海底觀測網中上位機與服務器通信協議的設計*

謝 軍，馬 輝，李 秀

(1.海南大學機電工程學院，海南 海口 570228;2.清華大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

海底觀測網中上位機與服務器通信協議的設計*

謝 軍1,2，馬 輝2，李 秀2

(1.海南大學機電工程學院，海南 ?？?570228;2.清華大學深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

在海底觀測網絡中，各儀器采集的數據都分別發送到各自平臺上位機，各上位機進行數據匯總后分別發送數據到數據管理系統服務器。在對海底觀測網中各個設備數據采集格式、數據通信速率、數據通信容量進行綜合分析后，設計了上位機與數據服務器之間的通信協議。通信數據包包括包頭、包體和校驗位，各個上位機通信的包頭格式一致，包體結合不同設備的各自特點分別進行設計。根據通信協議開發了相應的客戶端和服務器端軟件。測試結果表明，通信協議能夠完整、正確、高效地完成數據傳輸。

海底觀測網；物聯網；通信協議；TCP/IP

1 引言

海底蘊含了豐富的礦藏、天然氣水合物、可燃冰等資源。對海底進行觀測主要包括間接方式和直接方式。間接方式就是派考察船等采集海水、海底的微生物等回實驗室，進行離線分析，這種方式是非實時、非原位的。直接方式就是直接把儀器設備放在海底，建立海底觀測網，實時采集、實時分析、實時傳輸到地面，這種實時和原位方式，能夠更加真實和實時地得到海底的各種信息[1～3]。海底觀測網絡的建立，對于海洋資源探測、海洋環境監測、國防安全等都具有重大意義。目前全世界比較有名和成熟的海底觀測網包括美國的MARS、加拿大的NEPTUNE、歐洲海底觀測網ESONET和日本新型實時海底監測網ARENA[4～7]等。我國的海底觀測網絡起步時間還不是很長[8]。

海底觀測網絡，是由數據管理與服務系統、岸基系統、光電復合纜、接駁盒、各級水下節點等構成的海底原位科學探測平臺[3,9]。觀測網絡中的各個觀測平臺的上位機除了對海底的設備進行控制外，還需要讀取各設備的數據信息和狀態信息，這些信息除了在本地進行存儲，還需要統一發送到數據服務中心，即數據管理系統服務器。海底觀測網屬于物聯網，每天24小時不間斷產生大量的數據。每天數據量超過1.2 GB，每年數據量超過400 GB。如果加上視頻，數據還要大很多。并且，如果海底通信網不穩定導致采集的數據丟失，比如丟失實時的地震數據導致無法提前預報海嘯，就有可能導致巨大的生命財產損失或者經濟損失。海底通信網的通信穩定性和可靠性相對于陸地而言，要求要高很多。因此，各上位機與數據管理系統服務器之間的通信協議設計[9～11]，是海底觀測網能否正常穩定運行的關鍵技術之一。

2 通信協議概要設計

在整個海底通信網中上位機到數據服務器的通信系統，有以下五個上位機平臺，每個上位機分別包含的儀器如下：

(1)接駁盒，分別包含主接駁盒電能數據、主接駁盒環境數據、次接駁盒電能數據、次接駁盒環境數據；

(2)海洋動力平臺，包括聲學多普勒流速剖面儀ADCP(Acoustic Doppler Current Profilers)、聲學多普勒流速儀ADV(Acoustic Doppiler Vector Current Meter)、溫鹽深儀CTD(Conductivity Temperature Depth)、壓力傳感器；

(3)激光拉曼平臺，包括激光拉曼光譜儀；

(4)化學平臺，包括二氧化碳、溶解氧、PH值等傳感器；

(5)地球物理平臺，包括地震儀、磁力計、電源控制板、信號轉換板。

每種儀器或設備里面發送的數據類型主要包括觀測數據和狀態數據，存儲類型包括ASCII碼和二進制。綜合考慮所有設備待發送數據的數據特點，先設計各上位機公用的數據包頭，然后分別設計不同設備的包體。

協議包體由各家平臺按照各自的數據內容進行封裝、定義。包體支持二進制(含BCD)碼和ASCII碼。包體部分根據各自內容的不同有不同的格式和長度。

設計通信協議時，主要是設計從上位機往服務器發送數據時的數據格式。主要基于以下幾個原則：

(1)數據的發送周期最短為50 ms，最長為10 min。數據發送周期短的設備，采用TCP協議。數據發送周期長的設備，如果采用TCP協議，因為一直保持連接狀態，會降低服務器通信通道的利用效率；如果采用UDP協議，則系統混合了TCP和UDP協議，加大了協議的復雜度。綜合分析，決定全部采用TCP協議，但是結合長連接和短連接。長連接是指在一個TCP連接上可以連續發送多個數據包，在TCP連接保持期間，如果沒有數據包發送，需要雙方發鏈路檢測包以維持此連接。短連接是指發送完一個數據包后馬上斷開連接。

