基于无线Java的远程监控系统研究周国祥.pdf

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1、基于无线 J a v a的远程监控系统研究周国祥.等基于无线J a v a 的远程监控系统研究S t u d y o n R e mo t e Mo n it o r in g S y s t e m B a s e d o n Wi r e l e s s J a v a 周围祥IH咸家(上海交通大学机电校制研究所.上海2 0 0 0 3 0)摘要:介绍了如何应用无线J a v a 技术构造新型远程监控系统。阐述了无线J a v a 的特点及其应用程序M I D Ie t 的开发过程。探讨了基于无线J a v。远程监控系统的结构，并利用集J 2 M E和G P R S功能为一体的T C A

2、5模块，开发了远程监控平台，实现了数据的远程传输和现场设备的实时监控。实践表明:该系统性能稳定.使用方便，显示P 无线J a v。技术在远程监控领域中广阔的应用前景。关健词:无线空中下载远程监控中图分类号:T P 2 7 4+5文献标识码:AAb s tra c t:T h e m e t h o d o f c o n s tr u c t in g n o v e l rem o t e m o n ito r in g s y s t e m b y u s i n g w ir e l e s s J a v a is i n tro d u c e d.T h e f t u n e

3、 s o f w irele s s J a v a a n dt h e d e v e lo p e d p r o c e d u re s o f its a p p l ic a ti o n p rog r a m M I D I e t a re d e s c r ib e d.T h e s t ru c tu r e o f th e rem o t e m o n i to ri n g s y s te m b a s e d o n w i re le s s J a v ais i n v e s tig a t e d,a n d th e re m o t e

4、mo n it o ri n g p la tf o r m i s d e v e lo p e d b y u s in g T C 4 5 m o d u le t h a t i s i n t e g r a t in g J 2 M E a n d G P R S f u n c t io n,th e lo n gd is t a n c e tr a n s m is s i o n o f d a t a a n d re a l t im e m o n ito ri n g o f fi e ld d e v i c e s a r e i m p le m e n te

5、 d.T h e p r a c ti c e s h o w s th a t th e sy s t e m is s t a b le a n d e a s y t ou s e,th i s re v e a ls t h e a p p l ic a b le p ros p e c t s o f w inc l e s a J a v a t e c h n o lo g y in re m o te mo m t o r in g fi e l d s.K e y w o r d s;W ire l e s s D o w n l o a d o n th e a ir R

6、e m o te m o n i to ri n g0 引言 I n t e m e，的应用推动了工业控制领域远程监控技术的发展。但对于其他领域(如气象、环保、地质、水文、农业等)的远程监控系统 这种有线网络通信的方式不再适用，因此基于G S M/G P R S、专用 A M/F M无线方式的远程监控系统在近年来得到 r 越来越广泛的应用。其中，由于G S M/G P R S,C D M A公司技术成熟 应用系统初期投资低，组网方便，维护简单，所以成为节点分散、实时性要求相对不严格的远程测控系统的首选。远程监控系统的现场终端一般采用嵌人式结构，它对耗电量有较严格的要求，并且微控制器处理速度较低

7、、存储单元少，如水文无人监控站、气象监测点以及 P O S 机等。随着实际应用要求的不断提高，现有无线远程监控技术面临新的挑战:要求具备更高的数据传输速度，支持内部应用程序自动升级，以及实现开放式软硬件系统结构。最近发展起来的无线J a v a 技术具备平台无关性，代码短小，并且支持程序实时下载、动态加载运行，将在该领域发挥重要的作用。支持 J 2 M E的嵌人式设备融合了J a v a 和G P R S无线网络技术的优点将推动远程监控系统朝着智能化方向发展。本文以内嵌 J 2 M E和G P R S 功能的S i m e n s T C 4 5 模块为例，组建无线远程监控平台，探讨无线J a

8、 v a 技术在嵌人式测控系统中的应用。1 无线 J a v a 及J 2 ME应用程序的特点1.1 无线 J a v a概述 J 2 M E技术定义和标准化了一种可移植的无线应用开发环境，它提升了嵌人式无线设备的I n te r n e t 访问能力，支持设备应用软件的动态下载。无线J a v a 采用J 2 M E的基本J a v a 平台，是为了支持小型嵌入式或移动设备而推出的一系列技术和规范的总称。G P R S 的应用使J a v a 技术和J 2 ME平台得U为无线网络服务。J 2 M E在设备的操作系统上建造了3层软 件:虚 拟机J V M(j a v a v i r tu a

