物聯網應用中的跨平臺數據通信

摘要：5G網絡的到來，將開啟“萬物互聯”時代。物聯網技術就是使各種設備都能接入網絡，需要實現跨平臺的數據通信。為了解決這一問題，模擬辦公樓安防監測系統，設計了一個桌面端和移動端通信的方案。該方案充分利用Socket技術優勢，采用UDP協議，實現了C#平臺和Android平臺的數據通信。移動端通過ADAM4150采集火焰、煙霧、紅外對射的信號狀態，并將采集的信號狀態發送給桌面端。桌面端編程語言是C#，采用WPF框架實現表現層開發，接收移動端通過網絡發送的信號狀態。

關鍵詞： 物聯網;Socket編程;C#;Android

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）20-0015-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

近幾年來，隨著物聯網技術的發展，智能醫療、智能交通、智能家居、智能物流以及智慧城市的研究和應用非常廣泛，物聯網正在悄然改變我們的生活，使人們的生活更加便捷和舒適[1]。5G網絡的到來，將開啟“萬物互聯”時代。物聯網技術就是使各種設備都能接入網絡，實現跨平臺的數據通信。一般的物聯網應用程序都支持電腦、手機和平板等多種設備使用，需要實現桌面端和移動端的跨平臺通信。

目前，C#已經成為開發物聯網桌面端的主流語言，而Android成為開發物聯網移動端的主流語言。標準的Socket通信技術可以實現任何平臺和任何進程之間的通信，在PC端和Android手機端通過有線或無線的連接情況下，實現兩端設備的Socket連通[2]。

1 實現通信的關鍵技術

1.1 Socket通信原理

Socket的英文原義是“孔”或“插座”，也被稱作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一個通信鏈的句柄，可以實現不同系統之間的通信[3]。在TCP/IP網絡中，應用程序通過“套接字”發出請求或應答請求，“套接字”采用客戶端/服務器端（Client/Server， C/S）模式。“套接字”之間的連接過程分為三個步驟：1）服務器監聽：服務器實時監聽網絡狀態，處于等待連接的狀態;2）客戶端請求：由客戶端“套接字”提出連接請求，連接的是服務器端的“套接字”;3）連接確認：當服務器端“套接字”監聽到客戶端“套接字”的連接請求后，它就激活一個新進程處理客戶端請求，兩端連接上后可進行數據傳輸的操作。而服務器“套接字”繼續處于監聽狀態，接受其他客戶端“套接字”的連接請求。

Socket有兩種操作方式：面向連接和無連接的。面向連接的操作使用TCP協議，這種方式在正式發送數據前，必須和對方建立可靠的連接。一個TCP連接必須經過三次握手才能建立起來，TCP對應的是可靠性要求高的應用;而無連接的操作方式使用UDP協議，這種操作在正式通信前不必與對方先建立連接，不管對方狀態就直接發送數據。UDP對應的是可靠性要求低、通信效率高的應用。

1.2 C#中的Socket編程

C#語言簡潔的語法和強大的功能使套接字編程變得十分簡單，在命名空間System.Net.Sockets中，Socket類提供了對套接字的支持[4]。應用程序通過TcpClient類和TcpListener類使用傳輸控制協議（TCP），通過UdpClient使用用戶數據文報協議（UDP），而TcpClient、TcpListener和UdpClient這些協議類都是建立在Socket類的基礎之上，負責數據傳輸的細節工作。

網絡通訊中的所有數據都是以字節的形式進行傳輸的，因此必須把數據轉化為byte[]的類型。命名空間System.Text中的Encoding類，可以實現字符串和字節數組的相互轉換，而System命名空間中的BitConverter類，則實現基礎數據類型與字節數組的相互轉換。

1.3 Android中的Socket編程

Android編程使用的是Java語言，因此Java Socket網絡編程在Android平臺都是適用的，但Android平臺也有其特殊性之處。Socket編程通常采用客戶端/服務器端（Client/Server， C/S）模式，服務器必須有一個固定的IP地址，才能接收客戶端的請求。而手機的IP地址是由運營公司動態分配的，所以Android端通常運行的是客戶端程序[5]。

Java在包java.net中提供所有與網絡通信相關的類。其中，InetAddress類封裝了IP地址，利用該類可以獲取IP地址和主機地址等信息。ServerSocket類表示服務器套接字，通過指定的端口監聽請求，建立連接后進行數據交互。Socket類表示客戶端套接字，用于向服務器發出請求連接，連接建立后也可進行數據交互。

2 系統設計

2.1 總體設計

模擬辦公樓安防監測系統，設計一個桌面端和Android移動端通信的模型。系統啟動后，桌面端接收移動終端通過網絡發送的火焰、煙霧、紅外對射的信號狀態，并將各信號的狀態顯示在界面上，使用網絡攝像機實現視頻監控和記錄功能。移動端使用 ADAM4150 數字量采集器采集火焰、煙霧、紅外對射信號并實現對報警燈和照明燈的控制，使用網絡攝像機獲取實時圖像。系統有線信號拓撲圖如圖2所示。

系統采用UDP協議進行跨平臺通信。UDP就是用戶數據報協議，處于互聯網參考模型的第四層-傳輸層，它是一種無連接不可靠的信息傳輸。相比于TCP協議，UDP協議少了三次握手建立連接、維護連接和釋放連接等一系列過程，因此具有很小的資源消耗和處理速度快的優點。

2.2 C#桌面端設計

桌面端的開發環境為Visual Studio 2012 和 SQL Server 2008R2，編程語言為C#，使用WPF框架實現表現層開發。WPF提供了統一的編程模型、語言和框架，真正做到了界面設計與開發工作的分離[6]。桌面端接收移動終端通過網絡發送的火焰、煙霧、紅外對射的信號狀態，并將各信號的狀態顯示在界面上。樓宇安防系統主界面設計如圖3所示。

桌面端應用程序，創建一個UdpClient對象，并將它綁定到端口號10000。創建一個線程，監聽數據。在接收數據線程中，首先調用Receive（）方法返回遠程移動端發送的 UDP 數據報，然后解析UDP數據報，最后調用Dispatcher.Invoke（）方法更新界面上的UI元素，如紅外對射、火焰、煙霧的狀態。以下是桌面端的關鍵代碼。

2.3 Android移動端設計

Android移動端的開發環境為Eclipse 4.2.2 和 Android SDK。移動端應用程序，使用 ADAM4150 數字量采集器實時采集火焰、煙霧、紅外對射信號狀態，并顯示在界面上，同時將采集到的信號狀態發送給桌面端。當檢測到火焰或煙霧時，亮起報警燈。如果啟用了“入侵報警”，當檢測到紅外對射信號，亮起報警燈。樓宇安防監測系統移動端界面設計如圖4所示。

移動端應用程序，首先創建一個DatagramSocket實例對象建立Socket服務，調用connect（）指定要發送的遠端IP地址和端口號;然后創建一個DatagramPacket實例對象，將要發送的紅外對射、火焰、煙霧的信號狀態打包到DatagramPacket中去;調用DatagramSocket中的Send（）方法發送數據;最后關閉Socket服務。

3 結語

為了解決物聯網應用系統中的跨平臺通信的問題，模擬辦公樓安防監測系統，設計了一個桌面端和Android移動端通信的模型，利用UDP協議，使用Socket接口實現兩端設備的連通。桌面端利用C#語言編寫應用程序，并且使用WPF框架實現表現層開發，可以接收移動端通過網絡發送的火焰、煙霧、紅外對射的信號狀態，并且將狀態顯示到界面上。而移動端通過ADAM4150采集火焰、煙霧、紅外對射的信號狀態，即顯示在界面上，又將信號狀態發送到桌面端。另外本設計還可以應用到物聯網的其它應用領域。

參考文獻：

[1] 王昊. 基于工控機平臺智能家居系統設計與實現[D].山東：山東大學，2016.

[2] 何誠， 邵乾飛， 袁浩， 等.基于Socket實現Android（java）與C#的同步通信[J].無線互聯科技，2015（2）：15-16.

[3] 楊文珺， 王志杰. C#物聯網應有程序開發[M].北京：機械工業出版社，2017.

[4] 張凌曉， 袁東鋒， 劉克成. Visual C# 2010程序設計[M].北京：中國鐵道出版社，2013.

[5] 林志紅. Android Socket網絡編程體會[J].科學技術創新，2017（28）：140-141.

[6] 顧家銘. WPF在物聯網環境監測系統中的應用[J].電腦知識與技術，2018，14（17）：287-288.

【通聯編輯：王力】