基于心跳包的Socket通信在危險(xiǎn)源無(wú)線監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究*

朱建淼 賈 波 華金晶 汪圣華

浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院 浙江省安全工程與技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

危險(xiǎn)源是安全生產(chǎn)和人身安全重要管控的內(nèi)容，一旦發(fā)生事故將對(duì)財(cái)產(chǎn)和人身構(gòu)成極大威脅。隨著社會(huì)的發(fā)展，由危險(xiǎn)源產(chǎn)生的重大災(zāi)害事故也屢屢發(fā)生，因此做好危險(xiǎn)源的管控尤為重要。目前重大危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、預(yù)警技術(shù)，已成為我國(guó)當(dāng)前安全科學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，部分領(lǐng)域已經(jīng)推廣應(yīng)用了一系列監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，包括有限空間危險(xiǎn)性氣體檢測(cè)分析系統(tǒng)[1]、重大危險(xiǎn)源監(jiān)控系統(tǒng)[2]、尾礦庫(kù)在線監(jiān)控檢測(cè)系統(tǒng)等監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)[3]。

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)無(wú)線架構(gòu)中，數(shù)據(jù)通訊一般采用服務(wù)器輪詢(xún)客戶(hù)端的方式，但當(dāng)某個(gè)客戶(hù)終端出現(xiàn)故障時(shí)，往往會(huì)引起服務(wù)器資源的死鎖和浪費(fèi)，導(dǎo)致其余終端數(shù)據(jù)通訊的阻塞。因此，本文根據(jù)安全生產(chǎn)中危險(xiǎn)源無(wú)線監(jiān)測(cè)工作中遇到的實(shí)際情況，提出了一種基于心跳包的數(shù)據(jù)通訊機(jī)制，詳細(xì)介紹了通訊模型并進(jìn)行了工程示范。

1 心跳包在數(shù)據(jù)通訊中的作用

心跳包機(jī)制是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高效、高可靠性，保證危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)的正常運(yùn)行和服務(wù)不中斷的常用技術(shù)，通過(guò)收發(fā)自定義協(xié)議的、定時(shí)的、循環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)包，判斷節(jié)點(diǎn)是否在線。目前已廣泛用于網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、故障檢測(cè)等領(lǐng)域。

2 心跳模型設(shè)計(jì)

2.1 Socket基本原理

對(duì)于存在大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，為了保證通信可靠，大多采用流式套接字，一般采用的是TCP協(xié)議，建立雙向、有序、無(wú)重復(fù)的數(shù)據(jù)流服務(wù)[4]。Socket連接一個(gè)運(yùn)行于客戶(hù)端（ClientSocket），另一個(gè)運(yùn)行于服務(wù)器端（ServerSocket），包含：服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)、客戶(hù)端請(qǐng)求和連接確認(rèn)三個(gè)階段。連接建立后，客戶(hù)機(jī)和服務(wù)器之間就可以調(diào)用receive()和send()的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的發(fā)送和接收，數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后調(diào)用close()關(guān)閉。

2.2 心跳包機(jī)制

基于Socket通信時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)服務(wù)器無(wú)法判斷客戶(hù)端狀態(tài)，即：服務(wù)器無(wú)法區(qū)分客戶(hù)端是長(zhǎng)時(shí)間空閑還是掉線。所以，必須建立心跳包來(lái)判斷連接是否正常。而心跳數(shù)據(jù)包也是在服務(wù)器與客戶(hù)機(jī)之間建立連接后，循環(huán)調(diào)用receive()和send()來(lái)接收和發(fā)送一種自定義的特定數(shù)據(jù)包。

2.3 心跳包模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一般心跳包的主動(dòng)發(fā)包方可以是客戶(hù)也可以是服務(wù)端，由于考慮到危險(xiǎn)源在線監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)單向性為主，本文以單服務(wù)器/多客戶(hù)機(jī)為基本模型，數(shù)據(jù)中心為服務(wù)器，DTU設(shè)備作為客戶(hù)端[5]。

根據(jù)危險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)機(jī)制，心跳模型為：客戶(hù)終端主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)送自定義心跳數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包含用于檢測(cè)連接的數(shù)據(jù)及終端標(biāo)識(shí)，當(dāng)服務(wù)器收到心跳包數(shù)據(jù)后，通過(guò)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)，直接反饋傳感器的查詢(xún)指令，利用DTU的透?jìng)鞴δ軐⒉樵?xún)指令發(fā)送至傳感器，當(dāng)傳感器返回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后，將查詢(xún)結(jié)果解析入庫(kù)。然后等待下一個(gè)心跳包，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1。

圖1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4 監(jiān)測(cè)通訊參數(shù)設(shè)置

監(jiān)測(cè)通訊初始化包括以下三個(gè)方面：

（1）設(shè)置心跳包的發(fā)送周期[6]。本項(xiàng)目工程應(yīng)用中，考慮到中國(guó)移動(dòng)的通訊效率及項(xiàng)目監(jiān)測(cè)的需求，心跳包頻率設(shè)置為30s/次，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，GPRS在線率和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性均達(dá)到了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了良好的通訊效果。

（2）設(shè)置心跳包參數(shù)和通訊參數(shù)。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，將設(shè)備標(biāo)識(shí)和心跳包指令融合為一，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)配置，獲取連接DTU的儀表查詢(xún)指令。同時(shí)做好DTU的透?jìng)魍ㄓ嵟渲?，主要參?shù)必須與傳感器一致。

