劉志博，鄧中亮

(北京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876)

基于MINA的定位終端通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉志博，鄧中亮

(北京郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876)

我國(guó)是世界上自然災(zāi)害最嚴(yán)重的國(guó)家之一，尤其是近幾年來(lái)，全球氣候變暖和厄爾尼諾現(xiàn)象愈加嚴(yán)重，我國(guó)各地頻發(fā)災(zāi)害，加之各種災(zāi)害難以預(yù)測(cè)，人員損失和經(jīng)濟(jì)損失逐年劇增。嚴(yán)峻的災(zāi)害形勢(shì)迫切要求我國(guó)不斷提升綜合減災(zāi)與救災(zāi)能力。本生命探測(cè)系統(tǒng)以CDMA定位技術(shù)為支撐，融合應(yīng)急基站手機(jī)定位、Wi-Fi通信、基于MINA框架的網(wǎng)絡(luò)通信、并行多線程開(kāi)發(fā)等技術(shù)，通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部交互的一系列服務(wù)協(xié)議，構(gòu)建了多功能的定位服務(wù)系統(tǒng)，為用戶提供了簡(jiǎn)潔美觀、方便易用的用戶界面。本生命探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了災(zāi)后復(fù)雜環(huán)境下高精度生命探測(cè)與定位，災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)搜救，應(yīng)急指揮調(diào)度，應(yīng)急減災(zāi)信息位置服務(wù)等功能。本文重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了生命探測(cè)系統(tǒng)嵌入式定位終端的硬件裝置和軟件平臺(tái)的搭建，定位終端采用了嵌入式設(shè)備與MINA框架相結(jié)合的方法，具有一定的新穎性。測(cè)試證明，嵌入式定位終端與服務(wù)器端可以進(jìn)行準(zhǔn)確穩(wěn)定地?cái)?shù)據(jù)通信。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；災(zāi)后定位；MINA框架；嵌入式

0 引言

隨著全球各種自然災(zāi)害的頻頻發(fā)生，世界各國(guó)對(duì)災(zāi)后的被困人員救援愈發(fā)重視。我國(guó)70%以上的城市和50%以上的人口分布在氣象、地震、地質(zhì)、海洋等自然災(zāi)害嚴(yán)重的地區(qū)，并且災(zāi)害種類多、分布地域廣、發(fā)生頻率高、造成損失重。因此，我國(guó)災(zāi)后被困人員的救援工作是救災(zāi)工作的重中之重。災(zāi)后被困人員的最佳救援時(shí)間不超過(guò)72小時(shí)，如何能夠準(zhǔn)確快速地定位被困人員，尤其是被廢墟掩埋的被困人員，是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的搜救技術(shù)裝備均有一些缺點(diǎn)。如聲波、光學(xué)生命探測(cè)儀需要將探頭深入廢墟的縫隙中，探測(cè)速度較慢；紅外熱成像生命探測(cè)儀探測(cè)距離能達(dá)到數(shù)十米甚至上百米，但是不具備對(duì)于墻體等嚴(yán)重遮擋物的穿透能力；雷達(dá)生命探測(cè)儀在穿透廢墟是探測(cè)距離仍然有限，且不具備對(duì)于大面積廢墟內(nèi)被困人員的并行定位能力。根據(jù)工信部最新數(shù)據(jù)顯示，截至2015年12月底，我國(guó)手機(jī)用戶數(shù)達(dá)13.06億戶，手機(jī)用戶普及率達(dá)95.5部/百人[1]，這為我國(guó)開(kāi)展基于手機(jī)的生命探測(cè)技術(shù)奠定了用戶基礎(chǔ)。本生命探測(cè)系統(tǒng)以CDMA手機(jī)定位技術(shù)為支撐，融合多項(xiàng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)于災(zāi)后廢墟內(nèi)被困人員的定位，進(jìn)一步提高我國(guó)應(yīng)急搜救隊(duì)伍的技術(shù)裝備水平，提高災(zāi)后被困人員搜救的效率。本文首先介紹系統(tǒng)總體方案，而終端通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)是本文的重點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述

