跨網傳輸的實時試驗指揮顯示系統設計*

王華，張德華，伍輝華，周勇，施斌

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰　214431)

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指揮控制與通信

跨網傳輸的實時試驗指揮顯示系統設計*

王華，張德華，伍輝華，周勇，施斌

(中國衛星海上測控部，江蘇 江陰214431)

摘要：根據測控任務的特點，設計了一種基于跨網傳輸的B/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統，詳細闡述了基于跨網數據傳輸的串口通信方法，解決了不同局域網之間數據通信的安全性和可靠性，通過Ajax技術和服務器端兩級數據緩存技術應用，減少數據流量和服務器負荷，解決了試驗任務信息的高實時性、無屏閃、局部刷新的瀏覽器頁面的數據、曲線實時顯示等關鍵技術，并對提出的架構和方法進行了系統驗證。

關鍵詞：實時顯示；串口通信；Ajax技術；數據緩存；B/S模式；無屏閃

0引言

隨著航天測控任務的發展，測量船承擔了更多的長弧段測控任務和海上測控設備綜合校飛任務，其特點是工作架次多、時間長；同時由于網絡信息化技術的發展應用，信息自動化系統也已成為試驗任務日常工作中必不可少的便捷工具和有效手段；如果能夠將試驗信息通過自動化系統實時發布，實現首長和相關技術人員足不出戶獲取第一手任務資訊，將大大提高試驗任務的工作效率和問題協調能力，發揮輔助決策功能。

一般情況下試驗網與辦公網是物理隔絕的2個局域網，如果實現各級指揮員和技術人員在辦公的同時實時關注試驗情況，首先需要實現兩網之間的數據通信，重點是保證雙網通信的可靠性和安全性；其次將部分試驗數據傳輸到辦公網，基于辦公網的安全管控策略，在辦公網內部禁止使用“80”以外的其他端口，導致常用的安裝于客戶端的實時顯示軟件數據通信端口無法接收數據，在辦公網內無法正常運行，因此本文開展了基于跨網傳輸的B/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統的研究。

1系統設計

根據需求分析，跨網數據傳輸，首先考慮試驗網的安全性，避免病毒入侵及試驗網的數據可控傳輸至辦公網；其次，考慮數據傳輸速率滿足要求，試驗網數據傳輸時延符合任務要求，實時到達在辦公網。由于已有的計算機病毒，主要以攻擊系統漏洞、電子郵件、不安全的下載、即時通信等模式傳播[1]，串口通信病毒相對較少，相對安全，因此，在跨網傳輸上，擬采用串口點對點單向通信的模式進行數據傳輸，同時結合試驗網的安防系統，可以有效保障試驗網的安全。并且在通信速率上一般串口通信速率為300 bps～115.2 kbps，而實際的跨網數據傳輸數據不大于30 kbit/s，在理論上，串口通信可行；因此，根據以上分析對系統進行了設計，如圖1所示。

根據需求，跨網傳輸的試驗信息實時指揮顯示系統設計為以下部分，試驗網通信發子系統、辦公網通信收子系統、數據處理與存儲子系統、試驗信息實時顯示子系統及數據庫子系統組成[2]，圖1中的遠程實時數據交換軟件是試驗網中固有的通信軟件，試驗數據均從該軟件收發，跨網傳輸的試驗信息就是從遠程實時數據交換軟件發送的數據中，獲取數據源。

各子系統主要功能如下：

(1) 試驗網通信發子系統

接收遠程實時交換軟件發送的試驗信息，并將接收的實時原碼數據包，通過串口進行點對點由試驗網單向傳輸至辦公網；同時數據轉發子系統，能實時監控數據轉發情況，并能夠靈活地串行端口、波特率等參數進行配置。

(2) 辦公網通信收子系統

通過串行端口實時接收數據轉發子系統發送的試驗信息，并同時將該數據轉發給數據處理與存儲子系統，并能實時監控數據收發情況；并能夠靈活的對串行端口、波特率等參數進行配置。

(3) 數據處理與存儲子系統

實時接收數據接收子系統轉發的試驗信息，并按照文件將原碼數據包按照約定解析為要求的數據格式，并將解析后的數據進行記庫；在該子系統界面上能實時監視各類數據接收情況和解析情況，并可對異常數據實時提醒和記錄。

