据、统计数据和报警信息等通过串口 传给信息处理和控制模块。信息处理和控制模块就会将此数据封装成u d p 数据帧，然 后加上i p 帧头和帧尾封装成i p 数据帧，i p 层接收由更低层( 例如网络接口层的以太网 设备驱动程序) 发来的数据包，并把该数据包发送到更高层( t c p 或u d p 层) ；相反， i p 层也能把从t c p 或u d p 层接收过来的数据包传送到更低层。但是信息处理和控制模 块与无线通信模块遵循p p p ( p o i n tt op o i n tp r o t o c o l 点对点协议) ，所以需要将口数据帧 按照p p p 的帧格式封装成p p p 帧，然后才能通过串口传给无线通信模块。无线通信模 块又将此数据帧转换成s m 消息，s m 消息通过无线链路层传送到s g s n ，s g s n 进行相 应的协议转换，按照g p r s 特有的g t p 协议( g p r st u n n e lp r o t o c 0 1 ) 将其封装成g t p 数据帧，然后通过g p r s 骨干网传送到相应的g g s n ，g g s n 再进行相应的协议转换， 再根据外部网的网络格式进行新的封装，并且根据目的p 地址选择路由传送至监控中 心。监控中心协议解析器就可以依照车辆监控数据通信协议解析出车辆的相应信息。 1 4 硕士论文广域监控系统中协议解析器的设计和实现 监控中心收到上传的数据帧后，根据车载终端的地址、手机号码和端口号下发 确认信息给移动车载终端，这是因为p 数据包是不可靠的，p 协议层并没有做任何事 情来确认数据包是否按顺序发送或者是否被破坏，而且u d p 是无连接的、无确认的、 不可靠的数据报协议。但由于协议格式比t c p 传输控制协议简单，所以本系统仍然选 择u d p 作为传输层协议，但为保证通信可靠对其进行了改进，使其成为无连接带确认 的数据报协议，从而提高了数据传输的可靠性。 2 2 3 协议解析器在车辆监控系统中的位置和作用 在所有的车辆监控系统中，协议解析器作为监控客户端和车载终端通信的媒介，负 责数据帧的解析和构建，是监控中心数据处理模块的核心部分，在实现车辆监控中起着 举足轻重的作用。论文中协议解析器除了实现协议解析的功能外，主要作用表现在面对 通信协议变化时所体现出的“柔性”【2 1 1 ，通过对其x m l 配置文件和解析模块代码的少