（控制理论与控制工程专业论文）车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文车辆监控系统中 服务器软件关键技术的研究 ab s t r a ct v 汽 出the rap记d e v e l o p m . t ofthe c o 刀 刀 力 e r c l 田 山 ， on ofth e w orld ， m c 了 e 朋d r d 0 r e 1 n d u s tri esand d e p a rt m eotsn e edtoget th e r e al 自 6 m e i n fo n 刀 目 t l onofth eiry 南d esoro th er mob ilell la c h m e 名 w h l chth e y also h o p e ton 汾 n o tec o n 扛 o 1 . suchd 。 叮 and s 加lpe】 l ed v e h i cl e moluto ri 刀 g s ys tem 脚d ua ll y b ec onnng the r e s e a rc h hots pot ath o ir le and a b ro a d ， 胡d setup t b 化 e l l l aj orsu pi 扣 川 n gt ec h n o l o 乡 e s i o c l u d i n gthe w 让 1 已 弥c o n 刀 n u nic毗on t e c hno to gy， posi ti oningt ec h n o l ogy and th e gis te c h n of o gy. toth e pr a c t i c ald e m 即d s ofp r oj e 代a set ofso 1 u tion onthe re m o t e v ehicle moni t o n n g sy s t e mb a s edong p r s / gps / g i s w asd es i gnedinthis p a 户 您了 七 e in l e m als truc ture of th e s ervers o ft w ar e w asanal y z e dindetai1 ， atthe s a m e ti me， 由 e c o re加 幻 c ti o nw h i c hw a s n 田 m edasd ata s 倒erc en让 叽d s cfot s h o rt ， w asd es l gnedask eypoi n t . the d s ci s t h e le gi c alp r o c es sing ce n t erofthe d 田 迈onthe s 。 ， er，and ac co m plish esn 甘 旧 y 桂 k s s uch as connnuul c a t il l g wi thth e t e m 血 al s o n v e 悦 c l e 冲 n t er c o mm u 成叻 n g wi ththe d atab ase， 明 d withthe useri n t e 到 触 c e ( the bu si ness 一 i spla 扒 ng pl a tform) 阳dsoon. inth ecourseof com pl edn gthe dsc ， in面s p a 侧 斌whath a veb een reso iv 目 w 讹 s u c hp r o b le it : ihe meth od o fc o n 刀 刀 u n i c at 1 o non the n e two rk fo n n ed b yg p r sj o 1 n i n gwith ih t 曰 刀 e t ， s ync ll r o ni z in g the dataofd s c ， c 闭n 即 ting withd a ta b as e b y a d o 一n e t ， the m e t h od o f c o n n n u ni 。 欲 in g w i thth e b u s i n ess戒s p ta y l n g p l a tform， the d 韶 i gnofth e d a ta b 哪 比二 to 加 n h eri m p r o v eth ep e 对 b n 刀 目 n ce o f th e， 目 ， e 爪th e此wq 阳 e ri c勺p ein . n e tw as r ” 皿 bl ya p p li ed ， th e d 副 么type x m lw a 名 此 曰too p t i川 1 胳the d a 切 b as e ， m ean w hile， 心o l v ed the trou b l es派 p ax s in gth e血tac o 叮 e c dy d u e tothe c h 助gingo f th es y s t e r n c o n fi g u ra ti oni n fo . hthe e n d ， ihe systeln 五 冠 l l l e w o 比b as edonbis w asprogr 如 ed vehi c l em0 ni t o ri n gs y s te 风 g p r s ， d ata s erverc e n t e r，d a ta c o m m uj 叮 c ation p r o t ocof， x ml ， r e l a ti o n ald a 加 lb a s e 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己在论文 中 作了明 确的说明。 