廖 斌 ，庹先國 ，2，王洪輝 ，徐少波 ，張 濤

（1.成都理工大學 地質(zhì)災害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室，成都 610059;2.西南科技大學核廢物與環(huán)境安全國防重點學科實驗室，綿陽 621010）

隨著地質(zhì)災害監(jiān)測信息化的發(fā)展，出現(xiàn)了基于Web服務的地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)，使分布在各處的用戶可以通過瀏覽器輕松獲取現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)，消除了因時間、地點的限制給監(jiān)測人員帶來的不便，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享[1]。

目前地質(zhì)災害監(jiān)測儀與Web服務器的通訊方式主要使用的是GPRS網(wǎng)絡支持的TCP或者UDP協(xié)議[2]。這2種方式有以下缺點：UDP不能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸，數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)丟失、亂序，TCP是面向長連接的，會占用大量的服務器資源[3]；基于TCP或UDP協(xié)議的每個監(jiān)測儀與Web服務器連接時都會占用服務器的1個端口號，這將限制監(jiān)測儀的連接數(shù)量；對于Web服務器目前缺少基于TCP或UDP的商用級方案，需要重新編寫和設計數(shù)據(jù)收發(fā)程序，穩(wěn)定性難以保證。

本文提出采用基于TCP的應用層協(xié)議—HTTP協(xié)議解決上述問題。HTTP吸取了TCP可靠性的優(yōu)點[4-5]，同時限制每次只處理1個請求，應答后立即斷開，使Web服務器可以面向更多的監(jiān)測儀器。此外采用基于HTTP協(xié)議的商業(yè)級的開源Web服務器如TOMCAT[6]，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，可以有效解決后期維護的麻煩。

1 HTTP協(xié)議簡介

HTTP（hypertext transfer protocol）是 1 個基于請求與響應模式的無狀態(tài)的應用層協(xié)議，是1個標準的客戶端服務器模型[7]。HTTP協(xié)議支持文本、視頻和圖片等多種數(shù)據(jù)格式的傳輸，其工作過程如圖1所示，可分為4步。

（1）首先客戶端與服務器需要建立連接。每一個請求都要建立1個新的連接，而后HTTP開始工作。

（2）建立連接后，客戶端通過TCP套接字向Web服務器發(fā)送1個文本的請求報文，1個請求報文由請求行、請求頭部、空行和請求數(shù)據(jù)4部分組成。

（3）服務器接到請求后，給予相應的響應信息，服務器將資源復本寫到TCP套接字，由客戶端讀取。1個響應由狀態(tài)行、響應頭部、空行和響應數(shù)據(jù)4部分組成。

（4）客戶端接收服務器所返回的信息，然后客戶機與服務器斷開連接。

圖1 HTTP工作過程Fig.1 Work process of the HTTP

如果在以上過程中的某一步出現(xiàn)錯誤，那么產(chǎn)生錯誤的信息將返回到客戶機。對于用戶來說，這些過程是由HTTP自己完成的，用戶只需等待信息即可。

2 網(wǎng)絡構(gòu)建

基于HTTP協(xié)議的地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示?，F(xiàn)場的監(jiān)測點采集多種傳感器（雨量計、地表裂縫位移計、傾斜角傳感器、土壤含水率計、地下水位計等）的數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)傳輸模塊通過GPRS網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡建立連接，再將數(shù)據(jù)按照HTTP協(xié)議格式傳輸?shù)絎eb服務器，Web服務器將信息進行拆封解析然后存入數(shù)據(jù)庫，最后Web服務器通過分析數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠端監(jiān)測點的實時監(jiān)測。

圖2 網(wǎng)絡架構(gòu)圖Fig.2 Diagram of the network

3 數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

3.1 硬件設計

基于HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模塊采用汽車工業(yè)級 SOC-C8051F530[8]做主控 MCU，通過 UART與GPRS模塊M72-D進行通訊，再通過SIM卡與GPRS建立連接，然后按HTTP協(xié)議格式發(fā)送數(shù)據(jù)到Web服務器。M72-D與MCU連接的電路如圖3所示。

M72-D是我國自主研發(fā)的1款支持GSM900/DCS1800雙頻段的通信模塊，其緊湊的設計空間內(nèi)整合了 Baseband、RF、Memorry、PMU 等多個功能模塊。 它支持 PPP、TCP、UDP、HTTP、FTP 等協(xié)議，速率最大達到85.6 kb/s（上行&下行），支持標準的AT命令及增強AT命令，GPRS模塊與CPU之間運用UART進行數(shù)據(jù)通信。

M72-D與SIM卡連接需要串接電阻以作匹配，由于模塊工作中或人為因素產(chǎn)生的靜電可能將SIM卡燒掉，因此必須在SIM卡電路中加入靜電保護電路。M72-D與SIM連接電路如圖4所示。

