基于GPS 和GSM的农场短信中心的设计与实现

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摘　要　为解决目前我国农场人工农机调度方式调度效率低、不及时等问题,设计并实现了基于GPS 和GSM 的农场短信中心。该农场短信中心集成了GPS 的定位功能和GSM 的通信功能,将GPS 与农场调度中心联系起来,可以根据农机生产实际情况对农机进行合理调度。该农场短信中心基于中国移动的CMPP2.0 协议,采用多线程处理技术和模块化设计方法,使用Java 语言开发完成。试验结果表明,该农场短信中心短信处理时延<2s/条,误码率<0.01% ,能够提供及时准确的短信处理,适用于农机车辆多于40台的农场。

关键词　GPS; GSM;农场短信中心

　　目前,国外一些大型农场已经开始建立和使用农场办公室计算机与移动作业机械之间的无线通信管理信息系统,农场调度中心与农机操作者通过无线通信数据链路进行实时通信。由于技术和资金的限制,我国大多数农场是由农场调度中心将调度任务人工分派给不同农机,生产过程中农机与调度中心之间只能通过电话联系。这种调度方式不能及时了解农机生产情况,降低了农机的运作效率,且增加了管理成本,农忙时节尤为突出。为此,笔者提出采用农场短信中心的农场农机调度方式,将原来分散的人工调度转变为集中的统一实时调度。由农场调度中心通过短信中心把最新的调度指令发送给在“线”农机,实现异地实时调度。这样,不仅有利于农机的合理调度和管理,而且可以降低各环节的成本。

1 农场短信中心工作模式及系统结构

1.1 农场短信中心工作模式及通信方式

　　农场短信中心建立在农场场部,通过数字数据网络(digital data network ,DDN) 专线与短消息网关( ISMG) 相连, ISMG 与中国移动的短信服务中心(short message service center ,SMSC) 相连。短信下行时,首先由农场短信中心将短信经过DDN 专线发送至ISMG,然后由ISMG 发送给中国移动SM2SC ,最后由中国移动SMSC 发送到带有GPS 车载单元的农机上。短信上行时,首先由GPS 车载单元将短信发送至中国移动SMSC ,然后由中国移动SM2SC 转发给ISMG,最后经过DDN 专线到达农场短信中心。农场短信中心实现与GPS 车载单元和中国移动ISMG 的通信,以及与GIS 各部分的接口,同时将这几部分有机地结合起来。与农场短信中心相连的各模块结构见图1[1] 。


图1 与农场短信中心相连的各模块结构图

　　农场短信中心采用“点到中心”的短信服务模式,这种模式的优点是数据处理能力强,时延小,适用于多台车辆的农场。农场短信中心与ISMG之间采用CMPP 协议进行通信, CMPP 协议以TCP/ IP( Transmission Cont rol Protocol/ Internet Protocol) 作为底部通信承载层。

　　农场短信中心与ISMG之间进行信息交互时,可以采用长连接方式,也可以采用短连接方式。长连接方式在一个TCP 连接上可以连续发送多个数据包,并且在TCP 连接保持期间,如果没有数据包发送,则需要双方发送链路检测包以维持此连接。短连接方式当通信双方有数据交互时,就建立一个TCP 连接,如果数据发送完成,则断开此TCP 连接;即每次TCP 连接只完成一对CMPP 消息的发送。

　　农场短信中心主要提供以下业务①操作:

　　1) 短信发送( short message sending) 。典型业务操作流程:

a、GPS 车载单元发出数据请求,被源ISMG 接收;
b、源ISMG对接收到的信息返回响应;
c、源ISMG 在本地查询不到要连接的农场短信中心,向汇接网关(gateway name server , GNS) 发送路由请求信息;
d、GNS 将路由信息返回;
e、源ISMG根据路由信息将请求转给目的IS2MG;
f、目的ISMG对接收到的信息返回响应;
g、目的ISMG将请求信息送至农场短信中心;
h、农场短信中心返回响应。

