趙杰

（河南藝術(shù)職業(yè)學院，河南 鄭州 450000）

基于4G網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控通信設(shè)計與實現(xiàn)

趙杰

（河南藝術(shù)職業(yè)學院，河南 鄭州 450000）

本文對4G網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控通信的相關(guān)特點進行分析，并以車輛遠程監(jiān)控為例，設(shè)計基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠程監(jiān)控通信系統(tǒng)。結(jié)合4G模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)在ARM系統(tǒng)和服務(wù)器之間的傳輸，以期達到更好的遠程監(jiān)控通信效果。

4G網(wǎng)絡(luò)；遠程監(jiān)控；通信系統(tǒng)

目前，眾多領(lǐng)域都對遠程監(jiān)控通信有著很大的需求。4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具備傳輸時上行帶寬大，傳輸時延較小的特點，為監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線高清傳輸提供了技術(shù)基礎(chǔ)。伴隨4G通信技術(shù)的不斷進步及4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴大，無線視頻傳輸系統(tǒng)在監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用得到進一步加深。

1 4G網(wǎng)絡(luò)與遠程監(jiān)控通信

目前，在日常生活中以及不同領(lǐng)域的生產(chǎn)和加工等過程中，對遠程監(jiān)控通信有著極大的需求。通過遠程監(jiān)控通信，能夠在任意位置隨時觀察特定地點的實際情況，觀察各種生產(chǎn)活動的開展情況、各種試驗設(shè)備的工作狀態(tài)等。另外，還可以通過遠程監(jiān)控通信的方式進行數(shù)據(jù)收集等活動，可以為人們的各種監(jiān)控和管理提供極大的便利。隨著移動通信技術(shù)的演化，目前第四代移動通信技術(shù)（4G）已經(jīng)呈現(xiàn)出逐漸成熟的發(fā)展狀態(tài)，并被逐漸應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計中。尤其是隨著各種便攜式移動終端的出現(xiàn)，可以更好地利用4G網(wǎng)絡(luò)對各種高質(zhì)量信號傳輸進行承載，并完成各種遠程監(jiān)控與通信活動。

2 基于4G網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控通信系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計

車輛遠程監(jiān)控通信是目前在交通管理領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)手段，涉及到無線通信網(wǎng)絡(luò)和車載終端等多個部分，在智能交通領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。通過系統(tǒng)設(shè)計，可以對不同車輛的運行狀態(tài)、具體位置等予以實時的遠程監(jiān)控。遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸具備自身獨有特點，以此類特點為依據(jù)，結(jié)合實際需求進行本次系統(tǒng)設(shè)計。本次設(shè)計的技術(shù)方案將數(shù)據(jù)采集后的解析處理和封裝處理，以及通過4G模塊實現(xiàn)對數(shù)據(jù)到遠端服務(wù)器的傳輸過程作為設(shè)計重點。其中，內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集完成后對其進行符合預(yù)定報文格式的解析處理，經(jīng)重新封裝后發(fā)送至ARM控制系統(tǒng)。ARM接收到數(shù)據(jù)后通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸至4G模塊，4G模塊利用4G網(wǎng)絡(luò)根據(jù)IP地址向遠端服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。該過程中通過上位機軟件對數(shù)據(jù)及發(fā)送情況進行實時監(jiān)控并完成后臺存儲處理。利用客戶端軟件可以向服務(wù)器進行車輛信息查詢。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本次設(shè)計選用廣州致遠電子生產(chǎn)的產(chǎn)品IOT-3960l作為系統(tǒng)開發(fā)板。處理器選用性能較高的Freescale 454MHz MCIMX287 ARM9處理器。集成128MB 200MHz二代內(nèi)存及128MB NAND FLASH，實現(xiàn)了對雙路以太網(wǎng)的支持。隔離模塊為具備較高性能的CAN-bus隔離模塊，該模塊同時支持RS485、USB2.0、UART等功能，同時能夠滿足多種方式的系統(tǒng)升級需求。系統(tǒng)4G模塊使用上海龍尚公司的longsungU8300C產(chǎn)品。該產(chǎn)品無線模塊支持多種制式的網(wǎng)絡(luò)，在FDD-LTE網(wǎng)路下，其接入上行速度和下行速度分別可以達到50Mbps和100Mbps，在TDD-LTE網(wǎng)絡(luò)下，接入上行速度和下行速度可達18Mbps和61Mbps。此外，該模塊集成接口類型較多，包括RESET、UART、USIM/SIM、USB等多種接口，同時具備豐富的AT指令，表現(xiàn)出很高的靈活性和操作便捷性［1］。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

