車載多模通信終端系統管控中心的設計與實現

趙葉梅*，胡靜，宋鐵成

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車載多模通信終端系統管控中心的設計與實現

趙葉梅*，胡靜，宋鐵成

（東南大學信息科學與工程學院，江蘇南京，211102）

針對汽車后服務領域存在的客戶粘性較低等問題，本論文提出了車載多模通信終端系統的總體方案，設計與實現了其管控中心部分。管控中心主要由Web應用、監聽服務器和數據庫三部分組成，本論文采用了MySQL數據庫存儲系統需要的后臺數據；本論文采用了ASP.NET三層架構實現Web應用，為用戶提供了簡潔友好的用戶界面；本論文采用了SuperSocket框架實現監聽服務器，它可以監聽客戶端的連接請求，實現管控中心與車載終端、手機App端的數據通信。

車聯網；ASP.NET；MySQL；SuperSocket

引言

隨著中國的汽車市場逐漸走向成熟，整個行業的競爭將逐步聚焦到汽車后服務領域。然而大多數4S集團在汽車后服務領域面臨著服務同質化嚴重，保養履約率不穩定，客戶粘性較低等問題。針對這些問題，本論文提出了車載多模通信終端系統的總體方案，設計與實現了其管控中心部分。管控中心提供了簡潔友好的用戶界面，并為不同權限的系統用戶提供了不同的功能，它可以結合手機應用程序實現對車輛的遠程監控和管理。

1 車載多模通信終端系統總體方案

車載多模通信終端（簡稱C-Box）系統的總體方案設計如圖1所示，該系統主要由車載終端、車輛仿真終端、手機終端以及管控中心四個部分組成。其中，車載終端是管控中心、手機終端與車輛仿真終端之間進行數據通信的處理中樞，它集成了定位、導航、通信等多項功能；車輛仿真終端模擬車輛收到管控中心指令后的各項行為，如打開/關閉車門、啟動/關閉空調等；手機終端實現了手機租車、遠程車輛診斷、預約保養、遠程控制等多項功能；管控中心是本論文的主要研究點，一方面，它為用戶提供了簡潔友好的顯示和操作界面；另一方面，它監聽來自車載終端和手機終端的用戶請求，并對其進行反饋和處理。

圖1 車載多模通信終端系統的總體方案

2 管控中心總體方案及其軟件設計

本論文的主要研究點是車載多模通信終端系統管控中心的設計與實現，本節給出了管控中心的總體方案，并分別從軟件功能模塊設計、數據庫的設計、Web應用的設計、監聽服務器的設計四個方面來對管控中心的軟件設計部分進行介紹。

2.1 管控中心的總體方案

管控中心軟件主要面向PC平臺，它的實現基于Windows操作系統，并運行在.NET平臺上。管控中心的總體方案設計如圖2所示，主要包括Web應用、監聽服務器和數據庫三部分。Web應用為用戶提供了簡潔友好的顯示和操作界面，并為不同權限的系統用戶提供不同的功能。監聽服務器是管控中心的數據處理中心，一方面它監聽來自C-Box或者手機App發送的請求數據，并予以反饋，另一方面，它是Web應用與C-Box、手機App進行數據通信的橋梁；數據庫用于存儲系統的各項后臺數據。

系統采用IIS作為Web服務器，IIS是一種Web服務組件，其中包括Web服務器、FTP服務器、NNTP服務器和SMTP服務器，分別用于網頁瀏覽、文件傳輸、新聞服務和郵件發送等。在本系統中，IIS的主要功能是Web服務器，用于部署系統的UI頁面程序、業務邏輯處理程序以及數據訪問邏輯程序。

圖2 管控中心的總體方案

2.2 軟件功能模塊設計

根據應用場景需求，將管控中心軟件部分分為三大模塊：租車中心模塊、4S店模塊以及服務中心模塊。三個模塊的功能框圖如圖3所示，每個模塊都具有登錄認證和權限管理功能。另外，租車中心模塊實現了租賃管理、車輛狀態監控以及實時跟蹤功能，4S店模塊實現了遠程車輛診斷以及預約保養功能，服務中心模塊實現了遠程控制車輛、按鍵服務功能等。