圖1　系統組成Fig.1　System composition

(4) 試驗信息實時顯示子系統

提供B/S模式的試驗信息實時指揮顯示WEB服務，用戶通過客戶端瀏覽器訪問該子系統，實現對試驗信息的實時和歷史數據信息進行瀏覽等應用。實時試驗數據采用準實時的數據交互方式對各類任務數據信息以曲線、圖表及數據字段等多種表現形式顯示任務情況；另外，試驗信息實時顯示子系統為了保證其安全性，具備用戶授權和IP地址授權訪問的功能，對訪問用戶進行合法身份驗證。主要功能模塊包括：

用戶管理模塊，該模塊對用戶進行維護管理、身份驗證，不同級別的用戶其權限不同，信息量顯示不同；

試驗信息管理模塊，該模塊對試驗信息的基礎信息進行添加、刪除、更新及備份的維護管理，并提供試驗信息的總體信息發布功能；

試驗信息顯示模塊，該模塊可根據試驗型號的不同，自動從數據庫中讀取相關基礎信息，提供該次試驗任務的實時數據顯示；

試驗信息數據導出及打印模塊，該模塊根據用戶需求，對選擇的數據進行數據導出及打印功能。

(5) 數據庫子系統

提供數據庫服務，存儲記錄對應的試驗信息。為跨網傳輸的試驗信息實時指揮顯示系統提供實時和歷史數據服務。

2主要技術驗證與應用

2.1串口通信設計

為了提高串口通信的可靠性、完整性及安全性，在串口單向通信中，設計了多線程、數據幀類型校驗、數據幀CRC校驗和數據幀幀長校驗等，試驗網通信發送子系統其數據發送過程如圖2所示。

圖2　數據發送示意圖Fig.2　Sketch map of data sending

首先，系統啟動后，進行串口和UDP端口的初始化，接收從遠程實時數據交換軟件組播發送的試驗信息；將數據幀進行數據類型校驗，如果不是允許發送的數據直接丟棄；否則進行數據幀的CRC校驗，循環冗余碼CRC(cyclical redundancy check)，CRC校驗是一種常用的數據完整性校驗方法，由于實現簡單，檢錯能力強，被廣泛使用在各種數據校驗應用中，是進行數據傳輸差錯檢測的一種有效手段[3]。在串口通信中，系統設置有奇偶校驗，奇偶校驗是CRC校驗的一種特殊情況，由于其漏檢率高，在可靠性和完整性要求高的情況下，CRC校驗更安全可靠[4]。實際應用中采用CRC-16校驗方法實現。最后進行數據幀幀長校驗，由于串口通信發送的是不定長的數據包，在發送端是一幀一幀發送，但在接收端就存在一幀數據多次接收或者多幀數據一次性接收的情況，這樣通過數據幀幀長校驗可將數據幀正確、完整的解析。在串口通信的接收端同樣設計，順序反之。

2.2試驗信息實時顯示子系統設計

B/S模式的試驗信息實時顯示子系統，主要在瀏覽器上以圖表、曲線及數據的方式實時顯示各類試驗信息，是用戶直接交互的終端顯示，難點是任務的實時數據曲線顯示的準實時性，主要解決頁面實時高頻率刷新的屏閃問題、高清底圖的分層顯示、多種數據實時比對及數據曲線的縮放等等。為滿足以上需求，B/S模式的數據顯示采用而ASP.NET中的Ajax技術實現，其采用了DOM模型來交互和動態顯示[5-6]，并且結合了Java，XML，以及JavaScript 的編程技術，這門技術能與服務器之間通過XMLHttpRequest 對象來進行異步通信，打破了傳統使用整體頁面刷新的顯示模式[7-8]。

B/S模式的試驗信息實時顯示工作模式，如圖3所示。

圖3　B/S模式的試驗信息實時顯示機制Fig.3　Data real time display mechanism based on brower/server model

在客戶端，Ajax是富客戶端的工作模式，其在瀏覽器與Web 服務器之間加入了一個Ajax 引擎，通過調用JavaScript 對象的XMLHttpRequest 請求與后臺服務器利用固定接口進行動態通信[9-10]；在后臺服務器進行邏輯運算后再通過異步傳輸機制將已經部分更新HTML 的頁面內容發送給用戶瀏覽器，這樣瀏覽器所得到的響應文件中包含了最新且最必要的數據[11]。網頁中包含JavaScript代碼不必刷新整個頁面，實現頁面的無屏閃局部刷新。Ajax 技術平衡了客戶端與服務端的負載，優化了瀏覽器和服務器端之間的溝通，降低了數據傳輸量，提高了Web 應用的響應速度，服務器端的后臺數據庫的邏輯處理將不會影響到客戶端瀏覽器的變化[12]。由于JavaScript 是解釋型的語言，在數據流量大的初始頁面打開時運行效率受限，初始化完成后，運行效率高，用戶基本感受不到頁面實時刷新[13]。

