周民軍,劉金根

(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院,武漢 430070)

引 言

車載通信系統(tǒng)是指裝載到汽車上的通信系統(tǒng),其特點(diǎn)是以車為載體,隨著汽車的移動(dòng)能進(jìn)行無線信號(hào)的傳輸[1]。車載機(jī)設(shè)備位于移動(dòng)公司子網(wǎng)內(nèi),監(jiān)控中心無法主動(dòng)找到車載機(jī),必須由設(shè)備主動(dòng)向監(jiān)控中心服務(wù)器發(fā)起TCP連接。整個(gè)車載機(jī)系統(tǒng)如圖1所示,包括協(xié)議模塊、智能公交接口模塊、報(bào)站處理模塊、LED顯示模塊、按鍵處理模塊等。本文介紹整個(gè)系統(tǒng)中的一部分,針對(duì)系統(tǒng)設(shè)備軟件與中心服務(wù)器通信協(xié)議層,提出了基于車載機(jī)系統(tǒng)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)框架及少量功能代碼。

1 協(xié)議架構(gòu)設(shè)計(jì)

本協(xié)議設(shè)計(jì)思想與車載機(jī)系統(tǒng)設(shè)備底層軟件接口相對(duì)獨(dú)立,僅作為底層與中心服務(wù)器通信的1個(gè)接口,與服務(wù)器進(jìn)行無線通信。車載機(jī)設(shè)備通過TCP連接的方式(包括各種無線、有線網(wǎng)絡(luò))與總控制中心的中心服務(wù)器通信并交換數(shù)據(jù)。設(shè)備是連接的發(fā)起方,這意味著中心一方必須有固定的IP或域名。所有客戶端軟件啟動(dòng),車載機(jī)設(shè)備開機(jī)后均需上報(bào)到中心服務(wù)器,以便中心服務(wù)器進(jìn)行統(tǒng)一控制管理?？蛻舳塑浖梢酝ㄟ^中心間接給車載機(jī)設(shè)備下發(fā)業(yè)務(wù)指令,車載機(jī)設(shè)備收到指令后,進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作,響應(yīng)客戶端的業(yè)務(wù)指令。

圖1 智能公交網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

1.1 信令鏈路建立與維持

開機(jī)后,車載機(jī)首先檢查設(shè)置的監(jiān)控中心IP地址。若IP地址無效(IP地址為全0或值域超出范圍)則保持在離線狀態(tài),否則開始GPRS撥號(hào),進(jìn)入在線狀態(tài)后主動(dòng)向監(jiān)控中心發(fā)起TCP連接。

TCP連接建立后由移動(dòng)公司路由器維持一段時(shí)間,若TCP傳輸間隔太長(zhǎng)則不再保留連接,車載機(jī)只能重新向中心發(fā)起連接。為了避免鏈路在無數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下被移動(dòng)公司路由器斷開,中心和設(shè)備在空閑時(shí)(即無數(shù)據(jù)可發(fā)送時(shí))定時(shí)地發(fā)送1個(gè)特殊的心跳包(無線通信中用來維持通信鏈路的一種形式)來產(chǎn)生流量,維持鏈路[2]。心跳包的另一個(gè)用處是能快速有效地檢測(cè)對(duì)方是否還是“活躍”的。眾所周知,移動(dòng)公司的無線網(wǎng)絡(luò)有個(gè)特點(diǎn),TCP鏈路容易異常斷開,而異常斷開無論是設(shè)備還是中心都是無法即時(shí)檢測(cè)到的。解決辦法就是檢測(cè)對(duì)方的心跳包：如果中心在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)既沒有收到設(shè)備的正常數(shù)據(jù)也沒有收到設(shè)備心跳包,則認(rèn)為鏈路異常斷開了,中心要主動(dòng)關(guān)閉socket;同樣,如果設(shè)備在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)既沒有收到中心的正常數(shù)據(jù)也沒有收到中心心跳包,則認(rèn)為鏈路異常斷開了,設(shè)備要主動(dòng)關(guān)閉 socket并重新發(fā)起連接。通過檢測(cè)心跳包能準(zhǔn)實(shí)時(shí)地偵測(cè)設(shè)備是否掉線,最大限度地避免“假在線”現(xiàn)象。