圖3 功能模塊框圖

2.2.1 租車中心模塊

租車中心模塊實現了登錄認證、權限管理、租賃管理、車輛狀態監控以及實時跟蹤功能。

（1）登錄認證。本系統需要通過網站來實現，并且通過用戶信息進行登錄控制。

（2）權限管理。本系統的用戶包括普通用戶、管理員以及超級管理員三類。因此在賬戶的設計上需要增加權限字段，來限定不同賬戶的功能。在登錄認證時，可以通過權限控制來返回不同的操作頁面0。

（3）租賃管理。用戶可以通過系統網站進行租車或者續租操作；系統需要維護車輛的租賃信息，若檢測到用戶未按規定日期歸還車輛、超出電子圍欄、拆卸車輛器件等情況，則采取相應的措施來提醒、警告甚至遠程控制車輛。

（4）車輛狀態監控。C-Box端會定時采集車輛運行時的車速、引擎溫度、轉速、車內溫度、位置信息、胎壓、安全氣囊等數據信息，并將這些信息發送給系統進行存儲和分析。

（5）實時跟蹤。系統通過跟蹤車輛的動態數據，如行駛的速度、方向、具體位置信息等，并調用第三方的地圖應用，在網站上實時顯示車輛行進路線。

2.2.2 4S店模塊

4S店模塊實現了登錄認證、權限管理、遠程車輛診斷以及預約保養功能，其中登錄認證和權限管理功能與租車模塊類似，此處不再介紹。

（1）遠程車輛診斷。若車輛突然發生故障，用戶可以通過手機App請求對車輛進行遠程診斷。管理員可以利用系統網站以及采集到的車輛狀態信息、故障碼等來對車輛進行分析診斷，并將診斷結果反饋給用戶。

（2）預約保養。用戶可以通過系統網站為車輛預約保養；管理員可以對用戶的預約進行處理，并將預約結果反饋給用戶。

2.2.3 服務中心模塊

服務中心模塊實現了登錄認證、權限管理、遠程控制車輛、按鍵服務功能等功能，其中登錄認證和權限管理功能與租車模塊類似，此處不再介紹。

（1）遠程控制。用戶可以對車輛進行遠程控制，包括遠程開啟/關閉車門、遠程開啟/關閉空調、遠程啟動/關閉發動機等。

（2）按鍵服務。用戶可以通過打電話或者按下車輛上的按鍵連接服務中心，實現自動導航、尋找停車點等功能。

2.3 數據庫的設計

車載多模通信終端系統涉及到了三種類型的數據，固定數據、動態數據以及業務數據。固定數據包括車輛信息、用戶信息等，這些信息的數據量很小，不會頻繁改動，因此不會對數據庫性能造成太多影響。動態數據包括車輛狀態信息、位置信息等，這些信息的數據量很大，會頻繁增加，有較強的實時性要求，對數據庫的壓力在于頻繁的寫操作。業務數據包括租賃管理數據、診斷記錄、預約記錄等，數據會不斷變動，但不會很頻繁。

由上述的分析可知，關系型數據庫即可滿足對以上三類數據的存儲和操作。關系型數據庫是指采用了關系模型來組織數據的數據庫，現在非常流行的關系型數據庫主要有Oracle、MySQL等。Oracle是大型的關系型數據庫，它憑借自身結構嚴謹、高可用、高性能的優點，越來越廣泛地被應用到如電信、金融、政府、交通、能源等傳統行業的數據化業務中，成為基于大數據訪問的重要數據庫平臺，缺點是價格昂貴，成本高0；MySQL是一個開源數據庫，體積小，速度快，并且擁有一個非常快速而且穩定的基于線程的內存分配系統，可以持續使用而不用擔心其穩定性。由于需要控制成本，本系統選用了開源的MySQL數據庫。