服務器端，為優化服務器的訪問性能、減少數據流量和服務器負荷，采用ASP.NET中的2種緩存機制來提高性能[14]。第1種應用程序緩存，緩存頻繁訪問的數據，即試驗網實時發送過來存儲在數據庫中的新數據；第2種機制是頁輸出緩存，它保存頁處理輸出，并在用戶再次請求該頁時，不用再次處理該頁，只需重用所保存的輸出頁。同時通過.Net 2.0 引入自定義緩存依賴項，基于MS-SQL Server 的SqlCacheDependency特性，可以避免“數據過期”的問題，它能夠根據設置的數據庫中相應數據的變化，通知緩存，并移除那些過期的數據[15]。

3系統驗證

3.1驗證平臺構成

在軟件開發機房部署對應的軟硬件，采用仿真數據，模擬試驗網向辦公網發送測試數據，驗證跨網傳輸的試驗信息實時查詢系統原型及其實現關鍵技術的可行性、可靠性、準確性及安全性。重點測試試驗IP網與辦公網實時數據傳輸速率的可靠性和安全性，測試B/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統的顯示準確性、實時性和可靠性，以及對訪問量及性能測試等等。

系統硬件設備主要包括：

(1) 試驗網通信發微機(試驗網通信子系統)+ RS232串口通信卡；

(2) 辦公網通信收微機(辦公網通信子系統)+ RS232串口通信卡；

(3) 數據處理與記庫微機(數據處理與存儲子系統)；

(4) IIS服務微機(試驗信息實時顯示子系統)；

(5) 數據庫服務器 (數據庫子系統)。

2個RS232串口通信卡之間通過1.25 m RS-232連接線點對點連接。

如圖4所示，在該驗證平臺中，將辦公網通信子系統、數據處理與存儲子系統及數據庫子系統部屬在一臺微機上，這樣部署有利于保證數據的完整性和安全性，避免鏈路問題導致數據丟失。將試驗信息實時顯示子系統部署在一臺微機上， 發布其IIS服務，以供用戶訪問。

3.2驗證結果

通過軟硬件部屬，數據仿真發送以往任務的記盤數據，按照200幀/s的頻率發送各類遙外測數據，串口通信的數據收發均正常，無丟幀、錯幀，誤碼率為零，數據庫記庫數據的幀數與發送的各類數據幀數一致，在運行過程中，通過客戶端瀏覽器訪問各類任務數據，均顯示正常，且實時數據曲線以每秒局部刷新且無屏閃。具體實現界面，如圖5、圖6所示。數據仿真、串口通信以及B/S實時顯示之間的數據一致。

圖4　系統部署圖Fig.4　System deployment diagram

圖5　串口通信數據發送界面Fig.5　Serial communication data sending interface

圖6　實時數據曲線顯示頁面Fig.6　Real time data curve display Webpage

4結束語

本文研究的跨網傳輸的B/S模式的試驗信息實時指揮顯示系統，通過串口通信方法解決了不同局域網之間數據通信的安全性和可靠性，通過Ajax技術和服務器端兩級緩存的應用，實現了試驗任務信息的瀏覽器頁面高實時性、無屏閃局部刷新，減少數據流量和服務器負荷，保證了高效的服務器訪問性能。

參考文獻：

[1]賴榮旭，鐘瑋.計算機病毒與防范技術[M].北京：清華大學出版社，2011.

LAI Rong-xu, ZHONG Wei. Computer Virus and Prevention Technology[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2011.

[2]王治國，蔡潤南.系統工程在反導裝備體系建設中的應用研究[J].現代防御技術，2015,43(1):14-17.

WANG Zhi-guo, CAI Run-nan. Research on Application of System Engineering in Constructions of Anti-mission Equipment Systems[J]. Modern Defence Technology, 2015, 43 (1):14-17.

[3]王硯秋.基于串口通信的人機交互系統的設計與實現[D].武漢：華中科技大學，2011.

WANG Yan-qiu. The Design and Implementation of Human-computer Interaction System Based on Serial Communication[D].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2011.

[4]何航峰，鄭步生.一種DSP高可靠性快速數據傳輸方法的研究[J]. 電子器件，2014,37(1):157-161.HE Hang-feng, ZHENG Bu-sheng. Study on High-Reliability and High-Speed Data Transmission on DSP[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2014, 37 (1):157-161.

