白小軍，楊 軍

（西安工業(yè)大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710032）

為了保證廣播電視節(jié)目的穩(wěn)定播出，需要對電視發(fā)射機的運行狀態(tài)進行監(jiān)測和控制[1]。目前，網(wǎng)絡化的遠程監(jiān)控已成為控制技術發(fā)展的一個主流方向，已有很多文獻介紹基于Web的發(fā)射臺遠程控制方案[2-5]。但有一個實際困難是：很多電視發(fā)射臺都建立在山頂，難以接入Inter?net，而人工現(xiàn)場監(jiān)控又費時費力，難以做到全天候監(jiān)控。這樣就要求有一種不依賴于Internet的便捷監(jiān)控手段。

短消息服務（Short Messaging Service，SMS）作為移動網(wǎng)絡的一項基本業(yè)務，以其實現(xiàn)簡單、成本低廉、可靠性高等優(yōu)勢，在各行各業(yè)得到了廣泛的應用[6-7]。目前，工業(yè)領域中的很多數(shù)據(jù)采集及遠程維護系統(tǒng)都用到了短消息服務。

將短消息服務引入發(fā)射臺遠程集中監(jiān)控系統(tǒng)，可以將發(fā)射機的運行狀態(tài)以短信的形式發(fā)送給管理人員，也可以接收管理人員發(fā)來的短信命令以控制發(fā)射機執(zhí)行指定的動作，從而實現(xiàn)完整的控制與反饋，真正做到“無人值守，24小時監(jiān)控”。

1 系統(tǒng)總體結構

傳統(tǒng)的控制設備一般都通過串口（RS-232和RS-485）與上位機通信，數(shù)據(jù)傳輸距離很短，難以實現(xiàn)遠程控制。借助近些年出現(xiàn)的設備服務器技術，可以方便地將串口設備接入網(wǎng)絡，從而為網(wǎng)絡化監(jiān)控創(chuàng)造了條件。

現(xiàn)代的電視發(fā)射機多配有控制器，可以采集各部件的運行參數(shù)并控制其動作。控制器一般都預留串口，并內(nèi)置了應用層通信協(xié)議。上位機只要按協(xié)議格式向串口發(fā)送特定的消息，控制器就可以識別并執(zhí)行相應的動作。借助一臺設備服務器，就可以將一臺發(fā)射機接入網(wǎng)絡。

短信收發(fā)設備又稱GSM Model（短信貓），也設計有串口與上位機通信，可以使用AT指令來控制短信收發(fā)。同理，借助設備服務器，也可以將短信收發(fā)設備接入網(wǎng)絡，從而與控制設備并網(wǎng)，如圖1所示。從圖1中可以看出，一組控制設備最終通過短信收發(fā)設備接入了GSM網(wǎng)絡，為短信集中監(jiān)控創(chuàng)造了條件。

圖1 電視發(fā)射臺短信控制系統(tǒng)總體結構

2 軟件體系結構

設備服務器一般有兩種工作模式：一是透明傳輸模式，即串口數(shù)據(jù)不作任何處理打包成網(wǎng)絡數(shù)據(jù)（一般使用TCP或UDP包），而網(wǎng)絡數(shù)據(jù)也在解包后不作任何處理發(fā)往串口；二是網(wǎng)關模式，即在設備服務器上編程，實現(xiàn)定制的處理功能。顯然，第二種模式提供了更大的靈活性，可以滿足本系統(tǒng)的設計要求。

本系統(tǒng)選擇美國Lantronix公司的UDS1100設備服務器，設備代理及短信服務器軟件都運行在該平臺上。該平臺內(nèi)置有精簡的多任務操作系統(tǒng)，使用時間片輪轉的方式進行并發(fā)處理；支持RS-232及RS-485接口，也支持TCP/IP協(xié)議棧中的常用協(xié)議；在此基礎上，提供了應用程序開發(fā)工具包，即一系列C語言的API，可以編程訪問串口和網(wǎng)絡接口。本系統(tǒng)中的串口通信采用RS-232協(xié)議，網(wǎng)絡消息收發(fā)則采用UDP協(xié)議。

設備服務器上的軟件結構如圖2所示。上層的應用軟件主要分為3個模塊：串口通信模塊、網(wǎng)絡通信模塊和主控模塊。前兩個模塊封裝了串口和網(wǎng)絡通信數(shù)據(jù)收發(fā)的常用函數(shù)，以方便主控程序調用；主控程序作為系統(tǒng)的主進程，實現(xiàn)核心處理功能。

圖2 設備服務器上的軟件體系結構

從總體上看，本系統(tǒng)采用了“管理者—代理”的體系結構?？拷l(fā)射機的設備服務器充當代理的角色，它要維護發(fā)射機的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以便管理者查詢，當管理者發(fā)來控制命令時，它還要控制發(fā)射機執(zhí)行指定的動作。而靠近短信收發(fā)器的設備服務器則充當了管理者的角色，管理所有的代理，并為手機用戶提供服務。