9、l m a c h i n e);配置层(c o n-fi g u r a t io n);描述层(p r o f i l e)。根据嵌人式设备功能的不同,J 2 M E的配置层定义了两类设备:针对运算功能有限、供电受限的嵌人式设备，如P D A、手机等手持式设备，采用C L D C(c o n n e c t e d l im i t e d d e v i c e c o n f i g u r a-d o 时规范;针对运算能力相对较强、电力供应相对充足的嵌人式装置，如机顶盒、高端通信设备、家电控制器、车载电子设备等，应用C D C(c o n n e c t e d d e v i c

10、e c o n-f ig u r a t i o n)规范。对于移动便携式设备而言，定义在C L D C之上的P ro f i le称为M I D P(m o o i le i n fo r m a t i o n d e-v i c e p ro f il e)a1.2 1 2 11 1 E应用程序的特征 J 2 M E是J a v a 2的袖珍版本，具有如下特征:充分P R OC E S S A U T OMAT I ON INS T R U ME N T A TIO N V o l,2 7 No.2 F e b r u a r y 2 0 0 6基于无线J a v a 的远程监控系统研究

11、周国祥.等利用 J a v a 语言跨平台运行的优势，为无线设备创建了一个全新的开发平台，利于组建一个兼容各种现场设备的大型系统;通过 C L D C和 M I D P 建立底层和应用层2 个级别的安全模型，保证程序运行的安全性;由于代码较少，适用于在存储器空间受限的嵌人式设备上运行;支持程序动态加载，可以通过空中下载方式从特定网站下载应用程序井在本地设备即时运行。M I D P的应用程序称为 M I D l e t，运行在J 2 M E虚拟机K V M之上。在支持J 2 M E的设备上都有M I D Ie t 运行环境。M I D l e t 有暂停、运行和退出等3个运行状态。M I D P

12、 支持网络接C a 使得 M I D l e t 具有很强的网络通信能力。不同厂商的移动信息设备在底层可能支持或不支持T C P/I P网络，但是在上层都必须支持H t t p协议，所以每个 J 2 ME 设备都能以C l i e n t/S e r v e r 方式直接访问I n te r n e t 的全部信息，不同的 C h e a t 访问不同的文件。M I D I e t 应用程序在宿主机上开发，在嵌人式设备中运行。S U N公司、J 2 M E设备制造商以及第三方软件商为手机和其他嵌人式设备的开发提供了多种开发工具包。程 序更新的过 程称为O T A P(o v e r-t h e

13、-a ir p ro v is i o n i n g)o为兼容各种J 2 M E设备，应用程序中的网络通信一般使用 H tt p 协议。设备中初始 M I D I e t 程序的下载通过R S-2 3 2口或者 U S B接 口实现。2 无线J a v a远程监控系统的组成 移动通信供应商推出了J a v a 无线数据增值业务，只要将支持J a v a 功能的手机终端通过 G P R S 方式接人无线J a v a 服务平台，就可以方便地享受类似于I n te rne t上提供的各种服务，如下载游戏、收发邮件、阅读电子数据、查询电子地图等。除个人移动通信外，无线】a v a在工业远程监控领域

14、也显现出巨大活力。图 1 所示为利用无线J a v a 技术组建的远程监控系统。图 1 基于无线J a v a 的远程监控系统组成原理 F i g.I C o m p o s it i o n a l p r in c ip l e o f w ir e l e s s J a v a b a s e d r e m o t e mo n i to r i n g s y s te m 系统主要由4大部分组成:空中下载控制中心、监测终端站、移动通信网络、空中下载服务器。它融合 了短消息、无线网络数据传输,J a v a 程序空中下载与自动加载技术，提升了系统的智能化程度。现场测控终端的嵌人式设

15、备需要支持J 2 M E和G S M/G P R S 通信。借助于G P R S 无线网络，监测终端能通过 H t tp等通信方式实现程序的自动更新、现场数据和设备信息的传送。自动化仪表 第 2 7 卷第 2 期2 0 0 6年2月3 基于无线J a v a 的应用系统实现 下面以支持J 2 M E的多功能G P R S 模块T C 4 5 构建远程监控系统平台，实现了数据远程传输和现场设备远程控制。3.1 G P R S 通信模块 T C 4 5 是S ie m e n:为工业应用推出的新一代G P R S无线M o d e m，具备语音与数据通信、短消息和无线传真功能。它依靠内嵌的J 2