（3）對(duì)獲取的查詢(xún)值進(jìn)行解析。將終端MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)解析方式進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換入庫(kù)。

3 基于心跳包的監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

3.1 應(yīng)用場(chǎng)景

以噴涂企業(yè)安全隱患重點(diǎn)區(qū)域噴漆房通風(fēng)管道通風(fēng)效率量化監(jiān)測(cè)和預(yù)警為例，將基于心跳包的Socket通信機(jī)制應(yīng)用于噴漆房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，依靠移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)GPRS無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的量化檢測(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

項(xiàng)目在杭州市蕭山區(qū)杭州天宏焊接材料有限公司進(jìn)行了示范，現(xiàn)場(chǎng)將2臺(tái)風(fēng)速傳感器安裝于噴漆房通風(fēng)管道，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集模塊、DTU模塊的整合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

3.2 設(shè)備選型

風(fēng)速傳感器（英格瑪YGM305）。根據(jù)噴漆房有機(jī)溶劑易揮發(fā)、可燃、可爆的特性，選用基于伯努力方程和皮托管原理的防爆型管道式空氣風(fēng)量變速器，測(cè)量風(fēng)道截面積的平均流速，監(jiān)測(cè)范圍為0～30m/s，防護(hù)等級(jí)IP65，信號(hào)以4～20mA的兩線制輸出。

數(shù)據(jù)采集模塊（KonNaDC2000-A2-SMX 2400）。選用4路模擬輸入，1路485信號(hào)輸出的串口I/O聯(lián)網(wǎng)模塊，通過(guò)4～20mA的電流信號(hào)輸入轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)并以485串口的MODBUS協(xié)議進(jìn)行輸出。

DTU模塊（USR-GPRS-730）。具備網(wǎng)絡(luò)透?jìng)鞴δ埽瑢?shí)現(xiàn)DTU與網(wǎng)絡(luò)端的雙向透明傳輸。支持雙路網(wǎng)絡(luò)鏈接，可將數(shù)據(jù)向2個(gè)服務(wù)器發(fā)送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、遠(yuǎn)程異常診斷等功能。設(shè)備作為Client客戶(hù)端鏈接后，可自定義心跳注冊(cè)包做標(biāo)識(shí)。選用中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)卡作為GPRS數(shù)據(jù)通信介質(zhì)。

3.3 通訊參數(shù)設(shè)置

串口通訊設(shè)置：數(shù)據(jù)采集模塊（KonNaDC2000-A2-SMX2400）默認(rèn)將設(shè)備串口參數(shù)設(shè)置為：9600，N，8，1，根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊參數(shù)要求，在DTU中的串口通信設(shè)置也設(shè)為9600，N，8，1。

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置：在DTU模塊（USR-GPRS-730）中將網(wǎng)絡(luò)通訊地址配置為服務(wù)器ip地址和鏈接端口，自定義心跳包標(biāo)識(shí)為Hearthzxh0004，根據(jù)中國(guó)移動(dòng)的通訊效率要求和系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需求，將心跳頻率設(shè)為30s/次。

3.4 心跳包應(yīng)用的數(shù)據(jù)流

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流運(yùn)行分服務(wù)器和DTU客戶(hù)端的交互，主要由服務(wù)器（數(shù)據(jù)中心）、DTU模塊和前端傳感設(shè)備組成，將中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)SIM卡置于DTU模塊，數(shù)據(jù)信號(hào)以GPRS模式通過(guò)INTERNET與服務(wù)器建立連接，由DTU的心跳包進(jìn)行通訊發(fā)起，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)后判斷并解析是否為心跳包，確認(rèn)后，通過(guò)后臺(tái)配置庫(kù)獲取對(duì)應(yīng)的物聯(lián)設(shè)備查詢(xún)指令并發(fā)送給DTU，DTU通過(guò)透?jìng)髟O(shè)置將指令直接下發(fā)給物聯(lián)監(jiān)測(cè)設(shè)備，物聯(lián)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過(guò)查詢(xún)指令反饋查詢(xún)結(jié)果的數(shù)據(jù)給服務(wù)器，服務(wù)器則通過(guò)MODBUS協(xié)議對(duì)查詢(xún)結(jié)果的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析入庫(kù)，完成數(shù)據(jù)的交互。數(shù)據(jù)流圖，如圖2。

圖2 系統(tǒng)交互數(shù)據(jù)流圖

3.5 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)和監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)，其中數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)分成數(shù)據(jù)接收、發(fā)送指令、數(shù)據(jù)入庫(kù)三個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)基于心跳包的Socket數(shù)據(jù)通信交互機(jī)制的應(yīng)用。數(shù)據(jù)交互采集系統(tǒng)界面，如圖3。

數(shù)據(jù)交互入庫(kù)后，通過(guò)數(shù)據(jù)應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效管理和展示，監(jiān)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)展示結(jié)果，如圖4。

圖3 噴漆房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)量數(shù)據(jù)采集交互系統(tǒng)

圖4 在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示界面-2017年8月11日

4 結(jié)論

本文提出了一個(gè)基于心跳包的Socket通信解析模型，并將其應(yīng)用于一個(gè)C/S模型的噴漆房通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速風(fēng)量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。測(cè)試表明，通過(guò)使用心跳包的辨識(shí)進(jìn)行通信發(fā)起，實(shí)現(xiàn)了非廣播式的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，有利于提升系統(tǒng)的可靠性，極大的節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)資源和服務(wù)器壓力，在基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中具有良好的移植性和適用性。

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