選用版本號Linux2.6.35的平臺定制內(nèi)核作為本系統(tǒng)開發(fā)內(nèi)核。longsungU8300C模塊集成多種接口，如包含USB、UART接口等。以數(shù)據(jù)傳輸速度作為標準，實現(xiàn)系統(tǒng)通信功能時確定選用ARM系統(tǒng)和USB接口。實現(xiàn)通信功能必須將USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動等4G網(wǎng)絡(luò)模塊驅(qū)動添加至Linux內(nèi)核，并確保支持PPP撥號協(xié)議，對內(nèi)核進行編譯并下載到開發(fā)板。對撥號狀態(tài)進行測試可采用ping域名或者IP的方式。由于UDP協(xié)議具備較快的傳輸速度，因此4G模塊和服務(wù)器之間采用UDP通信協(xié)議［2］。4G遠程客戶端的終端程序運行時，首先調(diào)用相應(yīng)函數(shù)獲取文件描述，對端口號和傳送協(xié)議進行定義，調(diào)用sendto()函數(shù)以IP為依據(jù)對指定服務(wù)器進行數(shù)據(jù)發(fā)送，等待服務(wù)器回應(yīng)。調(diào)用recvfrom()函數(shù)實現(xiàn)對服務(wù)器回傳消息數(shù)據(jù)的接收，并對接收到的服務(wù)器回傳確認消息進行增加時間戳處理后繼續(xù)發(fā)送。如果無法接收到來自服務(wù)器的回傳數(shù)據(jù)，客戶端將保持阻塞狀態(tài)進行無限等待。引起客戶端接受服務(wù)器回傳數(shù)據(jù)失敗，保持無限等待阻塞狀態(tài)的可能性有2個，一是服務(wù)器收到來自客戶端的數(shù)據(jù)后進行了確認并完成確認消息數(shù)據(jù)回傳，但數(shù)據(jù)在向客戶端傳輸過程中丟失，導(dǎo)致客戶端沒有接收到回傳數(shù)據(jù)；二是客戶端向服務(wù)器發(fā)送的數(shù)據(jù)在傳輸過程中丟失，服務(wù)器并沒有接收到數(shù)據(jù)，自然不會產(chǎn)生確認數(shù)據(jù)。這兩種原因都會導(dǎo)致客戶端沒有接收到回傳數(shù)據(jù)，進而保持無限等待的阻塞狀態(tài)。針對這種情況，設(shè)計者結(jié)合alarm()鬧鐘函數(shù)為recvfrom()函數(shù)設(shè)置了5s超時標準，同時為確保數(shù)據(jù)能夠被繼續(xù)發(fā)送，還調(diào)用sigaction()函數(shù)，并將函數(shù)參數(shù)設(shè)置為SA_NOMASK，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)發(fā)送的不重啟動。這種機制能夠終端recvfrom()，禁止客戶端保持阻塞狀態(tài)，推動程序繼續(xù)向下執(zhí)行，數(shù)據(jù)傳送過程完成后，服務(wù)器及客戶端調(diào)用close()關(guān)閉函數(shù)。以傳輸速率為標準，選用UDP協(xié)議實現(xiàn)遠程客戶端和服務(wù)器之間的通信及數(shù)據(jù)傳輸。在實時遠程監(jiān)控過程中，如果對數(shù)據(jù)要求不高，或者采集頻率較高時，可以選擇直接中斷前面，開始下一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚矸绞?，這種情況造成的數(shù)據(jù)包丟失屬可接受范圍，大多數(shù)時間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸都處于穩(wěn)定狀態(tài)。數(shù)據(jù)丟失后開始進行下一次數(shù)據(jù)傳輸時服務(wù)器會接到通知，數(shù)據(jù)連續(xù)丟失且到達設(shè)定值時服務(wù)器能夠提供報警。實際應(yīng)用過程中結(jié)合不同的應(yīng)用場景、應(yīng)用需求對報警范圍進行適當調(diào)整。伴隨4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進步和覆蓋范圍的擴大，數(shù)據(jù)丟包情況已經(jīng)得到嚴格控制，不會對遠程監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)和效果造成影響。

2.4 設(shè)計實現(xiàn)

首先，按照相關(guān)協(xié)議對測試數(shù)據(jù)進行組包處理，利用ARM控制系統(tǒng)將處理后的數(shù)據(jù)包由USB接口輸送至4G網(wǎng)絡(luò)模塊，4G終端接入4G網(wǎng)絡(luò)后向服務(wù)器IP發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)測試過程中，數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)定頻率1s/次，服務(wù)器接對來自客戶端模塊的數(shù)據(jù)進行增加時間戳處理后直接發(fā)回。數(shù)據(jù)經(jīng)過Internet網(wǎng)絡(luò)到達服務(wù)器，服務(wù)器按照制定好的協(xié)議進行數(shù)據(jù)解析，并按條目存入數(shù)據(jù)庫。客戶端可以選擇自行開發(fā)的具備車輛信息實施查詢功能的電動汽車遠程監(jiān)控系統(tǒng)。具體實施過程中，為每輛車編制固定ID，結(jié)合ID號對車輛信息進行實時查詢，如車輛位置、車載電池電壓、溫度等［3］。

3 結(jié)語

綜合來看，本次設(shè)計以嵌入式Linux2.6操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)平臺，處理器則選擇具備較高性能的ARM9，采用的4G網(wǎng)絡(luò)模塊上集成了各種接口，因此能夠在應(yīng)用程序開發(fā)時起到很大的簡化效果，也為系統(tǒng)后期擴展提供良好保障。本次設(shè)計經(jīng)實際完成4G網(wǎng)絡(luò)接入及遠程服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸，客戶端軟件實現(xiàn)實時監(jiān)控查詢功能。經(jīng)驗證，本設(shè)計運行狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸順暢，能夠發(fā)揮良好的4G遠程監(jiān)控功能。

［1］胡圣堯，楊子立，關(guān)靜，等.基于GPRS或4G的通信基站電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.電源技術(shù)，2016（9）：1865-1866，1892.

［2］梁茂麒.基于4G的智能家居遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.信息通信，2015（2）：226-227.

［3］譚寶成，曹國浩.4G網(wǎng)絡(luò)在無人駕駛智能車遠程監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計工程，2015（15）：30-32.

Design and Implementation of Remote Monitoring Communication Based on 4G Network

Zhao Jie
（Henan Art Vocational College，Zhengzhou Henan 450000）

In this paper,the characteristics of the 4G network and remote monitoring communication were analyzed, and taking the remote monitoring vehicle as an example,a remote monitoring communication system based on 4G network was designed.Combine 4G module to realize data transmission between ARM system and server,in order to achieve better remote monitoring communication effect.

4G network；remote monitoring；communication system

TN929.53；TP277

A

1003-5168（2017）05-0056-02

2017-04-16

趙杰（1970-），女，本科，助教，研究方向：廣播電視技術(shù)。