16、M E技术支持机器间的通信(M 2 M)，具有独立控制应用软件的功能。通过 A T命令可以从T C 4 5 模块的4 0引脚中配置出2 个 R S-2 3 2口(A S C,A S C,),G P I O(通用数宁输人输出接口)和D A I(数字音频接口)。因此，不用任何外部控制器和其它复杂外围电路，利用该模块就可组建一个完整的远程监控系统。对T C 4 5 硬件资源的控制方式有两种:通过串口A S C。直接发送 A T命令进行控制或者由模块内部的M I D I e t 程序实现控制。T C 4 5内部已经预装 K V M,C L D C,M I D P,编译好的M I D I e t 程序可

17、通过串口下载到该模块中。通过串口A T命令可以切换M I D Ie t 的运行方式;运行J a v a 程序后，在 M I D I e t 程序内部可实现对A S C o,A S C G P I O,D A I的控制，也可接 收短消息(S MS)、利用G P R S实现数据传输;可以触发空中下载O T A过程。模块的J a v a 环境包括K V M,A T命令A P I,F l a s h 文件系 统操 作A P I,A S C，串口 通信A P I)、I M P 1,0(指向T C P/I P的 A P I)等。M I D I e t 可控制的资源有F l a s h 文件系 统、内部T

18、C P/1 P 协议栈、G P I O口、A S C,口和A T解析器。3.2 系统的硬件组成 现场控制端主要由 T C 4 5模块、S I M卡及接 口电路、稳压电源子系统、模块启动电路、天线、光藕隔离、控制设 备和开 关量传感器等组成，如图2 所示。T C 4 5模块完成主控和数据传输的功能，可以与现场智能设备进行串口通信，或者直接接收设备的开关量信号或输出数字控制信号。对 C P I O进行设置的A T命令为a t;州a,a C s h 咖,把G P I O端口 的氏一 P，设 置为A S C，后，如果 模块中 没有J a v a 程序运 行，可以 通过A S C。或A S C，发送A

19、T 命令来控制模块，同时A S C:作为模块的第 2 个串口，也可以与串口设备通信;当启动J a v a 程序后,A S C o 用作基于无线J a v a 的远程监控系统研究周国祥，等 图 2远 程 控 制 终 端 硬 件 组 成 原 理 F ig.2 H a r d w a r e c o m p o s it i o n a l p ri n c ip l e o f r e mo t e c o n tr o l te r m i n a l开发环境的调试接口，输出J a v a 程序中的S y s te m.o u t)方法的结果，A S C，只能作为普通R S-2 3 2串口使用，

20、不接收A T命令。3.3 应用程序Mml e t 的开发 M I D I e t 的开发环境由J D K 1.4,J b u i l d e r E n t e r p r i s eM o b i l e s e t 3 和西门子公司提供的T C 4 5 S M T K(s i e m e n sm o b i li t y to o l k it)软件包组成。在该开发环境完成M I D I e t 程序的编辑、编译、模拟调试等。S M T K的I M P I.0是由S i e m e n s 公司开发的M I D P裁减版本，是M I D P l.0 的子集。I M P I.0 提供的T

21、C P/I P接口有数据报、H t tp连接、流连接。本平台系统中的 M I D I e t 采用H t l p 通信协 议，并由A T 命令(a t-s j n e t)设定网 络连 接方 式为G P R S o 在 P C机上开发 M I D l e.时，首先将 编写好的M I D I e t 源程序编译生成类文件，然后创建J A R文件和J A D文件来封装这些程序，即为 M I D I e t 套件，最后把M I D I e t 套件下载到，C 4 5的F la s h 文件系统中。M I D I e t套件由以下几部分组成:叨 a v a 类文件，位于J A R文件中;文件名为。i

22、f e s t m f 的清单文件，描述J A P文件内容;附在J A P文件中的资源(如图片)和J a v a应用程序描述符文件(J A D)。为了实现O T A程序下载，必须存在清单文件和.j a d 文件，而且清单文件中至少包含6 个基本属性。M I D le t 程序中3 个状态的改变由几个M I D l e t，接 口来完成:p a u s e A p p(),s ta r tA p p(),d e-s t ro y A p p()、n o t if y D e s t r o y e d)、n o t if y P a u s e d)、r e s u m-e R e q u e

