海底示蹤氣體原位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：為了自動(dòng)探測(cè)海底中氫氣、氧氣、氮?dú)狻⒓淄榈仁聚櫄怏w含量，同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院研制了一套海底示蹤氣體原位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。本文以這套系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制軟件為例，研究了建立海底示蹤氣體原位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)步驟以及實(shí)現(xiàn)方法，提出了一種將所有數(shù)據(jù)包抽象成一個(gè)抽象類，讓繼承類去重寫(xiě)發(fā)送函數(shù)和處理函數(shù)的方法，極大的提高了通信協(xié)議的可擴(kuò)展性以及穩(wěn)定性；在通信過(guò)程中，先將接收的數(shù)據(jù)存入鏈表中，讓后臺(tái)線程處理鏈表中的數(shù)據(jù)，從而將通信業(yè)務(wù)與邏輯處理分開(kāi)，提高通信的效率，從應(yīng)用程序?qū)哟伪ＷC了通信的實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用層協(xié)議；海底觀測(cè)網(wǎng)；抽象類；遠(yuǎn)程控制；海底示蹤氣體

中圖分類號(hào)：TP274.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2014） 02-0000-03

當(dāng)前地球科學(xué)研究的最大特點(diǎn)在于觀測(cè)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，如果把地面與海面看作地球科學(xué)的第一個(gè)觀測(cè)平臺(tái)，把空中的遙測(cè)遙感看作第二個(gè)觀測(cè)平臺(tái)，那么海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)是繼對(duì)地面/洋面、空中之后，觀測(cè)地球系統(tǒng)的第三個(gè)平臺(tái)[1]。一個(gè)完整地海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上可以分為基站部分，海底接駁盒，海底電壓轉(zhuǎn)換設(shè)備以及科學(xué)儀器[2]。觀測(cè)海底的主要目的是探測(cè)和理解大洋系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)等過(guò)程，而深海中溶解態(tài)氣體與這些過(guò)程密切相關(guān)[6]，利用這些標(biāo)志性氣體的異常信息尋找海底的成礦礦區(qū)，是當(dāng)前國(guó)際上找礦的重要發(fā)展趨勢(shì)之一，研究這些氣體的在深海中的含量具有深刻意義[7]。因此，如何在海底原位自動(dòng)觀測(cè)這些示蹤氣體含量，研制相關(guān)的深海儀器成為海底觀測(cè)網(wǎng)研究與建設(shè)迫切需要解決的科學(xué)問(wèn)題。

一、系統(tǒng)分析

如果將深海中溶解態(tài)氣體樣本采集回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，由于室內(nèi)的溫度、壓力等與海底的差別，氣體的含量、成分可能會(huì)發(fā)生變化，所以最好的方法是將實(shí)驗(yàn)室的儀器投到海底去分析樣品[1]。本文所支持的海底示蹤氣體原位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)就是以氣象色譜為基礎(chǔ)建立的一套自動(dòng)分析海底示蹤氣體成分與含量的科學(xué)儀器（圖1），該系統(tǒng)可作為科學(xué)儀器布置在海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的末端，原地實(shí)時(shí)探測(cè)海底H2、CH4、CO2、N2的含量，然后將采集的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程控制軟件和岸基站海底觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

二、通信協(xié)議分析

在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，考慮到海底環(huán)境的特殊性、系統(tǒng)本身的復(fù)雜性和儀器多樣性，通信協(xié)議設(shè)計(jì)需要注意如下幾點(diǎn)：（1）穩(wěn)定性。海底數(shù)據(jù)的采集是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，需要24小時(shí)不間斷的采集數(shù)據(jù)，并將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送回岸基/船基遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和海底觀測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，良好的穩(wěn)定性是保證通信持續(xù)進(jìn)行的保證。（2）實(shí)時(shí)性。為了保證岸基/船基工作人員在第一時(shí)間觀測(cè)到海底數(shù)據(jù)發(fā)生的變化，通信協(xié)議應(yīng)該具有較高的實(shí)時(shí)性。（3）可擴(kuò)展性。海底觀測(cè)網(wǎng)處在不斷的發(fā)展與完善階段，在以后可能會(huì)有更多先進(jìn)的設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)中，所以通信協(xié)議也會(huì)不斷的擴(kuò)展，良好的擴(kuò)展性能保證能夠給系統(tǒng)的維護(hù)修改帶來(lái)方便。

三、通信協(xié)議設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)包是通信傳輸中的數(shù)據(jù)單位，數(shù)據(jù)包格式的設(shè)計(jì)直接影響到數(shù)據(jù)的傳輸與解析效率。本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括：注冊(cè)信息、指令數(shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