研 究 生 签 名 : 丑 业 董 - 知 2 年 7 月 为 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 : 玉至 嗤匕 、 ，夕 年 夕 月 八 日 南京理工大学硕士学位论文车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 1绪论 随着社会的快速发展和汽车种类和数量的迅速增加， 越来越多的行业和部门对车 辆监控提出了新的要求。 需要实时地实现对车辆定位和导航、 采集工作参数、 远程控 制等监控任务。 车辆监控系统就是针对这一需求， 利用先进的通信、 定位等技术， 实现对移动目 标远程实时监控的 智能系统。 该类系统能够监控的目 标不仅仅局限于车辆， 还可以包 括船舶、列车等移动实体。 此外， 车辆监 控系 统 也是 智能 交通系统 ( b 记 正 g e n t 予 ra 叱 p orts ys te m ， 简称仃 5 ) 的一个重要分支。 将车辆监控系统应用于交通系统中， 提高交通管理性能缓解交通压 力， 也正 成为世界 各国 交 通管 理 部门 研究和开发的 热点 1. 23). l l国内 外研究现状 l l .l国内 研究 现脚1 圳 上世纪80年代末00年代初， 国内对目 标车辆和船舶的监控主要通过无线通信设 备向驾驶员询问的方式获知目 标的相关信息。 从9 0 年代起，随着电子技术、通信技术、g p s定位技术、c i s 等技术的发展和 推广， 我国对移动目 标特别是对车辆的监控技术的研究进入了一个全新的层面。 先进 的电子终端器、 高性能的通信网络、 精确的卫星定位、 直观的g i s 信息展示， 所有的 这些使得对车辆的 监控更精细更准确。 1 999 年10月， 在科技部和国家质量技术监督局的统一安排下， 国家智能交通系 统工程技术研究中心和 15 0 汀c 龙 04 中国秘书处承担了 “ 中国智能交通系统标准体系 的研究” ，制定了 智能交通系统的 标准框架和体系表。 国家加大对智能交通系统研究和开发的投入， 在很大程度上推动了我们车辆监控 技术的发展。 车辆监控技术经过多年的发展， 也吸引了越来越多的高校及科研院所加 入这一领域。 该领域部分成果在社会某些行业中的应用， 取得了喜人的成果， 带动了更多的行 业对车辆监控系统的需求。 如何扩大一个车辆监控系统的适用范围和如何提高车辆监 控的监控性能，已 经成为车辆监控这一领域新的研究方向。 1绪论硕士论文 1 .1 2国外研究现状五” 润 在国外， 特别是在西欧、 北美、日 本等发达国 家， 由于其在车辆监控领域相关技 术方面比我国发展和成熟的早，他们对车辆监控的 研究也早于我国近 10年。早在上 个世纪80年代许多发达国家就着手于对智能城市交通系统的 研究。 经过多年的发展， 西欧、美国、日 本己 经成为仃5 研究的三大基地，同时像韩国、 澳大利亚、 新加坡等 经济科技相对发达的国家也纷纷加大了对该领域研究的投入， 推动了 车辆监控系统的 不断发展。 在美国，1992 年美国交通部首次向国会提交了“ 智能车辆高速公路” 研究开发 计划，1 995 年美国研制的基于g p s igis的城市道路交通管理系统正式运行，1 996 年 1 月，美国交通部宣布了其之后10年的发展目 标: 在美国75个主要城市实施 “ 节省 操作时间” 计划，建设智能交通基础设施，最终实现交通系统的智能化。 在西欧，上个世纪7 0 年代的德国自 动化交通和信息系统的发展对rrs的发展起 到了关键作用。19 86 年，由私人发起的 “ 提高欧洲交通的效率及安全性”的计划开 始实施，1988 年第一个由政府发起的 “ 欧洲保证车辆安全的道路设施计划”开始实 施。 进入90年代， 为了解决rrs的标准化问题， 1 9 90 年成立了“ 欧洲标准化委员会气 日本由于国土面积相对经济水平严重不足， 所以其对仃5 的需要比 其他许多国家 都紧迫. 日 本早在1 973 年就提出了“ 综合汽车交通控制系统” ， 开发了一套道路导航 系统并进行了试验。到了80 年代，日 本建设省研制了“ 道御汽车通信系统” ，警察 厅研制了“ 先进机动车交通信息和通信系统” 。从80年代末到90 年代，建设省着手 开发“ 先进道路运输系统” ， 并形成了以道路车辆一体化来改善道路交通的概念。 1 9 94 年成立了“ 道路、交通、车辆智能化促进协会” ，以 促进日 本本国智能交通系统的进 一步发展。 