23、s t()等。模块内部的MI D l e t 有手动和自动两种运行模式。手动 启动 模式中，每次都需要通过串1 A S C。发送a t s e r a 命令。当使用 a t s cf g命令将模块设置为自动启动模 式时，模块每次启动即自 动运行M I D l e t。图3 所示为T C 4 5 模块上运行应用程序 M I D l e t 的数据流程。M I D l e t 启动之后，J v m对J A R文件进行解释，并将接 图3 T C 4 5内部 J a,a 应用程序运行流程F i g.3 O p e r a ti n g fl o w c h a rt o f J a v a a p p

24、 l i c a t io n p rog r a m i n s i d e T C 4 5口调用到模块环境中。3.4 O T A部署与程序下载 M I D l e t 程序套件有2种下载方法:串口下载，在P C机端通过串行口 A S C。和通信套件 M o d u l eE x c h a n g e S u i t e 来完成，用于模块初始程序的装载;远程O T A I，装载，通过 C P R S 无线网络将 M I D l e t 下载到模块。T C 4 5中的()T A P 操作过程可描述为(如图4所示):控制中心的O T A I，控制器以规定格式往监控终端的T C 4 5发送短消息

25、，进行 S M验证(短消息授权验证)和下载参数设定，通过认证后发送参数“S T A R T:i n s t a l l ，启动程序下载过程;)T C 4 5向J a v a 应用程序服务器发送H t tp请求，然后与服务器进行授权认证，确 认之后下载 应用描述符.j a d 文件;根据J A D 文件中的地址属性 M I D l e t-J a r-U R L 从空巾下载服务器下载J A P文件，通过属性值一致性验证之后，模块将自 动安装M I D l e t 套件，并改变为自动启动模式，系统重启并指向新的程序。如果在发生 O T A P错误或者操作超时，模块内仍运行旧程序。O T A P 过

26、程还可实现模块内部文件或目 录的删除。S M验证、应用描述符通过验证和 M I D l e t 套件的自动装载均由模块内部的应用程序管理器完成。P C 机 图4 T C 4 5的O T A P操作过程F i g.4 O T A P o p e r a t i n g p r o c e s s o f T C 4 5本系统的H tt p 服务器运行 W i n d o w s 2 0 0 0 S E R V E RP RO C E S S A U T OMAT I ON I NS T R U ME N T A T I ON V o l.2 7 N o.2 F e b r u a ry 2 0

27、0 6基于无线J a v a的远程监控 系统研究周国样.等系统，安装了网 络发布工具I I S 6.0，并把编译好的.j a r和.j a d文件放在发布 目录下，以短消息通信终端T C 3 5 T 为O T A P控制器，通过串口接到P C机，在P C 机上编制V B 6.0应用程序，发送 A T命令控制 O T A P过程。短消息的发送规范可以参考文献【2 。本系统的短消息使用P D U格式的8位编码方式，发送内容遵循T C 4 5特定格式要求，在短消息中包含一组键值和参数值，每个消息中必须有包含首行 O T A P 识别符和密码。由于一个消息发送的参数长度最大为 1 4 0个字符，所以有

28、些参数可能分布在几个短消息巾。为了避免由于操作命令短消息延迟问题而导致错误，需要保证消息之间的发送间隔在1 0s 以上。3.5保证系统安全的措施 由于T C 4 5对 C L D C/M I D P安全模型作了很多简化，为了保证远程监控系统中T C 4 5模块内部文件系统和程序的安全，需要采取如下措施:对模块的串口进行机械保护;)O T A P过程必须使用S M验证;尽量使用命令。s j o t a p 将参数设置为固定值，而不通过 O T A P修改;通过授权进行路由验证，保证 H t tp服务器的安全。基本参数预先由 A T命令设置而不用S M命令改写:应用程序目录,J A D文件下载网址

29、、H t tp服务器用户名及密码、网络承载方式(G P R S或 C S D)、无线 网络登陆用户名、密码及 D N S 等。3.6 致据传输的实现 M I D l e t 中的串u读写子程序和1/0读写子程序完成现场数据与设备信息的采集，并将处理结果通过G P R S 方式发送到服务器;反之，服务器以G S M短消息方式发送指令，T C 4 5将接收到的指令解析后通过A S C,G P I O 控制现场设备。选择H t t p 协议进行数据传输，在H t t p 的输人流、输出流中接收或发送数据。首先通过S e t R e q u e s t M e th o d)方法设置数据发送方式为P