2.4 Web應用的設計

Web應用的主要功能是為系統提供簡潔友好的展示和控制界面，并為不同權限的系統用戶提供不同的功能，例如在租車模塊中，Web應用為普通用戶提供了租車、還車、查看車輛行駛路線等功能，為管理員提供了租賃管理、遠程控制車輛等功能。另外，Web應用需要處理大量的交互和反饋邏輯，如從數據庫讀取數據展示在頁面上或者將用戶輸入的相關信息存儲到數據庫中。針對目前軟件開發領域的系統架構，主要有兩種架構可供選擇：第一種是客戶端/服務器模式（Client/Server模式，簡稱C/S模式），第二種是瀏覽器/服務器模式（Browser/Server模式，簡稱B/S模式）。由于B/S模式操作簡單，用戶只需要安裝通用的瀏覽器就可以訪問Web應用，而且它的維護和升級方式簡單，所以系統選用了B/S模式來實現Web應用。

系統采用了ASP.NET三層B/S架構實現該Web應用，ASP.NET三層架構是目前軟件體系架構設計中最常見且最重要的一種結構，分為用戶表示層(UI)、業務邏輯層（BLL）以及數據訪問層（DAL）三層，使得用戶操作部分、邏輯操作部分和數據訪問部分分開，很好地實現了高耦合低內聚的思想。Web應用的整體架構如圖4所示，該圖主要體現了ASP.NET三層結構各層間的依賴關系和數據傳遞方向，即高層請求低層，低層響應高層。

（1）用戶表示層實現內容的展現和用戶的交互，它封裝了人機界面的所有表單和組件，是應用系統與系統用戶之間的直接接口。一方面，用戶表示層用于顯示業務邏輯層動態傳送過來的數據信息，另一方面在用戶錄入信息并對信息經過簡單的校驗后，它將信息傳送給業務邏輯層進行后續處理0。

（2）業務邏輯層實現業務邏輯和驗證規則，在為用戶表示層提供功能調用的同時，它又通過調用數據訪問層所提供的功能來訪問數據庫。

（3）數據訪問層只能被業務邏輯層訪問，并且系統只通過它訪問數據庫來獲取數據。當數據訪問層根據業務邏輯層的要求連接數據庫、調用存儲過程或執行MySQL語句時，它主要完成對數據表的增、刪、改、查等操作。

（4）實體類是描述一個業務實體的類，即將數據表中的每一個字段定義成屬性，并將這些屬性用一個類封裝，這個類就稱為實體類。用戶表示層、業務邏輯層以及數據訪問層都依賴于業務實體，各層之間數據的傳遞主要是實體對象。

圖4 Web應用整體架構圖

Web應用需要為用戶提供簡潔友好的操作界面，該界面有前臺、后臺之分，前臺即各個后綴名為.aspx的文件0，由ASP.NET框架的相關控件實現，在用戶界面中控制這些基本控件的位置，大小以及排版等屬性即可完成頁面布局；后臺即各個后綴名為.aspx.cs的文件，用于響應前臺的觸發，調用業務邏輯層的函數，處理具體業務。

NET Framework提供了兩種方法訪問MySQL數據庫，一種是使用MySQL推出的MySQL Connector/Net組件，該組件是MySQL為ADO.NET訪問MySQL數據庫設計的.NET專用訪問組件，另一種是使用ODBC.NET，它的DataProvider是標準的.NET框架的一部分，可自動安裝。在Web應用的實現過程中，系統選用了第一種方式，即使用 ADO.NET訪問MySQL數據庫。ADO.NET是一種基于.NET Framework的數據訪問技術，通過操作Connection（連接數據庫）、Command（執行SQL語句）、DataAdapter（填充DataSet）、DataReader（讀取數據庫）以及DataSet（數據集）五大對象，使得應用程序可以連接到數據存儲，并以各種方式操作存儲在其中的數據。