[5]施偉偉，張蓓.征服AJAX Web 2.0 快速入門和項目實踐[M]．北京: 人民郵電出版社，2007．

SHI Wei-wei, ZHANG Bei. Conquer Web AJAX 2.0 Quick Entry and Project Practice[M]. Beijing: People’s Posts and Telecommunications Press, 2007.

[6]費冬冬.挑戰Javascript & Ajax 應用開發[M]． 北京: 機械工業出版社，2008．

FEI Dong-dong, Challenge Javascript & Ajax Application Development [M]. Beijing: Machinery Industry Press, 2008.

[7]李卿，樓新遠.基于AJAX 的數據分頁的設計與實現[J]． 成都信息工程學院學報，2008,23( 2) : 191-194．LI Qing, LOU Xin-yuan. Design and Implementation of Data Paging Based on AJAX[J]. Journal of Chengdu University of Information Technology, 2008, 23(2):191-194．

[8]熊文，熊淑華，孫旭，等.Ajax 技術在Web2.0 網站設計中的應用研究[J]. 計算機技術與發展，2012,22(3):145-148．

XIONG Wen, XIONG Shu-hua,SUN Xu,et al. Application Research of Ajax in Web2.0 Website Design[J]. Computer Technology and Decelopment,2012,22(3): 145-148．

[9]盧業敏.基于Web Services和Ajax的CIMS開發方式研究[D].武漢：湖北工業大學，2012.

LU Ye-min. Research on CIMS Development Mode Based on Web Services and Ajax[D].Wuhan: Hubei University of Technology, 2012.

[10]仇曉靜.基于WEB的遠程監控系統實時信息關鍵技術研究[D].南京：南京理工大學，2013.

QIU Xiao-jing. Research on the Key Technology of Real Time Information of Remote Monitoring System Based on WEB[D]. Nanjing:Nanjing University of Science and Technology, 2013.

[11]張天宮，徐婧，宋昊. Ajax技術在WebGIS系統中的性能優化研究[J].現代電子技術，2013,36(11)：162-164.

ZHANG Tian-gong, XU Jing, SONG Hao. Performance Optimization Research of Ajax Technology Used in WebGIS system[J]. Modern Electronics Technique, 2013, 36(11):162-164.

[12]周揚.AJAX應用的典型設計模式[J].計算機系統應用，2011,20(1):128-132.

ZHOU Yang. Typical AJAX Design Patterns[J]. Computer System Application, 2011,20(1):128-132.

[13]王鵬，吳曉東，楊華民.基于不同數據傳輸格式對Ajax實時性響應影響的研究[J].長春理工大學學報：自然科學版,2011,34(2)：146-149.

WANG Peng, WU Xiao-dong, YANG Hua-min. Study on Different Data Transmission Formats’ Impacts of Ajax’s Real Time Response[J]. Journal of Changchun University of Science and Technology：Natural Science ed, 2011,34(2):146-149.

[14]唐倩.Ajax技術在Web應用框架中研究及應用[D]. 武漢：湖北大學，2014.

TANG Qian. Ajax Technology Research and Application in the Web Application Framework[D]. Wuhan:Hubei University, 2014.

[15]Herbert Schildt. C# 4.0完全參考手冊[M].北京：清華大學出版社，2010.

Herbert Schildt. C# 4.0 Complete Reference Manual[M]. Beijing: Tsinghua University Press, 2010.

Design of Real Time Task Data Command and Display System Based on Cross Network Transmission

WANG Hua, ZHANG De-hua, WU Hui-hua, ZHOU Yong, SHI Bin

(Satellite Maritime Tracking and Control Departmen of China,Jiangsu Jiangyin 214431, China)

Abstract:According to the characteristics of the maritime tracking and control missions, a kind of task data real time command and display system, brower/server model based on the cross network transmission, is designed. Firstly, the serial port data communication method based on across a network data transmission is introduced. It settles the security and reliability of data communication. Secondly, the Ajax technology and server two layers data caches technology reduces the data flow of the internet and server load, and some key technology are resolved, such as the high real time of data display, data and curve display way of local refresh and so on. Finally, the system architecture and realization method are tested and verified.

Key words:real time display; serial port communication; Ajax technology; data caches; browse/server model; no screen flash

*收稿日期：2015-05-05；修回日期：2015-07-16

作者簡介：王華(1977-)，女，河南汝南人。高工，碩士，研究方向指揮顯示及軟件系統架構等。

通信地址：214431江蘇省江陰市103信箱505號E-mail：whwindcolor@126.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.013

中圖分類號：TP391

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-03-0078-06