災(zāi)后區(qū)域地質(zhì)情況復(fù)雜，三大運(yùn)營(yíng)商的通信基站會(huì)有極大概率宕機(jī)，而衛(wèi)星通信和應(yīng)急移動(dòng)通信基站受地質(zhì)情況影響較小。因此，基于CDMA手機(jī)定位生命探測(cè)系統(tǒng)（圖1）是由北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)模塊、應(yīng)急移動(dòng)通信基站、定位終端和定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)四大部分組成。本系統(tǒng)應(yīng)急移動(dòng)通信基站具有高精度時(shí)間同步裝置，保證基站、定位終端與北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊嚴(yán)格同步發(fā)送北斗定位信息。

圖1 基于CDMA手機(jī)定位生命探測(cè)系統(tǒng)

本生命探測(cè)系統(tǒng)包括3個(gè)定位終端和1個(gè)應(yīng)急移動(dòng)通信基站，它們均帶有北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位模塊產(chǎn)生各終端位置信息，定位終端中FPGA實(shí)時(shí)采集CDMA手機(jī)數(shù)據(jù)，定位終端融合這些定位信息，并依照內(nèi)部協(xié)議打包封裝。封裝完成后的數(shù)據(jù)借助Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)傳送到定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)，請(qǐng)求解算服務(wù)器進(jìn)行解算。解算服務(wù)器解算后的數(shù)據(jù)，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)交給地圖顯示服務(wù)器處理，同步在救災(zāi)指揮中心設(shè)備上顯示。

本文主要研究該系統(tǒng)中定位終端與定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的通信方法。本系統(tǒng)中定位終端由多個(gè)模塊構(gòu)成，各模塊在嵌入式ARM處理器的控制下，將數(shù)據(jù)交由ARM處理器按照制定的協(xié)議打包封裝，統(tǒng)一發(fā)送至定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)。下面重點(diǎn)介紹定位終端與定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

2 定位終端與系統(tǒng)平臺(tái)通信設(shè)計(jì)

2.1 定位終端設(shè)計(jì)需求

本系統(tǒng)中定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)采用典型的請(qǐng)求定位模式，定位終端將終端位置信息、采集到的CDMA手機(jī)信息、各定位終端的ID號(hào)等數(shù)據(jù)打包封裝成幀，實(shí)時(shí)上傳到定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)請(qǐng)求定位。這就要求制定相應(yīng)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)定位終端與定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的通信。同時(shí)，必須采用無(wú)線通信方式，以保證定位終端的便攜性和與救災(zāi)指揮中心聯(lián)系的實(shí)時(shí)性。

2.2 定位終端結(jié)構(gòu)

定位終端包括嵌入式ARM處理控制板、FPGA數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊和北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)模塊。嵌入式ARM處理控制板負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制各模塊之間的通信，并將各組數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包封裝成幀發(fā)送到定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)；FPGA數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)處理由應(yīng)急移動(dòng)通信基站激活的CDMA手機(jī)數(shù)據(jù)；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)終端負(fù)責(zé)將裝備位置信息發(fā)送到嵌入式ARM處理控制板；網(wǎng)絡(luò)通信模塊負(fù)責(zé)通過(guò)Wi-Fi協(xié)議將封裝完成的自定義協(xié)議幀發(fā)送到定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的無(wú)線接收端。

圖2 定位終端結(jié)構(gòu)