发达国家在车辆监控系统方面的快速发展和我国自 身的国情及交通压力， 在一定 程度上共同成为了推动车辆监控系统在我国迅速发展的外部因素。 1 .l j主要支娜技术 作为车辆监控这类系统的主要的三大支撑技术， 无线通信技术、 g p s 技术和g 巧 技术的发展直接关系着车辆监控技术的发展和进步 127 洲。 1)无线通 信技 术: 令无 线电 台 工30 无线电台是较早的远程无线通信方式， 主要通过对讲机、 无线电台 等设备， 传递 一定频率的电磁波信息。由于电磁波频率固定，抗干扰性能差，容易泄密。此外， 于 南京理工大学硕士学位论文 车辆监控系统中服务签软件关键技术的研究 线电台 通信是点 对点的， 建立通信链路过程较慢， 因而实时 性、 可靠性、 稳定性都不 是太理想。在更广范围内，无线电台正逐步淡出历史舞台。 今微波通信口 u 微波是另一种无线通信方式， 主要以分米波、 厘米波和毫米波为载波信号， 主要 分为: 模拟微波通信和数 字微波通信。由 于数字微波通信速率高、 容量大、 传输距离 远等优点，近年来正得到了越来越多的关注和使用。 命gsm网 络132) gsm ( globais y s t em for m o b i 】 e c o n 刀 n u n i c a ti ons ) 全球移动通信技术，是由 欧洲 主要电 信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计出来的， 它是在蜂窝系统的基础 上发展而成。 gsm网 络采用频率复用技术增加了 网络容量，并有智能 越区转接和漫 游功能。 然而对于现代通信来讲， gsm最大的缺点就是 难以开展数据承载业务。 令g p r s i c d ma网络 c p r s( g 印e ral p 朗 k etr a d 1 0s ervic e) 通用无线分组业务，是一种基于gsm系 统的无线分组交换技术， 提供端到端的、 广域的无线正连接。 c 于 r s 是作为现有gsm 网络向 第三代移动通信网 络演变的过渡技术，通常被划入2 乃代移动通信技术范畴， 以 分组交 换的 方式实 现了 数 据的 高速传输13. 33. c d m a (code . d ivisi onm ul tiple acc es s)码分多址技术， 是在数字技术的分支 扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。c d ma以 其在系统容 量、 业务质量、 安全性和可靠性等方面的优势备受关注， 并成为第三代移动通信的首 选实用技术1341。 2)g p s 技 术12) g p s ( gl ob aipo siti g sy s teln， 全 球 卫 星 定 位 系 统 ) . 是 美 国 军 方 于 上 世 纪70 年代开始研制， 历时20年于1 9 9 4 年建成的具有海、 陆、 空全方位实时三维导航与定 位功能的新一代卫星导航和定位系统。c p s系统由空间 部分即g p s卫星星座，地面 监控部分即地面监控系统， 用户设备部分即gps 信号接收机三部分组成。 今 空间部分一 一 心p s 卫星星座 21颗工作卫星和3 颗备用卫星，共24 颗卫星，构成了整个 g p s卫星星座，2 4 颗卫星均匀分布于6 个轨道平面上。 对于地面观测者来说， 最少可见4 颗卫星， 最多 可见n颗卫星， 在用c 于 5 信号定位时，为了 计算观测站的 三维坐标，必须观测4 颗 g p s 卫星，称为定位星座. 令 地面监控部分 对于导航定位而言， c 沪 5 卫星是一种动态己 知点。 星的位置是依据卫星发送的星 历 ( 一系列描述卫星运动及其轨道的参数) 算得的。 每颗c p s卫星所播发的星历， 都是由 地面监控系统提供的。 卫星上的各种设备是否正常工作， 以及卫星是否一直沿 3 t绪论 硕士论文 着预定轨道运行， 都要由地面设备进行监控和控制. 地面监控系统另一重要作用是保 持各颗卫星处于同一时间标准即g p s时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时 间，求出时钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再将导航电文发给用户设备。 c p s工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。 令 用户设备部分一 一 心p s 接收机 g p s 接收机的基本结构包括天线单元和接收单元两部分。当gps卫星从地平线 上升起时，天线单元捕获、跟踪卫星并接收放大g p s 信号。再由接收单元记录g p s 信号，对信号进行解调和滤波等处理，还原出g p s卫星发送的导航电文，求解信号 在 g p s卫星与观测站之间的传播时间和载波相位差，实时地获取导航定位数据或者 采用测后处理的方式，获得定位、测速、定时等数据。 3 ) g is技术 gls( g co grap hi c ln fo rtna tion system ， 地理 信息系统) 是为了 解决资 源与环境等 全球性问 题而发展起来的具有强大的空间信息处理能力的工具。 