信令鏈路注冊(cè)流程如圖2所示。連接建立成功后立即發(fā)送1條注冊(cè)指令,中心收到后通過判斷序列號(hào)來判斷設(shè)備合法性：如果序列號(hào)在中心車輛數(shù)據(jù)庫(kù)里存在,則返回1條應(yīng)答指令,應(yīng)答內(nèi)容為通過注冊(cè);如果序列號(hào)在中心車輛數(shù)據(jù)庫(kù)里不存在,或者指令的格式根本就是錯(cuò)的,也返回1條應(yīng)答指令,應(yīng)答內(nèi)容為注冊(cè)失敗及其原因,并主動(dòng)關(guān)閉socket。如果設(shè)備收到應(yīng)答,判斷是否注冊(cè)通過。如果通過則正常收發(fā)數(shù)據(jù),否則應(yīng)斷開socket;如果設(shè)備在規(guī)定時(shí)間內(nèi)還沒有收到應(yīng)答,重新發(fā)送注冊(cè)包。設(shè)備還可在外圍設(shè)備(如顯示屏)上醒目顯示登陸是否成功及失敗原因等診斷信息。

設(shè)備復(fù)位后,或連接斷開重新發(fā)起,也是重復(fù)這一流程。也就是說,只要設(shè)備處于開機(jī)狀態(tài),就會(huì)自動(dòng)嘗試與中心建立連接,直到登錄成功。

圖2 信令鏈路注冊(cè)流程

1.2 媒體鏈路的建立與數(shù)據(jù)傳輸

中心下發(fā)的數(shù)據(jù)分為控制指令、媒體數(shù)據(jù)指令以及心跳包,但是目前通過媒體鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠袑?shí)時(shí)音視頻流、下載文件塊、回放視頻流、升級(jí)包、配置文件、抓拍圖片、日志下載等。數(shù)據(jù)類型不同時(shí)格式也有所不同。

H.264設(shè)備則相對(duì)復(fù)雜,同一時(shí)刻與中心之間可能有多條TCP通道：1個(gè)信令通道和多個(gè)媒體通道。流數(shù)據(jù)或大塊數(shù)據(jù)都是通過媒體通道傳輸。對(duì)在媒體通道傳輸?shù)臄?shù)據(jù)定義3種屬性：

①獨(dú)立性。此類數(shù)據(jù)必須單獨(dú)建立通道傳輸,不能與其他類型媒體數(shù)據(jù)混合在同一個(gè)通道傳輸。

②互斥性。當(dāng)需要建立通道傳輸A類型數(shù)據(jù)時(shí),如果有通道在傳輸與A互斥的其他類型數(shù)據(jù),則設(shè)備會(huì)先斷開這些通道(前提是這些通道可被中斷;如果不可中斷則A類型數(shù)據(jù)不能傳輸,直接返回失敗)。

③可中斷性。某些類型數(shù)據(jù)在傳輸中不允許被中斷,否則可能引起嚴(yán)重后果。例如遠(yuǎn)程升級(jí),當(dāng)升級(jí)包在傳輸中時(shí)中心又請(qǐng)求傳輸其他互斥的類型數(shù)據(jù),設(shè)備只能拒絕請(qǐng)求。

車載機(jī)設(shè)備在建立媒體通道后必須先發(fā)送1條媒體通道注冊(cè)指令,表明即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型及其參數(shù)。數(shù)據(jù)傳輸完畢后要即時(shí)關(guān)閉,否則服務(wù)器可能會(huì)不堪重荷。另外,理論上來說,控制指令應(yīng)該全部走信令通道,媒體數(shù)據(jù)應(yīng)該全部走媒體通道[3]。

絕大多數(shù)中心下發(fā)的指令都需要設(shè)備給出應(yīng)答,中心根據(jù)應(yīng)答來確認(rèn)指令是否被設(shè)備收到,對(duì)于設(shè)置指令可以判斷設(shè)置是否成功,對(duì)于讀取指令可以讀取到內(nèi)容。少數(shù)設(shè)備上傳的指令也需要中心給出應(yīng)答。