2.3 定位終端通信協(xié)議

定位終端與系統(tǒng)平臺(tái)之間、系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)部各服務(wù)器之間都需要使用預(yù)先制定的協(xié)議進(jìn)行通信。采用自定義協(xié)議方便識(shí)別與提取有效數(shù)據(jù)，并且占用最少比特編碼，保證數(shù)據(jù)最有效最快速的傳輸。各部分通信協(xié)議均以固定格式數(shù)據(jù)包制定，通過(guò)TCP Socket套接字傳輸，保證數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生丟包。定位終端與系統(tǒng)平臺(tái)通信協(xié)議數(shù)據(jù)包，即請(qǐng)求定位數(shù)據(jù)幀，由同步頭、數(shù)據(jù)信息和CRC校驗(yàn)位組成。其中，同步頭數(shù)據(jù)主要用于進(jìn)行通信數(shù)據(jù)幀的起始同步判斷；數(shù)據(jù)信息主要由定位終端ID號(hào)、終端位置信息和應(yīng)急移動(dòng)通信基站激活的CDMA手機(jī)信號(hào)數(shù)據(jù)；CRC校驗(yàn)位主要是為了保證信息傳輸?shù)目煽啃院陀行浴?/p>

圖3 請(qǐng)求定位數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

3 定位終端與系統(tǒng)平臺(tái)通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

定位終端與系統(tǒng)平臺(tái)通信的實(shí)現(xiàn)硬件主要是嵌入式ARM處理控制板與網(wǎng)絡(luò)通信模塊，軟件則是通信協(xié)議的制定。根據(jù)需要硬件選取以三星公司ARM9處理器S3C2440為核心設(shè)計(jì)的JZ2440開(kāi)發(fā)板，網(wǎng)絡(luò)通信模塊則選取有人科技公司USR-WIFI232-610聯(lián)網(wǎng)模塊，軟件則以MINA網(wǎng)絡(luò)框架進(jìn)行通信協(xié)議的自定義和數(shù)據(jù)包的發(fā)送。

3.1 定位終端硬件環(huán)境的配置

定位終端與系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)MINA網(wǎng)絡(luò)框架自定義的協(xié)議進(jìn)行通信，而MINA網(wǎng)絡(luò)框架是基于Java語(yǔ)言構(gòu)建，需要在定位終端ARM開(kāi)發(fā)板上構(gòu)建Java運(yùn)行環(huán)境。JZ2440開(kāi)發(fā)板出廠已自帶Linux操作系統(tǒng)和arm-linux-gcc工具，其中arm-linux-gcc工具是ARM環(huán)境下運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)下所編寫代碼的交叉編譯工具，arm-linux-gcc工具提供了一種編寫環(huán)境和執(zhí)行環(huán)境分離的手段。

為在ARM開(kāi)發(fā)板的Linux操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行Java程序，本文采用安裝JamVM，并用SecureCRT軟件與ARM開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信。JamVM是一個(gè)小型的Java虛擬機(jī)，符合JVM規(guī)范第二版本。它雖然小但支持完整的規(guī)范，包括支持對(duì)象的收尾器調(diào)用，對(duì)象的次、弱、虛引用，類卸載，java 本地接口（JNI）與反射API[2]。JamVM在引入相關(guān)MINA框架jar包后，可運(yùn)行基于MINA框架開(kāi)發(fā)的程序。

3.1.1 GNU Classpath的安裝

GNU Classpath是為了使用Java虛擬機(jī)運(yùn)行Java程序的基本類庫(kù)，也是運(yùn)行JamVM不可缺少的類庫(kù)[3]。

將下載的Classpath-0.98解壓縮：

進(jìn)入classpath-0.98文件夾：

指定編譯工具，指定目標(biāo)平臺(tái)，執(zhí)行命令：

根據(jù)需求完成配置后編譯：

編譯完成后執(zhí)行安裝命令：

GNU Classpath這時(shí)已經(jīng)安裝完成。

3.1.2 JamVM的安裝

下載 jamvm-1.5.4.tar.gz 并解壓：

進(jìn)入jamvm-1.5.4目錄

指定安裝地址，指定classpath地址，指定目標(biāo)平臺(tái)，執(zhí)行命令

編譯過(guò)程中可能會(huì)有錯(cuò)誤提示信息出現(xiàn)，根據(jù)提示添加需要工具即可。?