g ls是一种采集、 存 储、 管理、 分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布有关数据的空间信息系统。 被广泛应用于环境模型建立、 城市规划与管理、 社会调查与统计分析、 社会经济统计 与分析、 土地管理、 地籍测绘与管理、 交通与管道管理等与空间信息密切相关的众多 领域3 5 1刃 。 g is的显著特点就是其直观的数据输出方式， g is与地图有着天然的联系，其数 据处理和分析的结果以 地图的形式输出给用户。 随着g is和w ww技术的发展， g is 与 int e rnet结合形成了w七 b g is。 w 匕 b g i s 为了共享全社会范围内各领域、各部门之间的空间数据信息而设计的， 借助in t 。 刀 et技术将分布在不同地域空间、不同平台和不同 数据结构的地理信息按照 系统化、 发布等等 单等特点 结构化、一体化的运行机制进行数据组织、管理、 信息查询分析、 信息成果 由于v 阳 bg is具有访问范围广泛、运行平台独立、系统成本低和操作简 w 七 b g is正成为g 巧一个新的发展方向 阉。 i j背景介绍 本文所讨论的车辆监控系统， 最初立项的直接因素是大型工程机械车辆的监控需 求。 出于商业目 的， 用户需要及时准确地获取目 标工程车辆的工作参数并能够远程控 制该车辆。 考虑系统未来发展， 使其能适用于更多车辆类型的远程监控， 需要设计一个可扩 展性能和运行性能较为理想的车辆远程监控系统。 本文研究的车辆远程监控系统主要以g p r s 、c p s 、 g i s 等为支撑技术的。被监 南京理工大学硕士学位论文车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 控车辆上装载的终端控制器( 简称车载终端) ， 通过g p r s 网 络接入玩 t 。 瓜 e t 建立与服 务器的 通 信链路; 车载终端使用g p s接收机采集车辆的地理信息，以 完成对车辆的 定位功能:以v 几 b g e地图引擎向用户展现车辆地理信息。 本系统主要由 车载终端、 监 控中 心服务器和用户主机组成， 本文所研究的内 容作 为服务器端软件的 一部分， 主要完成服务器端的核心逻辑处理。 1 3本文主要研究的问魔 本文主要研究车辆监控系统中 服务器端软件主要技术的实现， 重点设计了一套服 务器后台数据服务程序.本文将该后台数据服务程序称为 “ 数据服务中心”( d ata s erverc enter，简称d s c ) ， 生要负责监控中 心的核心逻辑处理。设计的预期目 标功 能主要包括以下几个方面: 衣一 通畅的网络通信链路，定时采集远程被监控车辆的各项工作信息参数 今 准确的 用户控制，根据监控人员的合法的控制命令，实现对远程车辆的实时 控制 今 详细的用户数据组织， 合理管理用户及被控车辆的数据，并可以 根据监控人 员的查询请求， 提供目 标车辆的 信息记录 个 性能较好的数据库，利用x m l 数据类型，提高数据库数据存取、解释性能 1 月本章小结 本章主要介绍了车辆监控系统产生的背景及国内外对车辆监控系统研究的现状， 简单介绍了 车辆监控系统中的 三大支撑技术。 同时， 介绍了 本文所研究的 车辆监控系 统相关背景和本文着重需要解决的问题和实现的目 标。 南京理工大学硕士学位论文 车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 2车辆监控系统 车辆监控系统是一 类管理和服务集中， 采集和控制分散的典型的集散式监控系 统。 本章首先通过介绍系统整体结构，引出本文研究重点 数据服务中心， 并根据 其与整个系统的关系分析和设计其总体结构。 2. 1 系 统总 体结 构 2. l i车辆监控系统的 集散特征 集散式监控系统是一种以集中管理、 分散控制为体系结构的新型监控系统. 从软 件角度讲， 集散控制系统是一个分布式的系统: 从控制角度讲， 集散控制系统是“ 状 态采集一 ， 信息处理一控制千预” 式的闭环控制系统。 集散式监控系统的最大特点就是 实现数据的集中管理和分析， 而检测和控制则分散执行， 有效地降低了系统监控难度 同时提高监控的 效率和性能。 眨37201 本文研究的 车 辆监控具 备着许多集散监 控系 统的 特点 1381， 是 一种典型的集散式监 控系统。 车辆监控系统中的被监控对象即车辆， 分布范围较广， 监测和控制设备均位 于各目 标车辆上，系统的数据信息主要汇集于监控服务中心。系统整体示意图如图 2. 1 . 1 ， 1 。 其主要组成部分有: 位于监控现场的车载终端监控器， 承载信息交互的通信 网 络， 监控服务中 心139.21。 笼 息 翻 g p s 卫星组 用户用户用户 图2.l i . 1 车辆监控系统示惫图 2车辆监控系统 硕士论文 2. i j车载终端监控裂40 车载终端监控器， 是处于监控现场 ( 即车辆) 能够采集车辆各类信息并具备控制 车 辆能力的 嵌入 式系 统。 该嵌 入式 系统， 以p hilips公 司的 一 款a r m7 为 核 心c p u ， 具体组成结构如图2 . 1 2. 1 : 图2 1 2 . 