　　步骤c到h均使用CMPP 2.0 协议。在随后的操作中,目的ISMG在接收到农场短信中心的响应后,将产生的状态报告发给源ISMG。

　　2) 短信接收(short message receiving) 。典型业务操作流程:

a、农场短信中心发出数据请求,被源ISMG接收;
b、源ISMG对接收到的信息返回响应;
c、源ISMG 在本地数据库中找不到目的GPS车载单元号段所对应的网关代码,向GNS 发送路由请求信息;
d、GNS 将路由信息返回;
e、源ISMG根据路由信息将请求转给目的IS2MG;
f、目的ISMG对接收到的信息返回响应;
g、目的ISMG 将请求信息发送至中国移动SMSC;
h、中国移动SMSC 向目的ISMG返回响应。

　　步骤a到f均使用CMPP 2.0 协议。在随后的操作中,中国移动SMSC 通过NO. 7 号信令网向移动用户发送信息,移动用户收到后将状态报告(delivery-receipt) 发给中国移动SMSC , 中国移动SMSC 再按照操作流程将状态报告发给农场短信中心。

1.2 农场短信中心网络结构

　　农场短信中心通过DDN 与ISMG 相连,其网络结构见图2 [2] 。


图2 　农场短信中心网络结构

2 农场短信中心设计

2.1 农场短信中心设计原则[3]

　　1) GPS 短信格式接口模块与CMPP 通信代理接口模块之间使用消息队列进行通信,对消息队列的管理和参数的设置(如对同一队列操作的互斥、队列个数的设置等) 都使用统一队列内核类接口,以方便GPS 短信格式接口模块对消息队列的使用。另外,通过消息队列通信,也可以为今后增加的其他业务提供良好的扩展性。

　　2) 农场短信中心数据库庞大,采用多线程处理技术及并行计算和共享内存技术以提高系统运行效率和资源利用率。

　　3) 为保证不丢失数据包,程序使用缓存机制。

　　4) 对线程进行管理,使线程可靠运行。

　　5) 将GPS 短信格式接口、CMPP 通信代理接口、数据通用接口等模块分离设计,以保证农场短信中心的共用性和扩展性。

　　农场短信中心设计类图见图3[4] 。其中:界面控制类(SMCClient) 的功能是启动发送线程和接收线程的总控制界面;多线程发送类(SendMCProcess)的功能是根据要发送的短信启动线程对其进行处理;多线程接收类(ReceiveMCProcess) 的功能是根据到达的短信启动线程对其进行处理;接收短信类(ReceiveMC) 的功能是接收短信并与CMPP 接口协议类进行交互;发送短信类(SendMC) 的功能是发送短信并与CMPP 接口协议类进行交互; GPS 短信格式接口类( GPSMC) 的功能是对发送和接收的短信按照GPS 短信格式进行转化;数据通用接口类(DBManager) 的功能是对增、删、改、查等数据操作进行统一的封装;CMPP 通信代理接口类(CMPPMC) 的功能是根据CMPP2.0 协议与ISMG 网关进行通信,完成短信的发送与接收。


图3 　农场短信中心设计类图

2.2 农场短信中心软件结构

　　ISMG是处于中国移动SMSC 和农场短信中心之间的部分,它为这2 个实体的数据交换提供安全、快捷的通道。ISMG与中国移动SMSC 之间使用短消息点对点协议( short message peer to peer ,SMPP) ,与农场短信中心之间使用CMPP 协议,因此农场短信中心需要根据CMPP2.0 协议从ISMG处接收和发送GPS 格式的短信。农场短信中心软件结构见图4 [5] 。


图4 农场短信中心软件结构

2.3 农场短信中心主要功能

　　农场短信中心主要功能是发送和接收短信,同时根据GPS 短信格式对接收和发送的短信进行编码处理,使GPS 车载单元及GIS 系统能够识别短信。其具体功能是:发送和接收短信,提供数据通用接口、GPS 短信通信格式接口和CMPP 通信代理接口[6] 。

3 性能测试试验

　　对该农场短信中心进行了性能测试试验① ,结果见表1 。可以看出,基于GPS 和GSM 的农场短信中心运行稳定,数据处理能力强,时延小(通常为2～10 s) ,适用于农机车辆较多(大于40 台) 的农场。GPS 车载单元将农机的动态位置及状态通过GSM 网发送到农场短信中心,农场短信中心为农场应用GPS 提供了及时准确的通信保障。

表1 　农场短信中心性能测试结果


　　注:共进行30 组试验,每组发送短信1000 条。
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qq:1029915296