根據(jù)需求完成配置后編譯

編譯完成后執(zhí)行安裝命令

將GNU Classpath和JamVM移植到ARM開(kāi)發(fā)板，再進(jìn)行相關(guān)環(huán)境配置即可運(yùn)行Java程序。

添加環(huán)境變量

指定 LD_LIBARY_PATH 環(huán)境變量

指定類路徑

安裝完成后執(zhí)行命令

顯示如圖4則表示安裝成功。

圖4 JamVM安裝成功

試運(yùn)行java程序HelloWorld顯示如圖5

圖5 HelloWorld運(yùn)行成功

3.2 定位終端軟件程序的設(shè)計(jì)

3.2.1 MINA框架結(jié)構(gòu)

MINA（Multipurpose Infrastructure for Network Applications）是Apache軟件組織開(kāi)發(fā)的一個(gè)可用于開(kāi)發(fā)高性能和高可用性的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序的基礎(chǔ)框架[4]。MINA框架采用了Java NIO，即異步輸入輸出技術(shù)，可以方便的支持TCP/UDP協(xié)議；同時(shí)MINA擁有靈活、可配置的線程模型，網(wǎng)絡(luò)通信程序開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)實(shí)際需要選擇相應(yīng)的線程模型。MINA框架的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 MINA框架結(jié)構(gòu)

MINA網(wǎng)絡(luò)通信框架主要由會(huì)話服務(wù)管理（IoService）、I/O過(guò)濾器鏈（IoFilterChain）、邏輯業(yè)務(wù)處理器（IoHandler）和I/O會(huì)話管理（IoSession）等模塊組成[5]。IoService是創(chuàng)建通信服務(wù)的頂層接口，支持TCP/UDP協(xié)議讀寫操作，直接與遠(yuǎn)程對(duì)應(yīng)端進(jìn)行通信底層操作，IoService的兩個(gè)子接口IoAcceptor和IoConnector分別對(duì)應(yīng)服務(wù)端和客戶端。IoFilterChain接收IoService傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并使用I/O過(guò)濾器進(jìn)行過(guò)濾，可添加編解碼器、日志記錄和線程池等。IoHandler負(fù)責(zé)用后臺(tái)業(yè)務(wù)邏輯處理由過(guò)濾器鏈過(guò)濾后的消息。IoSession負(fù)責(zé)保持一個(gè)有效的連接會(huì)話，直到網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)或者用戶斷開(kāi)連接。

3.2.2 Log4j日志管理功能

日志管理是軟件系統(tǒng)中的重要功能，Log4j[6]是Apache的一個(gè)開(kāi)放源代碼項(xiàng)目，它可以控制日志信息輸送的目的地，控制臺(tái)、文件、GUI（graphical user interface）組件、套接口服務(wù)器等都可以作為目的地；用戶還可以使用Log4j控制日志的輸出格式，控制日志信息的級(jí)別，甚至可以細(xì)致地控制日志的生成過(guò)程。而這些功能都可以通過(guò)一個(gè)配置文件來(lái)進(jìn)行配置，并不需要修改程序代碼，能給軟件系統(tǒng)日志管理功能的開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大的方便。

3.2.3 通信程序的設(shè)計(jì)

根據(jù)自定義通信協(xié)議和MINA框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通信程序結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 自定義通信協(xié)議編解碼結(jié)構(gòu)

通信程序首先識(shí)別各模塊的數(shù)據(jù)，分別賦予其邏輯意義，然后通過(guò)MessageEncode轉(zhuǎn)換為固定格式的二進(jìn)制數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包末尾添加CRC校驗(yàn)位，保證數(shù)據(jù)的有效性，各個(gè)數(shù)據(jù)包首尾相連，形成二進(jìn)制數(shù)據(jù)流。當(dāng)服務(wù)器端IoAcceptor開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)，客戶端將編碼完成的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)IoFilterChain過(guò)濾后，按照IoHandler中相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯處理，最終發(fā)送到服務(wù)器端。服務(wù)器端收到數(shù)據(jù)后將首先驗(yàn)證數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)格式的準(zhǔn)確性，通過(guò)decodable方法驗(yàn)證后，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

