電視發射臺短信監控系統設計

白小軍，楊 軍

（西安工業大學 計算機科學與工程學院，陜西 西安 710032）

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

短消息服務（Short Messaging Service，SMS）作為移動網絡的一項基本業務，以其實現簡單、成本低廉、可靠性高等優勢，在各行各業得到了廣泛的應用[6-7]。目前，工業領域中的很多數據采集及遠程維護系統都用到了短消息服務。

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

1 系統總體結構

傳統的控制設備一般都通過串口（RS-232和RS-485）與上位機通信，數據傳輸距離很短，難以實現遠程控制。借助近些年出現的設備服務器技術，可以方便地將串口設備接入網絡，從而為網絡化監控創造了條件。

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

短信收發設備又稱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。同理，借助設備服務器，也可以將短信收發設備接入網絡，從而與控制設備并網，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設備接入了GSM網絡，為短信集中監控創造了條件。

圖1 電視發射臺短信控制系統總體結構

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，即串口數據不作任何處理打包成網絡數據（一般使用TCP或UDP包），而網絡數據也在解包后不作任何處理發往串口；二是網關模式，即在設備服務器上編程，實現定制的處理功能。顯然，第二種模式提供了更大的靈活性，可以滿足本系統的設計要求。

本系統選擇美國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。該平臺內置有精簡的多任務操作系統，使用時間片輪轉的方式進行并發處理；支持RS-232及RS-485接口，也支持TCP/IP協議棧中的常用協議；在此基礎上，提供了應用程序開發工具包，即一系列C語言的API，可以編程訪問串口和網絡接口。本系統中的串口通信采用RS-232協議，網絡消息收發則采用UDP協議。

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、網絡通信模塊和主控模塊。前兩個模塊封裝了串口和網絡通信數據收發的常用函數，以方便主控程序調用；主控程序作為系統的主進程，實現核心處理功能。

圖2 設備服務器上的軟件體系結構

從總體上看，本系統采用了“管理者—代理”的體系結構。靠近發射機的設備服務器充當代理的角色，它要維護發射機的運行狀態數據以便管理者查詢，當管理者發來控制命令時，它還要控制發射機執行指定的動作。而靠近短信收發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

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

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

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

在網絡一側，要接收管理者發送的查詢或命令請求，并將設備狀態或告警信息發送給管理者，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。在系統初始化完成后，就進入一個永真循環，保證程序一直運行而不退出。循環內部有兩個代碼塊，分別負責串口通信異常和正常兩種情況下的數據處理。代理首先通過串口向發射機發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，向短信服務器發送設備離線消息（短信服務器會將該消息通過GSM Mod?el發送到管理員手機上），并繼續測試串口，直到通信正常。在正確獲取發射機配置信息的前提下，程序將進入正常處理的循環，按順序執行兩項處理：一是通過串口采集設備的運行數據，更新內存中維護的數據集，若發現設備的運行狀態發生變化，則發送告警消息；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送狀態數據包；而對于控制指令，則通過串口向設備發送控制消息）。

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。接收管理手機發送的短信命令，轉化成UDP消息發往指定的代理；3）消息處理。接收代理發送的告警消息和狀態消息，轉化為短信發送到指定的手機上。

圖3 設備代理上的主控程序流程

為同時監控多臺發射機，需要為每臺設備指定一個設備號、設備名稱和代理地址；為實現系統的訪問控制，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。系統初始化完成后就進入主控循環，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，根據該代理的IP地址檢索其連接的發射機名稱及管理員手機號，并根據消息體構造短信內容，通過GSM Model發送短信到該手機。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；然后再解析短信內容得到目標主機的代碼及控制命令；最后根據主機代碼查到該代理的IP地址，并向其發送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器，這就存在爭用串口的可能；另外，Model發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。消息隊列是一塊內存緩沖區，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，每輪循環都要檢測隊列頭指針，若有新消息，并且串口狀態為就緒，則處理該消息，否則跳過該步驟，等待下一輪循環處理。

5 應用層通信規約

從圖1可以看出，本系統中有發射機、作為發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約。

1）設備服務器和發射機之間的串口通信規約

發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代表上位機發往下位機的控制命令，0x81代表下位機向上位機返回的數據等；LENGTH表示消息正文的長度；MESSAGE為消息正文內容，包含控制命令以及反饋數據等；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命令用于獲取發射機的配置信息，TXC：QRY命令用于獲取發射機的運行狀態信息，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器之間的串口通信規約

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和交互過程，編程不夠方便，所以本系統選用的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短信。

發送短信的串口消息格式為“%SSMS”+“字符編碼方式”+“手機號”+“短信內容”。

其中：%SSMS為消息起始標記；字符編碼方式為一個數字字符，0代表本短信內容采用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送消息“%SSMS0,18999999999,TX01串口通信中斷”，表示向手機號為18999999999的用戶發送“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”+“內容長度”+“短信內容”。

例 如 ，收 到“ $SMS+8618999999999，ASC，14，TX01#ON#123456”串口消息，表示號碼為18999999999的手機發來一條短信，要求控制代號TX01的發射機執行開機指令，在短信內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送3種消息，分別是設備運行狀態信息、設備告警信息、串口通信狀態信息。這里使用3個字母代表消息類別，一串數字字符代表消息內容。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后面的每位數字分別代表發射機一個關鍵部件的告警狀態，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容發送給管理手機。

短信服務器發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，ON表示開機，OFF表示關機等。

4）用戶手機到短信收發器之間的短信格式規約

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

其中Password1為GSM Model的驗證口令；Password2為用戶的操作口令；發射機編碼代表了不同的發射機；命令字代表本次要執行的命令。GSM Model收到短信后，首先驗證Password1是否合法，若驗證通過，則將后面的內容打包后通過串口發送給短信服務器，否則丟棄該短信。在短信中使用“#”分隔命令參數，以便于短信服務器切分各參數。例如，發送短信“123456#TX01#QRY#654321”表示向TX01發射機發送一條查詢指令，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控領域，徹底解決了偏遠環境中的數據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，該系統都能夠穩定、高效的運行。

[1]吳升恒.廣播電視發射中心綜合監控與管理系統的設計與實現[D].廈門：廈門大學軟件學院，2009.

[2]劉行兵，牟占生，孫斌.電視發射臺遠程監控系統的實現[J].電視技術，2008，32（11）:70-71.

[3]周春來，趙成安，孫芳.基于嵌入式Web的發射機遠程監控系統[J].控制工程，2008（5）:605-609.

[4]白小軍，羅鈞旻.基于WEB的發射機遠程控制系統設計[J].通信技術，2008（9）:59-61.

[5]蘇振濤，羅鈞旻，白小軍.基于設備服務器的電視發射機遠程監控系統[J].計算機測量與控制，2009，17（10）:1883-1886.

[6]葛永明，程文鋒，饒琨.基于SMS通用型遠程無線監控系統的實現[J].計算機測量與控制，2009，17（5）:869-871.

[7]于立娟，于海業，張志平.基于 GSM的遠程環境監控系統[J].儀表技術與傳感器，2007（3）:69-70.