3 設備代理的設計

設備代理是系統(tǒng)設計的關鍵，其主要功能體現(xiàn)在4個方面：1）定期采集并維護設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)；2）處理管理者發(fā)來的查詢請求，返回請求數(shù)據(jù)；3）處理管理者發(fā)來的命令請求，控制設備執(zhí)行指定的動作；4）當設備的關鍵信息項發(fā)生變化時，主動通知管理者。

針對電視發(fā)射機的管理要求，需要定制管理信息結構，以維護設備的運行數(shù)據(jù)，所以定義了如下的數(shù)據(jù)結構：

在串口一側，為采集設備數(shù)據(jù)或控制設備動作，需要通過串口向控制器發(fā)送特定的消息，并接收反饋，所以設計如下的串口通信組件：

在網(wǎng)絡一側，要接收管理者發(fā)送的查詢或命令請求，并將設備狀態(tài)或告警信息發(fā)送給管理者，所以設計了如下的UDP通信組件：

主控程序的運行流程如圖3所示。在系統(tǒng)初始化完成后，就進入一個永真循環(huán)，保證程序一直運行而不退出。循環(huán)內(nèi)部有兩個代碼塊，分別負責串口通信異常和正常兩種情況下的數(shù)據(jù)處理。代理首先通過串口向發(fā)射機發(fā)送查詢配置信息的命令，若正常返回結果，則說明設備連接正常；否則，進入異常處理流程，向短信服務器發(fā)送設備離線消息（短信服務器會將該消息通過GSM Mod?el發(fā)送到管理員手機上），并繼續(xù)測試串口，直到通信正常。在正確獲取發(fā)射機配置信息的前提下，程序將進入正常處理的循環(huán)，按順序執(zhí)行兩項處理：一是通過串口采集設備的運行數(shù)據(jù)，更新內(nèi)存中維護的數(shù)據(jù)集，若發(fā)現(xiàn)設備的運行狀態(tài)發(fā)生變化，則發(fā)送告警消息；二是檢測有沒有收到新的短信命令，若有，則處理該命令（對于查詢指令，直接向短信服務器發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)包；而對于控制指令，則通過串口向設備發(fā)送控制消息）。

4 短信服務器的設計

短信服務器的主要功能體現(xiàn)在3個方面：1）后臺維護。集中管理所有設備信息，維護其代理地址、管理員手機號及操作密碼等；2）命令處理。接收管理手機發(fā)送的短信命令，轉化成UDP消息發(fā)往指定的代理；3）消息處理。接收代理發(fā)送的告警消息和狀態(tài)消息，轉化為短信發(fā)送到指定的手機上。

圖3 設備代理上的主控程序流程

為同時監(jiān)控多臺發(fā)射機，需要為每臺設備指定一個設備號、設備名稱和代理地址；為實現(xiàn)系統(tǒng)的訪問控制，需要設置一組管理手機號碼，并為每個號碼分別設置查詢密碼和操作密碼。顯然，這些信息需要長期存儲，所以保存在UDS1100內(nèi)置的Flash存儲器中，當短信服務器啟動時，自動將這些信息讀入內(nèi)存以便主控進程訪問。為方便維護這些管理信息，可以在UDS1100上進行CGI編程，提供Web接口進行操作[4-5]。

短信服務器上的主控程序流程如圖4所示。系統(tǒng)初始化完成后就進入主控循環(huán)，不斷處理來自設備代理的UDP消息以及來自GSM Model的短消息。當檢測到UDP消息到來時，根據(jù)該代理的IP地址檢索其連接的發(fā)射機名稱及管理員手機號，并根據(jù)消息體構造短信內(nèi)容，通過GSM Model發(fā)送短信到該手機。當檢測到短信命令到來時，首先要從消息體中獲取手機號及操作密碼進行驗證，以確保操作的合法性；然后再解析短信內(nèi)容得到目標主機的代碼及控制命令；最后根據(jù)主機代碼查到該代理的IP地址，并向其發(fā)送UDP消息。

圖4 短信服務器上的主控程序流程

該模塊設計的一個難點是解決串口爭用問題：在網(wǎng)絡一側，一個短信服務器可以連接多個設備代理，但在串口上，它只能連接一個短信收發(fā)器，這就存在爭用串口的可能；另外，Model發(fā)送一條短信的時延很長，通常都在10 s以上，這就意味著，當短時間內(nèi)有多條UDP消息到來時，串口將來不及處理，很容易造成消息丟失。使用消息隊列可以有效解決該問題。消息隊列是一塊內(nèi)存緩沖區(qū)，用以對UDP消息進行排隊處理。該隊列設有兩個指針，分別指向隊頭和隊尾；當一個UDP消息到來時，自動被壓入隊尾；而在主控程序中，每輪循環(huán)都要檢測隊列頭指針，若有新消息，并且串口狀態(tài)為就緒，則處理該消息，否則跳過該步驟，等待下一輪循環(huán)處理。

