物联网应用中的跨平台数据通信

摘要：5G网络的到来，将开启“万物互联”时代。物联网技术就是使各种设备都能接入网络，需要实现跨平台的数据通信。为了解决这一问题，模拟办公楼安防监测系统，设计了一个桌面端和移动端通信的方案。该方案充分利用Socket技术优势，采用UDP协议，实现了C#平台和Android平台的数据通信。移动端通过ADAM4150采集火焰、烟雾、红外对射的信号状态，并将采集的信号状态发送给桌面端。桌面端编程语言是C#，采用WPF框架实现表现层开发，接收移动端通过网络发送的信号状态。

关键词： 物联网;Socket编程;C#;Android

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）20-0015-03

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

近几年来，随着物联网技术的发展，智能医疗、智能交通、智能家居、智能物流以及智慧城市的研究和应用非常广泛，物联网正在悄然改变我们的生活，使人们的生活更加便捷和舒适[1]。5G网络的到来，将开启“万物互联”时代。物联网技术就是使各种设备都能接入网络，实现跨平台的数据通信。一般的物联网应用程序都支持电脑、手机和平板等多种设备使用，需要实现桌面端和移动端的跨平台通信。

目前，C#已经成为开发物联网桌面端的主流语言，而Android成为开发物联网移动端的主流语言。标准的Socket通信技术可以实现任何平台和任何进程之间的通信，在PC端和Android手机端通过有线或无线的连接情况下，实现两端设备的Socket连通[2]。

1 实现通信的关键技术

1.1 Socket通信原理

Socket的英文原义是“孔”或“插座”，也被称作“套接字”，用于描述IP地址和端口，是一个通信链的句柄，可以实现不同系统之间的通信[3]。在TCP/IP网络中，应用程序通过“套接字”发出请求或应答请求，“套接字”采用客户端/服务器端（Client/Server， C/S）模式。“套接字”之间的连接过程分为三个步骤：1）服务器监听：服务器实时监听网络状态，处于等待连接的状态;2）客户端请求：由客户端“套接字”提出连接请求，连接的是服务器端的“套接字”;3）连接确认：当服务器端“套接字”监听到客户端“套接字”的连接请求后，它就激活一个新进程处理客户端请求，两端连接上后可进行数据传输的操作。而服务器“套接字”继续处于监听状态，接受其他客户端“套接字”的连接请求。

Socket有两种操作方式：面向连接和无连接的。面向连接的操作使用TCP协议，这种方式在正式发送数据前，必须和对方建立可靠的连接。一个TCP连接必须经过三次握手才能建立起来，TCP对应的是可靠性要求高的应用;而无连接的操作方式使用UDP协议，这种操作在正式通信前不必与对方先建立连接，不管对方状态就直接发送数据。UDP对应的是可靠性要求低、通信效率高的应用。

1.2 C#中的Socket编程

C#语言简洁的语法和强大的功能使套接字编程变得十分简单，在命名空间System.Net.Sockets中，Socket类提供了对套接字的支持[4]。应用程序通过TcpClient类和TcpListener类使用传输控制协议（TCP），通过UdpClient使用用户数据文报协议（UDP），而TcpClient、TcpListener和UdpClient这些协议类都是建立在Socket类的基础之上，负责数据传输的细节工作。

网络通讯中的所有数据都是以字节的形式进行传输的，因此必须把数据转化为byte[]的类型。命名空间System.Text中的Encoding类，可以实现字符串和字节数组的相互转换，而System命名空间中的BitConverter类，则实现基础数据类型与字节数组的相互转换。

1.3 Android中的Socket编程

Android编程使用的是Java语言，因此Java Socket网络编程在Android平台都是适用的，但Android平台也有其特殊性之处。Socket編程通常采用客户端/服务器端（Client/Server， C/S）模式，服务器必须有一个固定的IP地址，才能接收客户端的请求。而手机的IP地址是由运营公司动态分配的，所以Android端通常运行的是客户端程序[5]。