（一）數(shù)據(jù)包定義

在數(shù)據(jù)通信過(guò)程中，每個(gè)數(shù)據(jù)包都包括四個(gè)部分：PackageLen（數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度）、Head（頭結(jié)構(gòu)）、Body（主體結(jié)構(gòu)）、ACK（校驗(yàn)）。其中PackageLen、Head、ACK是公共的部分，但對(duì)于Body結(jié)構(gòu)體，不同的消息具有不同的內(nèi)容。

（二）數(shù)據(jù)格式定義

在整個(gè)系統(tǒng)中，水下中央控制單元（CCS）是服務(wù)器，其它設(shè)備都以客戶端的形式與CCS連接。當(dāng)其它設(shè)備第一次連接服務(wù)器時(shí)，必須發(fā)送數(shù)據(jù)類型為0xFF的數(shù)據(jù)包（圖2），在服務(wù)器端進(jìn)行注冊(cè)，以便中央控制單元為其建立連接。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)海底水下設(shè)備的控制，需要通過(guò)遠(yuǎn)程控制軟件向水下中央控制單元發(fā)送控制命令。指令數(shù)據(jù)包括中央控制系統(tǒng)控制命令數(shù)據(jù)和電路儀器控制命令數(shù)據(jù)。

中央控制單元控制命令包括系統(tǒng)運(yùn)行模式控制命令和GC控制命令。這兩個(gè)指令決定了水下中央控制單元（CCS）和水下氣體分析裝置（GC）的工作狀態(tài)（圖3）。

電路設(shè)備控制命令主要用來(lái)控制各個(gè)部分的電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)，包括各模塊電源開(kāi)關(guān)、電機(jī)與閥控制命令、步進(jìn)電機(jī)控制命令（圖4）。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括中央控制單元監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、中央控制單元電源參數(shù)和GC分析數(shù)據(jù)。中央控制單元監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要傳送水下設(shè)備艙的溫度、壓力數(shù)據(jù)以及GC的狀態(tài)數(shù)據(jù)。

為了遠(yuǎn)程監(jiān)視海底設(shè)備的工作狀態(tài)，中央控制單元實(shí)時(shí)采集電流數(shù)據(jù)、電壓數(shù)據(jù)、電源開(kāi)關(guān)狀態(tài)、步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)、電磁閥狀態(tài)、系統(tǒng)溫度等電源參數(shù)數(shù)據(jù)后，發(fā)送給遠(yuǎn)程控制軟件。中央控制單元電源參數(shù)如圖6所示。

GC分析數(shù)據(jù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)分為三個(gè)部分，包編號(hào)、時(shí)間數(shù)據(jù)、氣體分析結(jié)果（氫氣、氧氣、氮?dú)狻⒓淄楹浚鳉怏w分析結(jié)果分別用4Byte表示（圖7）。

四、通信協(xié)議設(shè)計(jì)

（一）協(xié)議內(nèi)容的類設(shè)計(jì)

從數(shù)據(jù)格式的定義中可知，通信協(xié)議內(nèi)容（數(shù)據(jù)包）的整體結(jié)構(gòu)相同，只有Body（數(shù)據(jù)體）部分存在差別，故將所有的數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)成如圖8所示的類結(jié)構(gòu)。CDataBase為基類，該類為抽象類，不能定義該類型的對(duì)象，其它的數(shù)據(jù)類型繼承于該類。

在圖9中，CDataBase類為所有數(shù)據(jù)包類型的基類，它是一個(gè)抽象類。在該類中有SendData（）和ProcessIO（）兩個(gè)純虛函數(shù)，這兩個(gè)函數(shù)代表了每一種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)都必須具有的操作，繼承類必須重寫(xiě)這些函數(shù)。SendData（）函數(shù)表示發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)包中的內(nèi)容，ProcessIO（）函數(shù)的功能是處理接收到的當(dāng)前類型的數(shù)據(jù)，例如存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示等等。在基類中還定義了一些公共接口函數(shù)，比如CountCheckSum（），SendAnswerData（）等函數(shù)。其中CountCheckSum（）函數(shù)的功能是計(jì)算校驗(yàn)和，SendAnswerData（）的功能是發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)。

（二）通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)及測(cè)試結(jié)果分析

1.通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

在遠(yuǎn)程控制軟件中，采用Microsoft visual C++2005實(shí)現(xiàn)了本文設(shè)計(jì)的通信協(xié)議，通信的主要流程如圖9所示。