4 通信測(cè)試

本次測(cè)試首先在PC上進(jìn)行虛擬測(cè)試，測(cè)試3個(gè)定位終端與系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)端自定義通信協(xié)議的正確性如圖8所示。

系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)端接收到的定位終端信息如圖9所示。

將程序移植到定位終端進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。

本次測(cè)試采用單對(duì)單測(cè)試，定位終端編碼如圖10所示。

系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)端接收定位終端信息，顯示如圖11所示。

經(jīng)測(cè)試，定位終端與服務(wù)端通信協(xié)議制訂正確，通信良好，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖8 三個(gè)虛擬定位終端編碼

圖9 虛擬測(cè)試下系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)端接收消息

圖10 實(shí)際測(cè)試下定位終端編碼

圖11 實(shí)際測(cè)試下系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)端接受消息

5 結(jié)論

本文介紹了基于手機(jī)定位的生命探測(cè)系統(tǒng)，融合了CDMA手機(jī)定位技術(shù)、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和基于MINA框架的自定義協(xié)議網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等。重點(diǎn)研究了生命探測(cè)系統(tǒng)的定位終端與定位服務(wù)系統(tǒng)平臺(tái)的通信方法，提出了利用嵌入式設(shè)備和MINA框架實(shí)現(xiàn)自定義通信協(xié)議下的無(wú)線通信方法，經(jīng)驗(yàn)證可準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在數(shù)據(jù)采集和無(wú)線通信方面有一定的新穎性。

[1] 2015年通信運(yùn)營(yíng)業(yè)統(tǒng)計(jì)公報(bào). [Online]. Available: http:// www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057511/ n3057518/c4609344/content.html.

[2] 楊海明, 王新輝. Java虛擬機(jī)在ARM-Linux平臺(tái)的移植研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù): 學(xué)術(shù)交流, 2007, 2(11): 1374-1375.

[3] GNU開(kāi)源組織網(wǎng)站. [Online]. Available: http://www.gnu.org/

[4] Lee T. (2006) Introduction to MINA. [Online]. Available: http:// mina.apache.org/mina-project/resources/ACAsia2006.pdf.

[5] 張森. IIP中基于MINA框架的統(tǒng)一接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 25(5): 42-45.

[6] (2004)The complete log4j manual. [Online]. Available: https://www.qos.ch/shop/products/log4j/log4-jManual.jsp

Design and Implementation of Location Terminal Communication Based on MINA

LIU Zhi-bo, DENG Zhong-liang
(Automation School, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 1000876, China)

China is one of the most serious natural disasters in the world, especially in recent years, the global warming and the El Ni?o phenomenon is more serious, frequent disasters in China, combined with various disasters is difficult to predict, personnel losses and economic losses year after year. The severe disaster situation urgently requires our country to continuously improve the comprehensive disaster reduction and disaster relief capability. The life detection system is based on CDMA positioning technology, which integrates mobile base station positioning, Wi-Fi communication, network communication based on MINA framework and parallel multi-thread development. Through the series of service protocols, the multi-functional of the positioning service system, to provide users with a simple and beautiful, easy to use user interface. The life detection system to achieve the complex environment of the post-disaster detection and location of high-precision life, disaster scene search and rescue, emergency command and dispatch, emergency disaster reduction information location services and other functions. This paper focuses on the hardware device and software platform of the embedded positioning terminal of the life detection system. The positioning terminal adopts the method of combining the embedded device and the MINA framework, which has certain novelty. Tests prove that the embedded positioning terminal and the server end can carry out accurate and stable data communication.

Computer application technology; Post-disaster location; MINA network framework; ARM

TP311

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2017.01.001

國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2014BAK12B04)；國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61372110)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFB0502003)

劉志博(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：室內(nèi)外無(wú)縫定位、網(wǎng)絡(luò)通信；鄧中亮(1965-)，男，教授，主要研究方向：室內(nèi)外無(wú)縫定位、衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星通信。

本文著錄格式：劉志博，鄧中亮. 基于MINA的定位終端通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 軟件，2017，38（1）：01-05