1车载终端子系统组成 令 定位单元 使用了g p s 接收器，通过解算采集到的g p s 卫星信息，能够比较准确地获取被 监控车辆的 经纬度、 速 度、 方向 等相关的 地理信息 4l. 令 数据采集单元 该单元主要利用微控制器上的a 刀 d 转换器采集车辆的模拟量信息， 如油温、电压 等;同时利用f o口 采集车辆的开关量信息，如点火、供电等。 命 控制单元 主要是通过卫 0 口 对一些开关输出量的控制， 根据控制要求输出数字信号更改控 制继电器的状态，从而实现脚锁车命令。 令 通信单元 采用了mo t o ro fa公司的c p r s 模块g 2 0 。 g20 具有体积小， 性能优的特点， 并且 不仅支持gpr s 数据传输， 还支持gsm中的电路数据交换以及短信业务。 令 存储单元 主要包括r as h 和r a m两部分， 可以 高速读写的r a m作为程序运行时的代码调 度空间， 由于r a m掉电 数据会丢失， r 韶 h 就作为数据和代码的存储设备， 保证r a m 重新上电后系统正常工作。 南京理工大学硕士学位论文车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 2. 1 3通信网 络 车辆是一种移动目 标， 无线通信网络是其通信的首选方式，在 1 . 1 .3节中已 经介 绍了 现代监控中常用的 几种无线通信方式， 介于对网络性能、 覆盖面、 商业价值等诸 多方面的考虑， 本系统中 远程终端的通信方式选择了g prs网络。 同时，由于无线通 信方式自 身一些弱点， 比如: 信号传输距离有限、 信号稳定性较差、 信号易被干扰等， 整个通信链路并非由g p r s网络单独构成，而是选择由g p r s网络接入翻 栩爪 et网络 的方式形成完整的 通信链路。 这种接入方式大大地延伸了 信号可传输距离， 同时也方 便了监控服务中心的网络通信功能的实现和处理。 2. 1 泌监 控 服 务 中 心 口 】 监控服务中心是集散式监控系统的管理核心， 是整个系统的数据信息汇集点， 承 载着系统的管理任务。 监控服务中心的结构 框图 如图2 . 1 :41 所示: 监控服务中心 图2.1 4. 1 监控服务中心结 构框图 今 数据服务中心 数据服务中 心， 顾名思义是指提供数据服务的 程序。从图2. 1 . 4. 1可以看到其主 要数据交互对象有:业务 展示平台、数据库、加 t e m et网络。向业务展示平台提供部 分的查询数据及实现全部的控制命令: 通过网络直接与终端交互， 采集远程监控现场 的数据并控制终 端; 保存必要数据至数据库并可从数据库获取用户和终端的相关基本 信息资 料. 从这个层面上讲， 数据服务中心又可以 称为数据转发中心， 承载数据转发 任务. 令 业务展示平台 主要指用户界面程序和管理界面程序。 以c 巧地图及其他数据展现形式向用户提 2车辆监控系统硕士论文 供被监控目 标的 各项信息数据， 并允许用户通过界面操作实现用户控制命令下达至终 端监控器。 令 数据库 作为整个车辆监控系统的数据仓库， 保存着许多用户和监控终端的基本信息和历 史工作数据。 z j数据服务中心总体设计 2 .2.1功能 单元界剑们 从图2 . 1 .4. 1可以看出，数据服务中心在整个监控中心中处于数据的汇集点，是 监控中心的核心单元。 根据流经数据服务中心的数据流向， 将这些数据可以分为三类: 上行数据、下行数据和本地数据. 1) 下行数据流: 监控人员 控制请求今 d s c处理请求今下发至远程终端控制器今 控制器执行控制命令，这类数据流主要包括控制命令、系统配置命令等; 2) 上行数据流: 远程采集单元采集数据今上传至d s c 令d s c处理数据， 主要包 括车辆的实时状态信息、报警信息、统计信息等; 3) 本地数据流: d s c保存数据今数据库更新， 主要指上行数据流中的 信息、下 行数据流中控制命令的执行结果等;d s c查询数据今数据库查询，主要指系统中各 种定义类信息;监控人员对d s c的信息查询请求及d s c查询所得结果的反馈。 结合图2 . 1 .4. 1 中给出的d s c的对外功能接口:业务展示接口、网络通信接口、 数据库存取接口，可以 初步界定d s c的四大主要功能单元，如图2. 2 . 1 . 1 。其中上行 数据、下行数据和本地数据的具体数据成分将在后面章节中详细介绍。 数据库 图2 2 . 1 1 数据服务中心功能组成 南京理工大学硕士学位论文车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 1) 业务展示接口 单元 主要面向业务展示平台， 向 其提供服务， 是用户与数据服务中心交互数据的出入 口单元， 能够获取业务展示平台上的用户命令请求， 同时接受用户简单查询请求。 为 其他处理单元作好数据源准备。 2) 网络通信单元 面向h t 。 刀 以网络， 通过网络与远程终端交互，实现终端数据能上达监控中心， 以及监控中心的控制命令能准确及时送达终端监控器。同时预处理源自 终端的数据， 为后续处理作好准备。 3) 数据管理单元 面向各种数据结构， 一方面作为数据服务中心与数据库之间的数据管道， 向其他 功能单元提供数据库读写接口; 另一方面， 管理内存中的数据， 以备用户的简单查询。 