黃　靜， ?！▲?/p>

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

?

基于心跳機(jī)制的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃靜， 牛鴿

(浙江理工大學(xué) 信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)因地域范圍廣、環(huán)境因素相對(duì)變化大，系統(tǒng)易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信故障問(wèn)題,采用Push模式結(jié)合心跳加速協(xié)議的心跳檢測(cè)方法，用以判斷網(wǎng)絡(luò)的連接狀況，減少系統(tǒng)的誤判率；在網(wǎng)絡(luò)異常時(shí),通過(guò)連續(xù)請(qǐng)求,實(shí)現(xiàn)重連或提示管理者采取相應(yīng)的措施。測(cè)試結(jié)果表明:該方法提高了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與通信的可靠性和可用性。

心跳機(jī)制； Push模式; ZigBee

0　引　言

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息復(fù)雜多樣，分布范圍廣，對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的快速采集和處理是實(shí)現(xiàn)智能化重要基礎(chǔ)和前提條件。實(shí)際應(yīng)用中，如網(wǎng)絡(luò)中斷、網(wǎng)線斷開(kāi)、設(shè)備硬件故障等原因可能導(dǎo)致通信模塊故障，造成局域網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和可靠性降低。嚴(yán)重影響了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。建立一個(gè)實(shí)用、可靠、可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是必要的。

鄢鋒[1]在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中采用心跳環(huán)機(jī)制判斷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常斷開(kāi)時(shí)，無(wú)法及時(shí)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)斷開(kāi)的情況。Chen W[2]針對(duì)改進(jìn)的推式(Push)的故障檢測(cè)進(jìn)行了研究，但是在Push方式下被測(cè)節(jié)點(diǎn)周期性主動(dòng)發(fā)送心跳信息，自適應(yīng)能力差，無(wú)法調(diào)節(jié)心跳檢測(cè)周期，降低了網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。

本文在上述研究基礎(chǔ)上，采用Push模式結(jié)合心跳加速協(xié)議的心跳檢測(cè)方法，在客戶端與服務(wù)器之間采用不同的心跳檢測(cè)機(jī)制，用以網(wǎng)絡(luò)通信狀態(tài)檢測(cè)和判斷；在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常時(shí)，通過(guò)連續(xù)請(qǐng)求連接實(shí)現(xiàn)重連或提示管理者采取相應(yīng)的措施，保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用程序的正常運(yùn)行和服務(wù)不中斷。

1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集層、傳輸層和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心3部分組成。數(shù)據(jù)采集層采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為農(nóng)田環(huán)境感知終端，完成目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域環(huán)境采集的工作；并將采集到的數(shù)據(jù)上傳到嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)遠(yuǎn)程客戶端的訪問(wèn)請(qǐng)求，根據(jù)需要對(duì)遠(yuǎn)程控制模塊發(fā)出命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)、存儲(chǔ)、分析、展示目標(biāo)檢測(cè)區(qū)域中的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee是一種低功耗、低速率、延時(shí)短的雙向無(wú)線通信技術(shù)，適合應(yīng)用在不易長(zhǎng)距離現(xiàn)場(chǎng)布線、數(shù)據(jù)采集覆蓋面積廣的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通常分為路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)3個(gè)部分。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)搭載各類傳感器周期性地采集農(nóng)作物參數(shù)信息；路由節(jié)點(diǎn)起到路由的作用，對(duì)采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

傳感器終端節(jié)點(diǎn)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)和前提，它的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的性能有重要影響。溫濕度傳感器采用由瑞士Sensirion公司推出的多功能式智能傳感器SHT15，將溫濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)放大器、I2C總線接口全部集成到一個(gè)芯片內(nèi)，具有體積小、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，采集完成后關(guān)閉傳感器電源進(jìn)一步降低功耗，能滿足對(duì)農(nóng)田溫濕度采集的需要[3]。采用ZigBee技術(shù)和SHT15傳感器的結(jié)合完成環(huán)境溫濕度的采集，如圖2所示。

圖2　ZigBee與SHT15連接圖

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)還可以搭載其他傳感器(溫度、濕度、光照、CO2)和繼電器等組成無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò),通過(guò)具有自適應(yīng)切換功能的網(wǎng)關(guān)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)接入傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。

2　心跳檢測(cè)機(jī)制優(yōu)化設(shè)計(jì)

心跳檢測(cè)是周期性、循環(huán)地發(fā)送心跳信息，用于判斷網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接是否正常?；赥CP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，往往不能及時(shí)有效發(fā)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器是否連接正常[4,5]。采用心跳檢測(cè)機(jī)制，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)，能夠及時(shí)通知管理者采取相應(yīng)的措施，保證應(yīng)用程序與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的正常運(yùn)行和服務(wù)的不中斷的要求。

2.1心檢檢測(cè)模式

心跳檢測(cè)通常分為Push和Pull兩種模式[6,7]，Push模式是被檢測(cè)節(jié)點(diǎn)向檢測(cè)節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送Push心跳信息，如果在指定的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有收到心跳信息，則認(rèn)為被檢測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，如圖3所示。

圖3　Push模式圖

Pull模式則是由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主動(dòng)向被檢測(cè)節(jié)點(diǎn)周期性地發(fā)送心跳查詢信息，若在指定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到被檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)，則認(rèn)為被測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障，如圖4所示。

圖4　Pull模式

假設(shè)兩種檢測(cè)方式單向通信開(kāi)銷均相同[8,9]，即通信數(shù)據(jù)包占總線通信時(shí)間相同，定義為T。當(dāng)采用Pull模式時(shí)，每檢測(cè)一次，需要發(fā)送與反饋兩個(gè)環(huán)節(jié)，通信開(kāi)銷較大為Fpull=2T，采用Push模式，每檢測(cè)一次，只需單向發(fā)送心跳包，通信開(kāi)銷為Fpush=T。

兩種心跳模式都是按照心跳機(jī)制周期性地發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包，并通過(guò)在指定的時(shí)間內(nèi)是否收到響應(yīng)判斷網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。準(zhǔn)確性與快速性是故障檢測(cè)的兩個(gè)關(guān)鍵因素。檢測(cè)時(shí)間過(guò)大,不容易快速檢測(cè)出故障,過(guò)小則容易產(chǎn)生誤判。

2.2心跳機(jī)制的優(yōu)化

在單服務(wù)器多客戶端的系統(tǒng)中，服務(wù)器的持續(xù)可靠運(yùn)行是保證整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵,為滿足系統(tǒng)的要求，提高判別的準(zhǔn)確率，減少系統(tǒng)的開(kāi)銷，綜合考慮影響心跳檢測(cè)性能的因素，通過(guò)在兩端設(shè)置不同的心跳模式，以便在網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)能夠及時(shí)提醒用戶。

首先客戶端與服務(wù)器通過(guò)Socktet建立連接并啟動(dòng)心跳包機(jī)制，在客戶端設(shè)置Push心跳周期假設(shè)為T1，服務(wù)器端心跳周期為T2，且T2>T1。

1)客戶端每隔一段T1時(shí)間向服務(wù)器發(fā)送Push信息，如果在T2時(shí)間內(nèi)，服務(wù)器收到客戶端的Push心跳信息，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)連接正常并進(jìn)入下一個(gè)檢測(cè)周期T2;否則,轉(zhuǎn)入步驟(2)。

2)若在T2時(shí)間內(nèi),沒(méi)有收到某個(gè)客戶端的心跳信息，則把服務(wù)器當(dāng)前周期減半為T2/2。對(duì)此客戶端發(fā)送Pull心跳信息，若在T2時(shí)間內(nèi)，服務(wù)器收到此客戶端的Push心跳信息或Pull響應(yīng)信息，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)連接正常，并將服務(wù)器心跳檢測(cè)周期T2恢復(fù)到初始值，并轉(zhuǎn)為步驟一；否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟(2)，一直到心跳周期小于客戶端與服務(wù)器之間的環(huán)回時(shí)間T2

分析協(xié)議可知,服務(wù)器節(jié)點(diǎn)判定客戶端異常的檢測(cè)延遲最大為

(1)

3　系統(tǒng)測(cè)試

采用天嵌公司出品的的TQ210開(kāi)發(fā)板作為服務(wù)器，主要包括兩個(gè)線程，心跳檢測(cè)線程和普通消息處理線程，主線程將請(qǐng)求連接的客戶端套接字與連接時(shí)間加入數(shù)組中，并在一個(gè)循環(huán)中接收客戶端的消息請(qǐng)求；而心跳檢測(cè)過(guò)程包括心跳消息發(fā)送和檢測(cè)兩個(gè)部分；利用Myeclipse平臺(tái)開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程客戶機(jī)，模擬不同網(wǎng)絡(luò)條件(網(wǎng)絡(luò)擁塞、網(wