基于移動通信和MQTT協議的廣播電視監控系統的設計與實現

李希寧

（桂林廣播電視發射臺，廣西 桂林 541002）

0 引 言

分布在我國各地的廣播電視無線發射臺站承擔著覆蓋廣播電視節目的重要任務。臺站分布點多面廣，有一些建立在偏遠山區，主要任務是確保各地廣播電視信號的優質、高效以及安全傳輸。傳統的實地巡查設備運轉情況的方式已經無法滿足實際需要，現人們借助移動通信設備可隨時檢查播出系統各方面的運行狀態，實時接收設備運轉信息。為了有效提高通信效率，人們分析了移動通信的現狀，研究了基于移動通信或MQTT的各種通信技術[1-11]。但由于這些研究都是基于某一方面的，其優勢不夠明顯。本文將移動通信技術和MQTT協議結合起來，研究信號采集、音頻解碼編碼、音頻視頻監測、遠程設備控制以及監測系統的OTA升級等，設計并實現了一套基于移動通信技術和MQTT協議的廣播電視監控系統，有效解決了傳統巡檢方式在實際工作中遇到的問題。

1 系統組成

系統主要由主服務器和節點設備兩個部分組成，如圖1所示。

圖1 系統組成

1.1 主服務器的功能及組成

主服務器是監測系統的核心，使用SIM7600CE芯片實現基礎信息傳輸功能，負責搜尋移動運營商基站信號并保持網絡連接。主服務器軟件由監控數據處理程序、Web服務程序、數據庫程序及MQTT服務程序等組成。監控數據處理程序負責監控數據的分析及處理，并實時回傳數據，Web服務程序實現監控界面的展示，數據庫程序用于記錄各節點的回傳信息，MQTT服務程序實現與節點設備之間的通信。

1.2 節點設備的功能及組成

節點設備是監測系統分布在各臺站的部分，由遠程控制程序和信息處理程序等組成。遠程控制程序用于執行用戶指令，信息處理程序用于采集傳感器的信息。

該系統具有以下4個特點。一是每個節點都配有單獨的控制板，采用的監測傳感器均不影響發射機和已有設備的運行，二是系統采用的網絡頻點與現有業務頻率不沖突、不干擾，三是系統采用開源系統+硬件的方案，每個控制節點的物料成本和總的開發成本低，四是系統可以回傳數據，同時支持接收遠程命令，能夠直接建立與高山臺站的無線雙向通信，支持OTA遠程升級，便于各節點臺站維護。

2 系統采用的主要技術

2.1 移動網絡通信技術

目前，分布在我國山區的通信基站（由運營公司維護）可以覆蓋大部分高山臺站，在光纖發生故障時，使用移動通信技術可以不借助現有回傳光纖便將故障排除。

2.2 MQTT協議

消息隊列遙測傳輸（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）協議是近年來由IBM開發的一個即時通信協議。其在物聯網技術上應用非常廣，具有動態性與耦合特性的通信模型和交互機制及異步、多點通信的特點，可在苛刻的環境中進行低帶寬、不可靠以及間歇性通信，應用在廣播電視監控系統上優勢明顯。本系統中，MQTT協議主要作為實現服務器與客戶端之間的通信。

2.3 Flask框架

主服務器的Web服務程序架設采用Flask框架。Flask是用Python語言寫成的輕量級Web框架，可拓展性強，前端渲染模板靈活，可以使用Jin-ja2引擎，呈現效果好。本系統中，Flask主要實現主服務器Web服務程序的基本功能，系統用戶可直接使用Flask渲染的前端頁面訪問主服務器，獲取監控數據。

3 系統的工作流程

節點設備信息處理程序每隔一段時間采集傳感器數據，生成固定的數據包格式。連接主服務器的MQTT服務程序，將數據包發布到對應訂閱的頻道，然后主服務器調用數據庫程序，將接收到的相關數據寫入數據庫中。使用者使用移動設備瀏覽器訪問主服務器的Web服務程序前端界面，查看數據，也可以使用POST請求發出對應的指令。

主服務器工作流程和節點設備工作流程分別如圖2和圖3所示。主服務器通過獲取客戶端數據包記錄到本機數據庫，并根據事件類型判斷是否調用報警程序。節點設備通過獲取傳感器的數據，按照設定的條件判斷是否存在異常，如果出現異常則打包數據發送給主服務器。