4) 数据处理单元 是整个数据服务中心的逻辑核心， 服务于上述三个单元的各类数据， 实现上下层 之间数据结构、数据含义、数据内容的转换，实现数据转发。 2 2 2系统劝能设计 上一节中己经界定了数据服务中心的功能单元， 规划各单元的 任务范围， 下面将 讨论各单元功能的总体实现以及鱼待解决的问题。 1) 业务展示接口 单元 该接口单元虽然面向 业务展示平台， 但其最终还是向用户提供服务的、 这里的用 户根据权限的不同应当包含很多类的， 笼统地可以分为两大类: 普通用户和管理员用 户。 对于普通用户， 他们要求能够根据需要控制远程终端， 所以该单元必须有接收用 户控制请求的功能函数，并能将该请求包装成一个便于数据处理单元处理的数据对 象。此外用户向数据管理单元查询实时信息，比 如最近的目 标车辆的工作信息数据， 查询条件的不同将有不同的数据返回。 所以，对于普通用户需要解决的问 题有: 今 控制请求的接收方法，需要传入的必要参数、产生待处理对象的数据结构; 令 提供哪几种查询方式，各种查询方式的参数和返回结果的对象类型。 对于管理员用户， 又需要具备哪些特殊的操作权限呢? 这些问 题将在第五章详细 论述。 2) 网 络通信单 元 从功能上讲， 网 络通信单元主要完成两项任务即接收数据和发送数据。 该单元从 2车辆监控系统硕士论文 网络接口 接收终端上传的数据， 并交于数据处理单元处理。 然而， 为了避免无效和非 法入侵服务器， 需要在网络通信单元中对接收到的数据作一定预处理。 至于数据发送 动作，则需要遵循一定的通信规则及条件准确发送。 因此，该单元的主要实现问题有: 个 服务器如何获取各终端信息，是主动索取还是被动等待 令 对来自 终端的数据如何预处理，生成什么结构的对象交于后续单元处理 令 如何发送数据帧， in l e m et网络与gpr s 网络互连形成的 通信链路有无特殊性， 通信链路的结构特点对通信方式的影响，上下两个主机通信的 ip/端口 地址对如何获 取，网络通信协议的选择。 所有这些关于网络通信实现的内 容将在第 三章详细论述。 3) 数据处理单元 在前两个单元中都产生待处理的对象， 这些对象均需要该单元进一步的处理。 对 于业务展示接口 单元包装的用户控制请求对象， 数据处理单元应该按照一定结构标准 创建一个数据帧下传至目标终端。 同样对于网络通信单元预处理生成的数据对象， 也 需要数据处理单元参照数据通信协议的结构及定义解析其中的实际含义。 总体来讲，该单元的主要实现问题包括: 命从业务展示接口 单元获取控制请求对象的方式 个如何将控制请求转变成终端需要的控制类数据帧 令如何从网络通信单元获取源自 终端的 信息 对象 令如何解析和处理这些信息对象 今其它一些后续动作，比如对控制请求的反馈、对终端的应答等 第四章将实现数据处理单元的各项功能。 4) 数据管理单元 该单元主要负责管理各终端信息在内 存中的 数据即模块信息管理， 也需要创建优 良的数据库访问、存取机制，保存终端的历史信息。 由于该单元不仅与外部的数据库有关联， 同时也需要管理数据处理单元中的各种 数据结构或数据处理单元需要参照和使用的数据信息。 因此， 需要考虑数据处理方式 及整个系统运作过程对数据管理工作的影响， 比如内存中 数据的结构形式、 各类数据 的线程安全性、 数据库中数据类型的选择、 关系表的结构等等。 数据管理的实现问 题 也将在第四章着重讨论。 根据监控服务中 心的数据流及上述的 各项功能需 求， 可以 得到数据服务中心的 功 能概图如图2. 2 .2 1 所示。 图中a部分即网 络通信单元， b部分为业务展示接口 单元， c部分为数据处理和数据管理单元。 图中粗略地给出了整个数据服务中心的系统功能 及各功能模块的输入输出的数据内 容，在后面的章节中将逐步实现这些功能。 i 2 南京理工大学硕士学位论文 车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 图2. 2. 2. 1数据服务中心功能概图 2 3开发平台风 1 刀 本系统在开发时 选用了诵croso ft 公司出品的叭s u als tu di o 2 (x)5 家族中的c#开发 语言。 2 0( x)年6 月， 诵crosoft公司正式推出了其下一代计算计划一一ml c r o s o ft.n e t 。 微软c e o史蒂夫 鲍尔默曾 这样描述n e t : “ m i croso 丘 n e t代表了 一个集合、一个 环境、 一 个可以 作 为 平台 支持 下一代h te m et的 可编程结 构气 .n e t 定义了 一 种 公 用 语言 子 集 ( conunonl a n g ua ges ub s et ， c ls) ， 这是一 种为 符合其规范的语言与类库之间实现无缝集成的混合语言。n e t统一了编程类库，提 供了 对下 一 代网 络 通 信的 标 准， 可 扩展标 记 语言( e x t e n s ible m ar k u p l 卫 n gu age ， x m l ) 的完全支持，使得应用程序的开发变得更容易、更简单。 .n e t平台 提供了大量的组 件和服务，能够最大限度地发掘和使用计算及通信能力。 作为 .n e t中的 最主要的开发语言， c#是一种现代的面向 对象的 程序开发语言， 它使得程序员能 够在n 石 t 平台 上快速开发种类丰富的应用程序。 以包含了内 置的特 性，使任何组件可以 轻松转化为x m l网络服务，通过功 t e m e t 被任何操作系统上运 行的任何程序调用. 叭5 喇 s tu dio z 的5 是基于.n e t f ra m e w o 攻2. 0 框架的， 其中 在语言上的最大的新 特点就是引入了泛型的概念。 通过泛型可以定义类型安全的数据结构， 而无需委托于 实际的 数 据类型.班 汀r 沮 m e w ork l x 版本中 必 须使用基于o bj ect 的 堆栈， 这样在使 用值类型时， 必须将它们装箱以 便推送和存储它们， 并且在将值类型弹出堆栈时将其 拆箱。 装箱和拆箱都 会根据它们自己的权限 造成重大的性能损失， 同时它还会增加托 管堆上的 压力， 导 致更多的垃圾回收工作， 这些对于性能而言都是不利的。 即使是在 l 3 2车辆监控系统 硕士论文 使用弓 1 用 类型 时， 仍然 存 在性能 损失， 这是因 为 必 须 从o bj ec t 向 要与 之 交互的实 际 类型进行强制 类型转换， 从 而造成强制 类型 转换开 销。 基于0 句 ect 的 解决方案的另 一个重要弊端就是类型安 全问 题， 因为 编译 器允 许 在 任何类 型 和 o bj ect 之间 进行强 制类型转换， 所以将丢失编译时的类型安全。 而引入泛型后， 就可以重用代码以及在实现它时付出的 努力。 类型和内部数据可 以在不导致代码膨胀的情况下更改， 而不管使用的 是值类型还是引用类型。 可以一次 性地开发、测试和部署代码， 通过任何类型 ( 包括将来的类型) 来重用它， 并且全部 具有编译器支持和类型安全。因为一般代码不会对值类型强制进行装箱和拆箱操作， 或者对引用类型进行向下强制类型转换，所以性能得到显著提高。 泛型在c#中的重要应用主要是泛型集合，在过去的. n e t r a m e w o 盘l x 版本中， 在编译时集合中的 任何元素最终都会强制装箱成o bj ec t 类型 ， 在使用其中的元素时 又必须强制拆箱， 显式地转换类型。 对于泛型集合中的元素， 都是强类型的， 这样不 但能统一规定某集合中的所有元素类型，而且也避免了装箱和拆箱操作. 2. 4本章小结 本章从数据服务中心与车辆监控系统的关系出发，提出数据服务中心的总体结 构， 并详细地阐述了各功能单元的具体的功能以 及主要的实现问题， 这些问题也将是 本文后半部分讨论的重点。最后，简要地介绍了系统的开发平台 c # ，这是由 mi erosoft公司退出的一门强大的快速开发语言，其高效的开发速度和优越的性能， 不仅犹为适用于工程开发， 同时也是涌c ro soft下一代开发语言的主打。 同时. n e t z. o 中的新增的泛型，将对本文的代码开发和系统性能有非常优越的影响. 南京理工大学硕士学位论文 车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 3网 络通信的设计 上一章中已明确规划出数据服务中心功能边界。 可以看出， 网络通信功能模块是 数据服务中心最重要的功能之一。 本章首先要说明车辆远程监控系统通信链路组建方 案并对通信链路本身特性进行分析，在此基础上详细论述网络通信单元的实现。 3. 1通信链路 3 . 1 1 通信网 络13， 1 幻 在第二章中已经简单介绍了本文中通信网络的构成，即是由 c p r s网络接入 玩忱 川 et网络实现。在系统的实际运作中，完整的通信链路如下图所示: o p r s 网络基站 图3 . 1 1 . 1通信链路示愈图 在这样的 通信链路中，通过gpr s 接入in t e m e t 实现更广范围的监控。 g p r s接 入如 t e m e t 主要是 依 赖gpr s 内 部的g s n( gpr s sup po rt node， gprs 支持节点) 节 点。 g s n是二代移动通信网络gsm为了支持g p r s 所增加的支持节点， 它主要包括 两个部 分: s gsn( s ervi n g g s n ， gpr s 服务支持节点) 和g c s n( g e t e w aygsn ， g p r s 网关支持节点) 。 s gsn主要是对移动终端进行定位和跟踪， 并实现移动终端和 c g s n之间的分组数据的接收和发送。 c g s n主要是起到路由器的功能， 将g p r s 网 络和外界的玩 忱 m e t 隔离开，并作为in 比 m et的一个子网 存在，在通信时实现g p r s 网和加 t e rn e t 网之间的协议转换和路由功能。 g g s n节点是g p r s网络接入b t 曰 m 以的代理服务器，任何c 于 r s 移动终端都必 须通过g g s n代理接入功 t 已 刀 et 。而g p r s 运营商服务的g p r s终端数量众多，自 然 需要考虑你3 s n端口 ( 换言之，也就是侧p ort 地址对)的复用问题。