媒體通道的注冊(cè)登陸流程與信令通道有差異。當(dāng)設(shè)備需要傳輸媒體數(shù)據(jù)時(shí)就發(fā)起連接,如果連接建立失敗,則通過信令通道發(fā)送1條鏈路建立失敗通知指令,間隔20 s后重新發(fā)起連接。本步驟最多重復(fù)3次,3次后如果依然無法連接,則再通過信令通道發(fā)送1條會(huì)話結(jié)束通知指令,會(huì)話流程就此結(jié)束。否則,連接建立成功后立即發(fā)送1條帶有會(huì)話ID的注冊(cè)指令(注意此注冊(cè)指令和對(duì)其的應(yīng)答是通過新建立的媒體通道傳輸,而不是信令通道),中心收到后通過判斷序列號(hào)來判斷設(shè)備合法性：如果序列號(hào)在中心車輛數(shù)據(jù)庫(kù)里存在,則保存會(huì)話ID為有效的會(huì)話ID并返回1條應(yīng)答指令,應(yīng)答內(nèi)容為通過注冊(cè);如果序列號(hào)在中心車輛數(shù)據(jù)庫(kù)里不存在,或者指令的格式根本就是錯(cuò)的,也返回1條應(yīng)答指令,應(yīng)答內(nèi)容為注冊(cè)失敗及其原因,發(fā)送成功后主動(dòng)關(guān)閉 socket,發(fā)送不成功則嘗試重發(fā),最多3次,然后主動(dòng)關(guān)閉socket。

如果設(shè)備收到應(yīng)答,判斷是否注冊(cè)通過。如果通過則通過信令通道發(fā)送1條會(huì)話開始通知指令,否則應(yīng)斷開socket,并通過信令通道發(fā)送 1條會(huì)話結(jié)束通知指令;如果設(shè)備在10 s內(nèi)還沒有收到應(yīng)答,重新發(fā)送注冊(cè)包。本步驟最多重復(fù)3次,3次后如果依然沒收到中心應(yīng)答,則通過信令通道發(fā)送1條會(huì)話結(jié)束通知指令。設(shè)備還可在外圍設(shè)備(如顯示屏)上醒目顯示登陸是否成功、失敗原因等診斷信息。

會(huì)話開始后數(shù)據(jù)開始傳輸(單向的上傳、下載或者雙向傳輸都可以)。此過程中,中心和設(shè)備收發(fā)的指令,凡是與此會(huì)話有關(guān)的,其會(huì)話ID字段都必須與中心和設(shè)備保存的此會(huì)話ID一致,直到會(huì)話結(jié)束[4]。會(huì)話結(jié)束后,中心和設(shè)備都要拋棄或清除此會(huì)話ID,即此會(huì)話 ID無效,如果再收到帶有此會(huì)話ID字段的指令都要應(yīng)答失敗或忽略。

2 協(xié)議軟件設(shè)計(jì)架構(gòu)

在NetStart()函數(shù)中進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)撥號(hào)連接,直到RegisterProc()向服務(wù)器發(fā)送注冊(cè)包及收到中心的注冊(cè)應(yīng)答包,信令鏈路注冊(cè)成功。GetCMSMsgFromWireless()函數(shù)處理來自中心的指令,并給出應(yīng)答。比如：中心下發(fā)1條開始實(shí)時(shí)預(yù)覽指令,此函數(shù)收到指令后進(jìn)行解析,開始媒體鏈路的連接,注冊(cè)媒體通道,并開始視頻線程的動(dòng)作。CMS_CommandHandle()處理收到的相關(guān)指令,對(duì)不同的指令進(jìn)行相應(yīng)的處理動(dòng)作。SendCmdM sgToNet()將設(shè)備給中心的應(yīng)答數(shù)據(jù)包或設(shè)備主動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

整套協(xié)議中,服務(wù)管理類及派生類大體框架如圖3所示,其中,粗箭頭指的方向?yàn)榕缮?細(xì)箭頭所指方向?yàn)轭愔兄赶蛟擃惖臄?shù)據(jù)成員。

圖3 協(xié)議類管理架構(gòu)圖

3 小 結(jié)

本通信協(xié)議利用3G無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)車內(nèi)實(shí)時(shí)視頻上傳的車載項(xiàng)目,在C/S架構(gòu)的車載機(jī)移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在控制指令數(shù)據(jù)與媒體數(shù)據(jù)分開,媒體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在車載機(jī)設(shè)備與客戶端之間直接進(jìn)行傳輸,無需中心服務(wù)器進(jìn)行媒體數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)服務(wù),極大降低服務(wù)器的負(fù)荷,在3G無線網(wǎng)絡(luò)通信中能滿足對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性和同步性的苛刻要求。

[1]羅佳.基于Yahalom協(xié)議終端間視頻通信實(shí)現(xiàn)[J].通信技術(shù),2009(2).

[2]梅創(chuàng)社.基于GSM手機(jī)模塊在車載防盜系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2007(5).

[3]孫天澤,袁文菊.嵌入式設(shè)計(jì)及 Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[4]劉淼.嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與 Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2006.