圖2 主服務器工作流程

圖3 節點設備工作流程圖

4 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要包括主服務器的軟件設計和節點服務器的軟件設計。主服務器的軟件設計主要包括監控數據通信程序、主服務器MQTT服務程序、主服務器Web服務程序及主服務器數據庫程序的設計，節點服務器的軟件設計包括信息處理程序和遠程控制程序的設計。

4.1 主服務器監控數據通信程序的設計

主服務器監控數據通信程序使用Python語言編寫，用于打包和解析主服務器與節點設備的通信格式。各節點可使用MQTT協議的主題和訂閱特性設立不同的主題通信，以減少通信開銷。根據廣播電視臺站工作經驗，本文采用了JSON數據格式打包監控信息。JSON層次結構簡潔而清晰，是理想的數據交換語言，可滿足大部分監控信息的需要。既便于人閱讀和編寫，也便于機器解析和生成，有效地提升了網絡的傳輸效率。

主要代碼如下所示：

4.2 主服務器MQTT服務程序的設計

主服務器MQTT服務程序通過調用MQTT客戶端函數完成無線通信。MQTT服務器可以比作微信服務器，眾多用戶象是在微信里建立了一個群，節點設備和主服務器都在群里發送信息，進行著雙向數據傳輸。節點設備也可以監聽對應的頻道，執行對應的命令。例如，主服務器在頻道廣播，這時10臺節點設備都在監聽，某地的節點設備確認是發給自己的命令后，為其他節點判斷后無需應答，最后對應的節點服務器根據命令使用廣播返回傳感器的數據。

主要代碼如下：

4.3 主服務器Web服務程序界面模塊的設計

Flask構架搭建的http服務可以使用強大的Web前端技術創建GUI界面，支持不同屏幕大小的設備，自適應地配合數據庫程序。展示信息的方式十分靈活，修改即時可見。設計的主服務器Web服務程序實際運行后的界面截圖如圖4和圖5所示。

圖4 實際運行界面截圖

圖5 停播/停電事件記錄截圖

4.4 主服務器數據庫程序

主服務器數據庫程序主要分監控信息處理程序及監控信息記錄形成兩個部分。監控信息處理部分程序主要負責采集記錄節點服務器回傳的數據，通過主服務器的Web服務程序前端展現，完成用戶對各監控數據信息的查詢。監控信息部分程序通過回傳信息的級別進行判斷，將重要信息通過MySQL語句寫入數據庫。

主服務器數據庫程序的主要代碼如下：

4.5 節點設備信息處理程序

節點設備信息處理程序的主要作用是接收來自主服務器的消息，并生成對應的消息包，實現與主服務器的MQTT服務程序的連接。與主服務器監控數據通信程序采用一致的JSON數據格式。

數據包格式如下：

Data:[

事件類型event Type←區別發射機的告警或正常回傳

節點ID node ID←區別各節點

時間Date←此段信息的時間

接收設備received←標記接受的服務器

消息級別flag←顯示出此消息的級別(區分重要程度)

數據內容body←內容(可以直接回傳的數據，或報警信息)]

4.6 節點設備遠程控制程序的設計

主服務器遠程控制程序實現系統用戶對節點設備的遠程控制。主服務器的Web服務由Flask框架創建，在Flask的控制層中有負責接收訪問傳入的URL、參數以及請求的方法。利用這個特性，本系統定義了用于遠程控制節點服務器的函數，系統用戶使用POST與Web服務進行交互。主服務器再通過指令下發模塊發送指令給節點服務器，Web服務程序無需客戶端程序，用戶使用移動設備自帶的瀏覽器即可完成遠程控制流程。

節點設備遠程控制程序主要代碼如下：

5 結 論

本文針對傳統實地巡查設備運轉方式已無法滿足實際需要的情況，將移動通信技術和MQTT協議結合起來，設計并開發了一套基于移動通信技術和MQTT協議的廣播電視監控系統。目前該系統已部署在桂林廣播電視發射臺，作為日常廣播電視監控的輔助設備。實際運行過程表明，該系統信息傳輸效率高，工作穩定可靠，顯著提高了工作效率。后續將不斷總結經驗，改進程序，更新模塊，不斷優化系統，進一步增加系統功能，提高系統性能，更好地為廣播電視事業服務。