數據發送周期短的設備，比如ADCP，每秒1個數據包，采用TCP長連接。數據發送周期長的設備，比如CTD數據，每15秒才發送一次數據，采用TCP短連接，上位機發送完數據包并接收到來自服務器的表示已經正確接收和解碼的返回包后，馬上斷開連接。這種設計模式，在兼顧通信效率和通道利用率的同時，還降低了協議的復雜度。國外的海底通信網一般都只是采用長連接，這樣做的好處是通信控制邏輯較為簡單，但是由于多個通信通道一直由服務器占用，對服務器資源消耗會更大。

(2)包括三部分：包頭、包體和包尾。其中包頭是定長的；因為不同設備發送的數據不同，因此數據包體不定長；定長的4個字節校驗位放在數據包尾。數據包體的長度在包頭中設置。每個數據包可傳遞多個傳感器的數據，允許一個數據包同時包含狀態與觀測數據，數據包必須包含設備編號(ID)和時間戳。

綜合分析，采用TCP協議。服務器與各上位機建立一對或多對SOCKET端口，同時支持長連接和短連接。對于長連接，數據服務器設置“心跳”機制，當上位機長時間沒有數據發送時，每隔一段時間往服務器發送一個心跳包，以保持連接。

3 通信協議詳細設計

協議將通信包體分成三個部分：包頭、包體和校驗位。包頭部分完成協議號定義、時間戳、包編號等公共信息定義，在每個請求數據包中，包頭的長度以及格式固定。包體為完成的具體業務需要的接口參數信息。消息的包體部分根據各自接口的內容不同而有不同的格式和長度。協議包體由各家平臺按照各自的數據內容進行封裝、定義。包體支持二進制(含BCD)碼和ASCII碼。

3.1 發送消息格式

發送消息是由各上位機發送到數據庫服務器，數據包格式如表1所示。長度單位為字節數。

Table 1 Format of sending data packets表1 發送數據包的格式

第1項，同步頭。作為數據包開始的標志。

第2項，協議編號。協議編號是為了區分不同設備，同一設備的數據信息和狀態信息。

第3項，時間戳。表示數據包發送時間。采用壓縮BCD碼，這樣既有很高的表示效率，也便于調試時人工觀測大小，兼顧了效率和清晰度。

第4項，包編號。每天的0：00開始計數，每發送一個包自動加1。

第5項，包體長度。當服務器解碼出包體長度后，便知道了包體從哪兒開始。

第6項，字節序定義。0x00對應低序字節存儲在起始地址，0x01對應將高序字節存儲在起始地址。例如，0x01時，4個字節，從左到右高16位，低16位。

第7項信息類型，主要是為協議將來的可擴展性考慮，為系統不同調試階段進行補充。在系統設計與調試過程中，在服務器端將設計一個模擬客戶端來模擬各不同上位機發送數據；在與各上位機遠程聯調時，各上位機會發送模擬數據或者從設備真實采集的數據；在進行系統集成聯調的時候，也會發送模擬數據和從設備真實采集的數據；最后系統正式上線運行時，是發送真實的采集自海底的真實數據。對這一項定義如下。0：系統正式上線時從放在海底的設備真實采集的數據；1：平時設備放在水池時從設備采集的數據；2：各上位機自己模擬的數據；3：服務器端模擬采集的數據；其它值，將來再進行補充。這一項的設計方案，是對于整個系統進行綜合分析以及和各平臺上位機逐步調試過程中才總結提出的，屬于本通信協議設計的特色之一。

第8項，備用位。這項是為了系統將來可擴展使用的。

第9項，數據包體。每個設備真正的數據就位于這個段。

第10項，CRC校驗。把CRC校驗放在整個數據包的最后，而不是放在包頭與包體之間，是為了編程實現CRC時，對前面整個連續段計算CRC，而不用把分離的包頭和包體合并在一起再計算校驗值。

針對每個設備做校驗和，采用CRC32算法將所有數據轉換為二進制表示。對轉換后的數據抽取CRC32摘要，長度為4字節。32位循環冗余校驗標準多項式CRC如下所示：

X32+X26+X23+X22+X16+X12+X11+X10+X8+X7+X5+X4+X2+X+1

3.2 響應消息格式

服務器收到上位機發送過來的消息后，經過協議解碼、分析和處理，反饋給上位機的數據格式如表2所示。其中長度的單位為字節數。

返回碼含義表如表3所示。

每個包體都要有數據采集時間，且如果一個包體內包含一個/多組觀測量的不同時刻下的觀測值，則每個組/觀測數據分別帶時間戳。

包頭里面所有多字節整數，都是先發送高位字節，再發送低位字節。包體部分，也建議如此。包體部分的數據編碼，除了儀器自動產生的數據無法更改編碼方式外，自定義數據按照如下規范進行編碼：