Java在包java.net中提供所有与网络通信相关的类。其中，InetAddress类封装了IP地址，利用该类可以获取IP地址和主机地址等信息。ServerSocket类表示服务器套接字，通过指定的端口监听请求，建立连接后进行数据交互。Socket类表示客户端套接字，用于向服务器发出请求连接，连接建立后也可进行数据交互。

2 系统设计

2.1 总体设计

模拟办公楼安防监测系统，设计一个桌面端和Android移动端通信的模型。系统启动后，桌面端接收移动终端通过网络发送的火焰、烟雾、红外对射的信号状态，并将各信号的状态显示在界面上，使用网络摄像机实现视频监控和记录功能。移动端使用 ADAM4150 数字量采集器采集火焰、烟雾、红外对射信号并实现对报警灯和照明灯的控制，使用网络摄像机获取实时图像。系统有线信号拓扑图如图2所示。

系统采用UDP协议进行跨平台通信。UDP就是用户数据报协议，处于互联网参考模型的第四层-传输层，它是一种无连接不可靠的信息传输。相比于TCP协议，UDP协议少了三次握手建立连接、维护连接和释放连接等一系列过程，因此具有很小的资源消耗和处理速度快的优点。

2.2 C#桌面端设计

桌面端的开发环境为Visual Studio 2012 和 SQL Server 2008R2，编程语言为C#，使用WPF框架实现表现层开发。WPF提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了界面设计与开发工作的分离[6]。桌面端接收移动终端通过网络发送的火焰、烟雾、红外对射的信号状态，并将各信号的状态显示在界面上。楼宇安防系统主界面设计如图3所示。

桌面端应用程序，创建一个UdpClient对象，并将它绑定到端口号10000。创建一个线程，监听数据。在接收数据线程中，首先调用Receive（）方法返回远程移动端发送的 UDP 数据报，然后解析UDP数据报，最后调用Dispatcher.Invoke（）方法更新界面上的UI元素，如红外对射、火焰、烟雾的状态。以下是桌面端的关键代码。

2.3 Android移动端设计

Android移动端的开发环境为Eclipse 4.2.2 和 Android SDK。移动端应用程序，使用 ADAM4150 数字量采集器实时采集火焰、烟雾、红外对射信号状态，并显示在界面上，同时将采集到的信号状态发送给桌面端。当检测到火焰或烟雾时，亮起报警灯。如果启用了“入侵报警”，当检测到红外对射信号，亮起报警灯。楼宇安防监测系统移动端界面设计如图4所示。

移动端应用程序，首先创建一个DatagramSocket实例对象建立Socket服务，调用connect（）指定要发送的远端IP地址和端口号;然后创建一个DatagramPacket实例对象，将要发送的红外对射、火焰、烟雾的信号状态打包到DatagramPacket中去;调用DatagramSocket中的Send（）方法发送数据;最后关闭Socket服务。

3 结语

为了解决物联网应用系统中的跨平台通信的问题，模拟办公楼安防监测系统，设计了一个桌面端和Android移动端通信的模型，利用UDP协议，使用Socket接口实现两端设备的连通。桌面端利用C#语言编写应用程序，并且使用WPF框架实现表现层开发，可以接收移动端通过网络发送的火焰、烟雾、红外对射的信号状态，并且将状态显示到界面上。而移动端通过ADAM4150采集火焰、烟雾、红外对射的信号状态，即显示在界面上，又将信号状态发送到桌面端。另外本设计还可以应用到物联网的其它应用领域。

参考文献：

[1] 王昊. 基于工控机平台智能家居系统设计与实现[D].山东：山东大学，2016.

[2] 何诚， 邵乾飞， 袁浩， 等.基于Socket实现Android（java）与C#的同步通信[J].无线互联科技，2015（2）：15-16.

[3] 杨文珺， 王志杰. C#物联网应有程序开发[M].北京：机械工业出版社，2017.

[4] 张凌晓， 袁東锋， 刘克成. Visual C# 2010程序设计[M].北京：中国铁道出版社，2013.

[5] 林志红. Android Socket网络编程体会[J].科学技术创新，2017（28）：140-141.

[6] 顾家铭. WPF在物联网环境监测系统中的应用[J].电脑知识与技术，2018，14（17）：287-288.

【通联编辑：王力】