2.5 監聽服務器的設計

監聽服務器是與車載終端以及手機App直接進行交互的服務端組件，從功能需求角度來說，一方面它監聽來自C-Box或者手機App發送的請求數據，并予以反饋；另一方面，它是Web應用與C-Box、手機App進行數據通信的橋梁。經過分析可知，監聽服務器的主要功能是實現可靠的雙向網絡數據傳輸，對網絡連接的安全性和可靠性要求較高，因此系統選擇了基于TCP/IP協議的Socket通信實現監聽服務器與Web應用等應用程序之間的數據通信，TCP協議的三次握手在很大程度上保證了連接的可靠性。

Socket是一個用于表示IP地址以及端口的通信鏈的句柄，網絡上的兩個程序通過一個雙向的通信連接實現數據的交換，這個連接的一端稱為一個Socket，它是支持TCP/IP協議的網絡通信的基本操作單元0。對于Socket連接而言，有兩種實現方式，一是采用原生的Socket編程模型，使用Socket組件自己去定義監聽和數據處理，例如C#中的Socket類，二是采用網絡編程框架，如.NET環境下的SuperSocket框架等。由于第一種方式在客戶端數量很龐大的時候，服務端的運行效率低下，系統未采用第一種方式。SuperSocket框架是一個輕量級，跨平臺而且可擴展的.NET/Mono Socket服務器程序框架0，使用它可以快速創建服務器Socket程序而不需要處理很多底層細節。它的主要作用在于建立服務端與客戶端或者其他端點的通信，對其進行管理和維護，并提供常見的通信協議、解析等，也可以自定義協議和協議處理相關接口，可直接作為應用程序的服務器應用程序框架。另外，因為車載多模通信終端系統包含三個獨立的功能模塊（租車中心、4S店以及服務中心），且三個模塊之間相互獨立，監聽服務器需要同時監聽對這三個模塊的通信請求，而 SuperSocket框架支持多監聽器，在一個服務器實例內能監聽多個端口，所以本系統選用了SuperSocket框架作為服務器應用程序框架。

監聽服務器的整體架構如圖5所示，它運行在.NET Framework平臺上，并集成了SuperSocket框架以及ADO.NET組件。SuperSocket框架用于監聽來自C-Box或者手機App發送的請求數據，并予以反饋；類似于Web應用，監聽服務器也利用了MySQL Connector/Net組件，使用 ADO.NET訪問MySQL數據庫。

圖5 監聽服務器整體架構圖

SuperSocket的請求處理模型圖如圖6所示，共分為三個階段，第一階段為SocketSession會話階段，第二階段為AppSession會話階段，第三階段為消息處理階段。在SocketSession會話階段，服務端啟動監聽器，進入監聽狀態并等待客戶端的連接。當接收到一個客戶端的請求后，服務端驗證該請求并創建一個SocketSession會話，該會話具備收發消息的能力，但是無法處理數據。在AppSession會話階段，由AppServer（一個Socket監聽對象）根據SocketSession創建AppSession會話，并啟動該會話。在消息處理階段，AppSession首先對原始數據完整性和過濾特性進行處理，主要是過濾掉一些不合法的消息或者具有某種特性的消息，然后將過濾后的消息進行協議解析并封裝成RequestInfo一類的結構，即將過濾后的流數據進行拆分，并封裝成多個RequestInfo實例，最后根據RequestInfo實例中不同的命令字，將其路由給具體的命令執行單元進行處理。

圖6 SuperSocket請求處理模型圖

監聽服務器和其他應用程序之間進行通信時，要約定好通信協議。SuperSocket框架中內置命令行協議、結束符協議、固定數量分隔符協議、固定請求大小的協議以及帶起止符的協議等。由于SuperSocket默認的命令行協議即可滿足本系統的通信需求，所以本系統中采用了命令行協議。命令行協議使用空格來分割請求的命令字和消息體，并定義了每個請求必須以回車換行（“ ”）結尾。如表1所示，根據要實現的功能需求，本系統定義了多種命令字，它們包含不同的消息體，并代表了不同的命令。在SuperSocket使用命令行協議，所有接收到的數據都會轉化成RequestInfo實例，最后路由給圖6所示的各個具體的命令執行單元進行處理0。

表1 部分Socket通信協議命令定義

3 聯調與測試

成功搭建硬件平臺后，本系統和C-Box平臺、手機App、車輛仿真軟件進行了聯調和測試，證明該系統可以正常運行。系統主要包含三個功能模塊，租車中心模塊，4S店模塊以及服務中心模塊。在C-Box工作在租賃模式下時，對租車中心模塊的功能進行了測試，實現了租賃車輛管理、用戶網上租車還車、車輛狀態監控以及對車輛實時跟蹤等各項預期的功能，如用戶租車頁面運行時如圖7所示，用戶可以在該頁面查詢可供租借的車輛信息，點擊“租車”鏈接即可跳轉至租車頁面進行相應的操作。

圖7 用戶租車頁面

在C-Box工作在常規模式下時，對4S店模塊的功能進行了測試，實現了遠程車輛診斷以及為車輛進行預約保養等各項預期的功能，如管理員遠程診斷頁面運行時如圖8所示，管理員可對車輛的相關狀態信息和故障碼進行分析，并將診斷結果反饋給用戶；在C-Box工作在常規模式下時，對服務中心模塊的功能進行了測試，實現了遠程控制車輛、按鍵服務等預期的功能。

圖8 遠程診斷頁面

在進行聯調時，SuperSocket框架監聽C-Box以及手機App的連接請求時，經常會出現部分客戶端連接不上服務器的問題。經過排查發現，是由TCP連接中TIME_WAIT狀態過多引起的。在高并發短連接的TCP服務器上，當服務器處理完請求后主動關閉連接，大量的Socket端口會處于TIME_WAIT狀態，部分客戶端就會顯示連接不上服務器。為了解決這個問題，一方面系統修改了TIME_WAIT的超時時間參數，縮短端口的超時時間，加快回收；另一方面系統修改了兩個內核參數（net.ipv4.tcp_tw_reuse和net.ipv4.tcp_tw_recycle），將這兩個參數置為1，即打開了系統的TIME_WAIT重用和快速回收，通過調整系統的各項參數最終實現了服務器端和客戶端的正常通信。

4 結束語

本論文主要完成了車載多模通信終端系統管控中心的設計和開發工作，管控中心為用戶提供了簡潔友好的用戶界面，并監聽來自車載終端和手機終端的用戶請求，對其進行反饋和處理，它結合手機應用程序實現了對車載終端的遠程監控和管理。

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Design of the Control Center in Vehicle Mounted Multimode Communication Terminal System

ZHAO Yemei*, HU Jing, SONG Tiecheng

（School of Information Science and Engineering, Southeast University, Jiangsu Nanjing, 211102, China）

Aiming at solving the problem of low customer stickiness in the field of automative aftermarket, this paper proposes the overall scheme of the vehicle mounted multimode communication terminal system, designs and implements the control center part of this system. The control center consists of three parts, Web application, monitor server and the database. This paper uses MySQL database to store the background data needed by the system. This paper uses the ASP.NET three layer architecture to implement the Web application, providing the user with a simple and friendly user interface. This paper uses the SuperSocket framework to implement the monitor server, which can monitor the connection requests coming from the client and realize communication between the control center, the vehicle terminal and the mobile App.

IOV; ASP.NET; MySQL; SuperSocket

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.037

TP311

B

1672-9129(2018)01-0095-04

趙葉梅, 胡靜, 宋鐵成. 車載多模通信終端系統管控中心的設計與實現[J]. 數碼設計, 2018, 7(1): 95-98.

ZHAO Yemei, HU Jing, SONG Tiecheng. Design of the Control Center in Vehicle Mounted Multimode Communication Terminal System[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 95-98.

2017-09-10；

2017-11-06。

國家自然科學基金資助項目(61771126)；國家自然科學基金資助項目(61372104)。

趙葉梅（1993-）女，東南大學信息科學與工程學院電子與通信工程專業。E-mail:13124774690@qq.com