30、O S T，以字符串方式发送和接收数据，同时在服务器端启动白 行编制的S e n l e t 程序。4 结束语 无线J a v a 技术为现场设备提供“嵌人式智能”，改变了远程监控系统的结构，提升了系统性能。我们将本文开发的远程监控平台应用于上海市某区环保局的环境监测系统中，安装有2 0 0 个监测终端，分别位于重要公共生活区、水域和排污重点防护企业。在每个监测终端上，T C 4 5模块与温度计、湿度传感器、空气浊度传感器连接，实时采集现场的温湿度、空气质量等信息，并通过 G P R S网络发送到监控中心。该系统结构简单、性能稳定、开发周期短 实现了数据的高速传输和应用程序的自动更新，显示出J

31、 2 M E和无线 J a、技术在远程监控领域广阔的应用前景。参 考 文 献1 魏冬健，高一济 基于J 2 M E平台的无线设备应用系统开发 J 了 计算机应用研究，2 0 0 2,1 9(1 0);1 4 6一 1 4 8.2 周国祥，苗玉彬，刘成良，等 基于G P S/G S M的产量远程监测系 统设计【J l-T F m机工程与应用，2 0 0 4,4 0(3 0):1-43 卢 军.J 2 M E应用程序开发 M北京:中国铁道出版社，2 0 0 2.4 Y u F r s g,J u n Z h u著，林琪译.J 2 M E程序设计 M.北京:中国电 力出版社2 0 0 35 S i-

32、A G.T C 4 5 J A V A U s e r s G u id e-0 1 E B/O L I.2 0 0 3-0 5 h t tp:/w w w.s ie m e n s.c o m6 S im e n s A G.T C 4 5 H a r d w a re ln t e rf a ce D c s c a lp t io n-0 1.0 0 a E B/0 1.1.2 0 0 3-0 6 h tt p/w w w.s i e m e n s.c u m IQ家 8 6 3”计划(编号:2(0 3 A A 2 0 9 0 1 0)和 pq家0IIK 科学基金(编号:5 0 1 2

33、 8 5 0 4)0 收稿 日 期:2 0 0 5-0 S-2 5 第一 作 者周国祥，男,1 9 7 7 年 生，2 002 年 毕业于沈 阳工业大 学.获得硕 士学位 主要研究方 向为 工 业自 动化 自然 信 号处 理(上接第1 7页)参 考 文献I陈芝久 董闰平，路晓丽一 桑塔纳 G L 型)轿车空调系统整体性能 优化研究【1 7.流体机械，,2 001,2 9(8),1 3 一 1 6.2 祁照岗，陈江平，胡伟 汽车空调风道系统C N D研究与优化 J l汽车工程,2 005,2 7(1):4 1-4 5.3 易 生海，康 晓敦 Frees-.ale L I N总线应用 开发平 台

34、扛 J 今 口电子，2 0 0 4,2 6(5):2 3-2 54 沈军，刘维华，陈芝久，等 应用模糊控制器控制轿车空调制冷 及风道系统 J 汽车工程 2 0 0 1.1 2 3(4):1 5 一 2 25 K i k u t s n i.f f e g e m u n.D e v e lo p m e n t o f a u to a tr-c o n d i t io n e r s o f tw a re自动化仪表 第2 7卷第2期2 0 0 6年2月u s in g S tt u c t-d M e th o d s A .K a z u o.D e s ig n a n d P e

35、l f-e o fc lin s a t e c o n t m l S y s to m s c .S A E S p e n ia n o f P u b 6 e a ti o n s:H e r t y,2 0 0 4:2 1 3 一 2 2 8.K ih o n g P e c k.A s tu d y o n th e b r a k e-b y-w i re s y s te m u s i n g h u u lw o re-in-l o o p s im u la t io n 二 1 了ln t e m a t io n a l J o u r n a l o f V e h ic le D e s i g n,2 0 0 41 3 6(1):4 4 一 5 6 修 改 稿收，s 9 日 期 2 0 0 5 一 朋 一 l o,第一 作者 刘玉平 女，1 9 7 5 年 生，现为哈 尔 滨工业大李威海校 区车辆工程 专 业在读硕 士 研 究生.助理工程 师;主要研 究万向 为车辆空调 自动控 制 系统