虽然运营商宣 称g p r s 可永久在线， 而经过实验测试表明事实上这种“ 永久在线” 只是指在有数据 传输情况下的， 一旦链路上无数据流，此链路将只能维持2 一3 分钟。即当 某g p r s 3网络通信的设计 硕士论文 终端与in t 已 爪 et上某主机的数据交互停止2 3 分钟，该g p r s终端在g c s n的代理 ip 地址或端口号将发生更替，则原通信链路不复存在，我们将这种端口生命周期称 为飞 t l( 下 metou v e)， 通俗地称为“ 端口 老化” 或“ 端口 失效” 。 3. 1 .2通信规则 正是由 于t t l时间的存在， 导致每个车载终端的ip地址对是不断变化的。 所以， 要有一个良 好的 通信规则，从而避免上下层交互过程中由 于ip地址的 变更导致通信 失败。 再者， 为了能保证每个终端都能通过网络连入监控中 心， 监控中 心服务器必须 要有固定的可直接访问的ip地址和接物发送数据的端口号。 系统在实际运行时， 不是总有数据交互的， 在一般情况下每隔一定( 根据实际需 要设定) 的时间 ( 我们称之为， 口 跳” 间隔) 终端向监控中心上传一次反映终端这段 时间内工作参数的数据帧。 那么一旦心跳间隔大于端口老化时间间隔， 将可能使原先 的 链路不复存在，这样如果上层要与终端联系，将很可能失败。 为了 解决这个问题， 规定每一次的交互， 都必须由下层主动建立链路， 一旦当前 链路超过两分钟未有数据交互行为即认为远程端口老化， 待下次终端心跳时建立新的 有效的链路。 然而， 这样的服务器被动等待终端建立链路的方式会影响数据 ( 特别是 监控中心下发的控制信息) 的实时性。 所以， 在这种情况下， 就需要终端能根据服务 器的要求立即上传数据从而建立有效通信链路， 而不必等到下次心跳。 但是， 前提是 远程终端必须能准确获知上层需要其建立通信链路的需求。 为此， 在终端硬件设计时， 设计了一个功能， 即当有g s m网络的语音呼入时就立即上传数据至监控中心。 所以， 在监控中 心服务器上通过串口 连接了 一个支持gsm网络的无线m ode m ， 当发现需要 交互的终端的端口 老化，就通过此m o d e m语音呼叫终端，使其上传数据从而建立新 的链路， 继而在端口有效时间内迅速下发数据。 为了 进一步保证通信的成功率， 在本系统中设定， 每次通信的完成都以一次成功 的交互为标志， 即每次的通信都必须有应答。 远程终端上传数据帧， 服务器必须应答， 若远程终端一定时间内没有收到来自服务器的应答 ( 即等待应答超时) ，则重发该帧 数据， 超过最大发送次数则放弃发送该帧数据 ( 超过最大发送时该帧数据所表征的信 息一般己经失去实时性) 。服务器下发数据时，大致过程与上传相同，只是下发的数 据一般都是用户非常重视的控制类命令信息， 因而必须保证成功率。 当等待终端应答 超时，应重发一次，若继续超时，则需要通过gsm网络唤醒终端， 重新建立链路并 重发数据帧，若再次超时，则告知用户通信网络有故障需要稍后再试。 对于上述的整个通信流程， 分上行数据和下行数据两个通信方向分别以时序图 表 示如下: 南京理工大学硕士学位论文车辆监控系统中服务器软件关键技术的研究 控制命令 处理控制请求 纂新 老 化 上传数据帧 一-一 一一- ， 下发数据 等 待 应 查 询 控 制 结 果 答 应答数据帧_ ， 一 ，心 . ，.心 ，. 户， . 户 ，. ，创 目 . . 控制命令 远挥终 端 教据服务中心 上传数据帧 处理控制请求 验证端口，有效 下发数据 超时，重发 语言呼叫 !leeee趁lwe! 等待应答 超出最大 重发次数 上传数据帧 一一 一一一 下发数据 发送失败处理 等待应答 应答数据帧 一 公 孩菇 一 超时，重发数据帧 等待应答等待应答 超出最大 重发次数 失败处理 图3 j .2. 1上行数据顺序图图3. 1 .2 2 下行数据顺序图 3 j网络通信协议与soc k e t 编程 3 j j网络通信协议的 在网络通信协议的选择上，本系统主要选择了t 旧p协议。所谓网络通信协议， 通俗地讲， 就是网 络上通信的两台主机之间交互的一套行为规则， 是两者通信的语言。 在现在的 in t o m et上存在着大量的网络协议，比 如 netbe u i 协议、ip 刀s p x协议、 t c p 月 p协议等等。其中， t c p 月 p是被广泛使用的一种协议。 简单地讲， tcp/ ip协议主要包括两部分: t c p( 下 甩 叱 面如onc o n tl 勺 i pr o to c 0 1 ， 1 7 3网络通信的设计硕士论文 传输控制协议) ， 主要负责数据的流量控制，并保证传输的正确性; 护( hi tern et 介。 t o c ol，网际协议) ， 是一种将因特网连到一起的协议， 提供一种从源端到目 的端传 输数据报的最佳尝试方法， 不管这些主机是否在同 一网 络中， 或者其间是否有其他网 络。 t c p / ip事实上是一个协议族， 其中包括了其他多种协议， 主要指位于t c p 月 p参 考模型中 的 传输 层和互联网 层的 协议组: 传输层上tcp 和u d p ; 互联