5 應用層通信規(guī)約

從圖1可以看出，本系統(tǒng)中有發(fā)射機、作為發(fā)射機代理的設備服務器、作為短信代理的設備服務器、短信收發(fā)設備及用戶手機等多種部件，各部件之間密切配合，需要制定一系列的通信規(guī)約。

1）設備服務器和發(fā)射機之間的串口通信規(guī)約

發(fā)射機的控制器和設備服務器之間使用RS-232通信，其消息結構如表1。

表1 發(fā)射機控制器與設備服務器之間的串口通信消息結構

表1中STX和ETX分別代表起始位和結束位；KEY表示消息類別，例如0x80代表上位機發(fā)往下位機的控制命令，0x81代表下位機向上位機返回的數(shù)據(jù)等；LENGTH表示消息正文的長度；MESSAGE為消息正文內(nèi)容，包含控制命令以及反饋數(shù)據(jù)等；BCC為校驗碼，用于驗證消息的完整性。

在消息正文中，又定義了一系列的控制命令，例如TXC:CFG命令用于獲取發(fā)射機的配置信息，TXC：QRY命令用于獲取發(fā)射機的運行狀態(tài)信息，TXC：CNTTX0代表關機命令，TXC：CNTTX1代表開機命令。

2）短信服務器和短信收發(fā)器之間的串口通信規(guī)約

GSM Model通過串口連接到短信服務器，標準的Model都可以使用AT指令來進行控制。由于AT指令涉及到通信的細節(jié)和交互過程，編程不夠方便，所以本系統(tǒng)選用的GSM Model又對AT指令做了一層封裝，使用約定好的文本消息結構收發(fā)短信。

發(fā)送短信的串口消息格式為“%SSMS”+“字符編碼方式”+“手機號”+“短信內(nèi)容”。

其中：%SSMS為消息起始標記；字符編碼方式為一個數(shù)字字符，0代表本短信內(nèi)容采用UTF編碼，1代表采用ASCII編碼；手機號為目標手機的號碼。

例如，短信服務器向串口發(fā)送消息“%SSMS0,18999999999,TX01串口通信中斷”，表示向手機號為18999999999的用戶發(fā)送“TX01串口通信中斷”的短信。

短信服務器接收的串口消息格式為“$SMS”+“手機號碼”+“字符編碼方式”+“內(nèi)容長度”+“短信內(nèi)容”。

例 如 ，收 到“ $SMS+8618999999999，ASC，14，TX01#ON#123456”串口消息，表示號碼為18999999999的手機發(fā)來一條短信，要求控制代號TX01的發(fā)射機執(zhí)行開機指令，在短信內(nèi)容中還附有該用戶的操作密碼，為“123456”。

3）設備代理和短信服務器之間的UDP通信規(guī)約

設備代理和短信服務器之間使用UDP Socket通信。

從設備代理到短信服務器要發(fā)送3種消息，分別是設備運行狀態(tài)信息、設備告警信息、串口通信狀態(tài)信息。這里使用3個字母代表消息類別，一串數(shù)字字符代表消息內(nèi)容。例如COM0代表串口通信中斷、COM1代表串口通信恢復；又如ALM0100102代表一條設備告警信息，ALM后面的每位數(shù)字分別代表發(fā)射機一個關鍵部件的告警狀態(tài)，0表示正常，1表示告警，2表示重大告警。設備代理將消息代碼傳遞給短信服務器，后者再將代碼轉換為文字內(nèi)容發(fā)送給管理手機。

短信服務器發(fā)給設備代理的消息主要有兩種，一是查詢命令，二是控制命令，都使用簡寫的命令字表示。例如QRY表示查詢設備當前工作參數(shù)，ON表示開機，OFF表示關機等。

4）用戶手機到短信收發(fā)器之間的短信格式規(guī)約

管理人員可以通過手機發(fā)送短信命令，格式為“Pass?word1”+“#”+發(fā)射機編碼+“#”+命令字+“#”+“Password2”。

其中Password1為GSM Model的驗證口令；Password2為用戶的操作口令；發(fā)射機編碼代表了不同的發(fā)射機；命令字代表本次要執(zhí)行的命令。GSM Model收到短信后，首先驗證Password1是否合法，若驗證通過，則將后面的內(nèi)容打包后通過串口發(fā)送給短信服務器，否則丟棄該短信。在短信中使用“#”分隔命令參數(shù)，以便于短信服務器切分各參數(shù)。例如，發(fā)送短信“123456#TX01#QRY#654321”表示向TX01發(fā)射機發(fā)送一條查詢指令，短信貓的驗證口令為“123456”，該手機用戶的操作口令為“654321”。

6 結論

本文將短消息服務引入遠程監(jiān)控領域，徹底解決了偏遠環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集和遠程控制問題；在對時延要求不太嚴格的應用背景下，提出了一種非常廉價的遠程監(jiān)控方案。實際運行結果表明：在GSM信號能夠覆蓋到的范圍，該系統(tǒng)都能夠穩(wěn)定、高效的運行。

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