在圖9中，遠(yuǎn)程控制軟件向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求，如果連接成功，則調(diào)用CRCCSSocket類中的Recv（）函數(shù)接收數(shù)據(jù)，將接受的數(shù)據(jù)存入CRCCSList中，然后調(diào)用CDataBase中的ProcessIO（）函數(shù)處理接收的數(shù)據(jù)，最后調(diào)用CDataBase中的SendAnswerACK（）函數(shù)應(yīng)答數(shù)據(jù)包，通知服務(wù)器正確收到該數(shù)據(jù)，本次通信結(jié)束。

2.軟件測(cè)試結(jié)果分析

目前，基于本文通信協(xié)議開(kāi)發(fā)的中央控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制軟件已經(jīng)交付使用，實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試運(yùn)行過(guò)程中，該軟件表現(xiàn)出了良好的運(yùn)行穩(wěn)定性、控制與監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性、收發(fā)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和完整性、數(shù)據(jù)類型可擴(kuò)充性等優(yōu)良性能，滿足了海底示蹤氣體原位觀測(cè)要求。

（1）穩(wěn)定性。在同濟(jì)大學(xué)海底觀測(cè)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了該系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)控制界面如圖10所示。在圖中，遠(yuǎn)程控制軟件正處于無(wú)人值守模式，設(shè)備艙環(huán)境參數(shù)的三條曲線分別表示設(shè)備艙溫度、設(shè)備艙壓力、設(shè)備艙濕度三個(gè)數(shù)據(jù)的變化，在測(cè)試的過(guò)程中，這三個(gè)監(jiān)測(cè)數(shù)值基本保持平穩(wěn)的變化，無(wú)劇烈抖動(dòng)的現(xiàn)象，說(shuō)明所有數(shù)據(jù)都被正確的接收并且顯示出來(lái)。

（2）實(shí)時(shí)性。由于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與中央控制單元采用100Mb以太網(wǎng)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，從硬件層次保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。另外，通過(guò)前述通信協(xié)議及處理優(yōu)化設(shè)計(jì)，在圖9中的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線中，并未出現(xiàn)明顯的曲線抖動(dòng)或突變的情況；

（3）擴(kuò)展性。如果系統(tǒng)需要添加新的數(shù)據(jù)類型，只需以新擴(kuò)充的數(shù)據(jù)類型為基礎(chǔ)，創(chuàng)建一個(gè)繼承CBaseData基類的子類，然后再重寫(xiě)相關(guān)的處理函數(shù)即可，擴(kuò)展方便、快捷。在本系統(tǒng)研發(fā)過(guò)程中，后期擴(kuò)展了CRunProgramData（離線參數(shù)的設(shè)置）數(shù)據(jù)，添加如下代碼后（圖11），程序便基本完成了對(duì)離線參數(shù)數(shù)據(jù)的處理。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)海底示蹤氣體原位自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之遠(yuǎn)程控制軟件、水下中央控制單元、水下氣體分析裝置等三個(gè)組成部分之間數(shù)據(jù)的通信需求分析，本文研究對(duì)其通信協(xié)議進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。為便于統(tǒng)一處理和擴(kuò)充，總體上將通信中的數(shù)據(jù)包設(shè)計(jì)成PackageLen（數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度）、DataHead（包頭）、Body（數(shù)據(jù)體）、ACK（校驗(yàn)和）等四個(gè)部分，并將其構(gòu)建成一個(gè)抽象基類CDataBase，在該類中建立了處理對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)體的純虛函數(shù)接口。只要調(diào)用該接口函數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理，極大地提高了通信協(xié)議的擴(kuò)展性。為了提高程序的可重用性，甚至可以將通信協(xié)議部分的內(nèi)容編寫(xiě)成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)以便其他應(yīng)用調(diào)用，但由于研究時(shí)間所限，本文未完成該部分的工作。

在數(shù)據(jù)通信的過(guò)程中采用TCP/IP傳輸協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有序的傳送；接收與發(fā)送的數(shù)據(jù)存入鏈表中，然后交給后臺(tái)處理線程處理，使得通信的業(yè)務(wù)與邏輯分開(kāi)，提高了通信的處理效率，從應(yīng)用層保證了通信的實(shí)時(shí)性。

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[作者簡(jiǎn)介]鐘文章（1988-），男，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：GIS應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)；通訊作者：李德平（1964-），男，湖南常德人，教授，博士，研究方向：GIS應(yīng)用開(kāi)發(fā)與自然資源評(píng)價(jià)。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家863項(xiàng)目（2009AA09Z2487830），湖南師范大學(xué)地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)校級(jí)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目資助。