圖4 M72-D與SIM連接電路Fig.4 Ganged circuit between M72-D and SIM

3.2 軟件設計

SOC-C8051F530通過發(fā)送AT指令控制M72-D采用HTTP協(xié)議中的POST方式將數(shù)據(jù)上傳至Web服務器，其與AT響應（如表1）有關的操作和與網(wǎng)絡的信息交互都是在M72-D內(nèi)部自動完成。

表1 HTTP連接AT指令Tab.1 AT command of HTTP connection

數(shù)據(jù)傳輸模塊的程序主要分為模塊初始化、建立HTTP連接、數(shù)據(jù)傳輸、關閉連接。其中模塊初始化包括設置Context、設置APN；建立HTTP連接包括設置URL長度、設置URL地址，而后模塊啟動任務并發(fā)起無線連接；數(shù)據(jù)傳輸包括設置數(shù)據(jù)長度、發(fā)送數(shù)據(jù)，最后關閉HTTP連接。程序流程如圖5所示。

圖5 程序流程圖Fig.5 Flow chart of program

4 Web服務器設計

Web服務器由Web+MySQL組合開發(fā)完成，其中程序采用JAVA高級編程語言開發(fā)完成，數(shù)據(jù)存儲采用MySQL實現(xiàn)。MySQL是通用型數(shù)據(jù)庫，允許同步的數(shù)據(jù)操作，這樣為數(shù)據(jù)發(fā)布實時使用監(jiān)測數(shù)據(jù)提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，軟件組成結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 Web服務器組成結(jié)構(gòu)Fig.6 Composition of the Web server

整個系統(tǒng)的工作機制主要由3個響應過程組成：地質(zhì)災害監(jiān)測儀通過HTTP協(xié)議與Web服務器通信，再由Web服務器響應監(jiān)測儀的事件請求，建立socket（套接字）連接；Web服務器通過socket監(jiān)控接收到的數(shù)據(jù)，然后進行緩存和解析，并通過數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)實時存儲；Web服務器執(zhí)行MySQL訪問語句，調(diào)用數(shù)據(jù)庫，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，并更新數(shù)據(jù)展示。

5 數(shù)據(jù)傳輸測試

測試條件將地質(zhì)災害監(jiān)測儀安裝于野外監(jiān)測現(xiàn)場，Web服務器安裝在室內(nèi)監(jiān)測中心的PC機，PC機接入公網(wǎng) IP，URL地址為 http：//202.115.132.202/disasystem/DataInteraction。

測試方法地質(zhì)災害監(jiān)測儀以10 min 1次連續(xù)不間斷發(fā)送采集到的傳感器數(shù)據(jù)，Web服務器監(jiān)聽數(shù)據(jù)并存儲到數(shù)據(jù)庫，利用TOMCAT命令行窗口工具查看數(shù)據(jù)傳輸情況，測試周期為10 d，總數(shù)據(jù)條超過1400條。

測試結(jié)果本設計完成了地質(zhì)災害監(jiān)測儀與Web服務器之間的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)未出現(xiàn)丟失、亂序的問題，對服務器負荷量小，且可使大量地質(zhì)災害監(jiān)測儀器與服務器進行連接通信。

6 結(jié)語

本文將HTTP數(shù)據(jù)傳輸技術引入到地質(zhì)災害監(jiān)測系統(tǒng)中，設計了基于HTTP協(xié)議的地質(zhì)災害監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，解決了地質(zhì)災害監(jiān)測儀與Web服務器通信使用TCP或者UDP協(xié)議存在的問題，使數(shù)據(jù)傳輸更加穩(wěn)定可靠，可以有效解決后期維護的麻煩，具有一定的實用性。

[1] 張維.基于WEB交互技術的在線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學，2008.

[2] 曹修定，戚國慶，阮俊，等.GPRS技術及其在地質(zhì)災害監(jiān)測中的應用[J].中國地質(zhì)災害與防治學報，2006，17（1）：69-72.

[3] 趙飛，葉震.UDP協(xié)議與TCP協(xié)議的對比分析與可靠性改進[J].計算機技術與發(fā)展，2006，16（9）：219-221.

[4] 馮素梅.應用層HTTP協(xié)議的分析與設計[J].計算機光盤軟件與應用，2011（16）：52-53.

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[6] IBM-中國.用Tomcat和Eclipse開發(fā)Web應用程序[EB/OL].[2007-05-25].http：//www.ibm.com/developerworks/cn/opensource/os-eclipse-tomcat.

[7] 小泉修，王浩.Web技術：HTTP到服務器端[M].北京：科學出版社，2004.

[8] Silicon Labs.C8051F52x and C8051F53x 8 kB and 4 kB and 2 kB ISP Flash MCU Family[EB/OL].[2011-04-26].http：//www.xhl.com.cn/upfile/Flash/2011/4/20110426172746.pdf. ■