(1)整數：直接用16進制編碼。除非特別說明，都是補碼。

(2)小數：小數點左移幾位變為整數后，再用上

Table 2 Format of response data packets表2 響應數據包的格式

Table 3 Return codes of response messages表3 響應消息中返回碼表

面的整數編碼方式編碼。

(3)時間：建議也用包頭里面的BCD碼格式。

3.3 通信流程圖響應消息格式

這里僅僅列出上位機向服務器發送數據的流程圖。當客戶端和服務器建立連接后，客戶端每一個數據包的發送都按照圖1所示。客戶端要等到服務器返回確認包才繼續發送下一個數據包。如果多次重發當前數據包后仍然無法接收到確認包，則認為發送失敗。后面可以提示用戶或者重新連接服務器。流程圖里面的30 ms和60 ms兩個參數都可以根據現場網絡狀況進行調整。

Figure 1 Flow chat of sending data packages from clients

3.4 協議的其它補充

數據管理系統與平臺上位機如果出現長時通信故障，如服務器宕機，平臺上位機將自動存儲故障期間的數據。在故障解決后，在實時數據的間歇之間，將故障期間的數據自動發送到服務器。服務器可對故障期間的延時數據進行傳輸控制，可選擇只接收實時數據和接收實時數據及延時數據兩種模式。如返回碼為300時，停止接收故障延時數據；如收到返回碼為301，可在實時數據的空隙發送延時數據。

4 系統測試

數據服務器采用曙光I620-G10，CPU為E5-2620X2，內存為DDR3 8 GB。服務器軟件環境為Linux Cent OS 6.2。客戶端運行環境為聯想筆記本電腦E49，CPU為I5雙核，內存4 GB，軟件為Windows 7?？蛻魴C和服務器位于一個局域網里面。以海洋動力環境中壓力傳感器實測數據為例，上位機客戶端和服務器端界面分別如圖2和圖3所示。

Figure 2 Interface of sending pressure sensor data from clients

圖2和圖3里面壓力傳感器顯示數值均為15.291 3。上位機發送的數據與服務器解碼后的數據一致。上位機發送數據到服務器接收數據、解碼、顯示總共延時沒有超過20 ms。

Figure 3 Pressure sensor data on server web page

5 結束語

通信協議的設計是海底觀測網中關鍵技術之一，本文描述了海底通信網中服務器與各上位機的通信協議。協議主要包括包頭和包體，論文主要詳細描述了包頭的設計以及包體的設計原則。經過測試，設計的通信協議達到了預定的功能和性能要求。本通信協議的設計方案，對于其它應用領域通信的設計，也具有一定的參考意義。

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謝軍(1975-),男,湖南湘陰人，博士后,副教授,研究方向為海洋信息和數據挖掘。E-mail:sxiejun@sz.tsinghua.edu.cn

XIE Jun,born in 1975,postdoctor，associate professor,his research interests include ocean information, and data mining.

Design of communication protocol between upper computer and data server in seafloor observatory networks

XIE Jun1,2，MA Hui2，LI Xiu2

(1.College of the Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University,Haikou 570228;2.Graduate School at Shenzhen,Tsinghua University,Shenzhen 518055,China)

In seafloor observatory networks, sampling data of each instrument are sent to their own upper computer respectively, which then summarizes all the data and sents them to the data management system server. On the basis of a comprehensive evaluation of data sampling format, data transforming velocity and data transforming capacity, we design a communication protocol between the upper computer and the data server. Package head, package body and cyclic redundancy check (CRC) are included in the communication package. For different upper computers, the format of package head is the same while the format of package body is designed respectively according to the specific characters of the instruments. Besides, we also develop a corresponding client and server software according to the communication protocol. Test results show that the proposed communications protocol can secure full, correct and efficient data transmission from the upper computer to the data sever.

seafloor observatory network;Internet of things;communication protocol;TCP/IP

1007-130X(2015)09-1656-05

2014-10-20;

2015-01-28基金項目：國家863計劃資助項目(2012AA09A408)

TP311.1

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2015.09.009

通信地址：518055 廣東省深圳市南山區深圳大學城清華校區

Address:Tsinghua Campus,Shenzhen University Town,Nanshan District,Shenzhen 518055,Guangdong,P.R.China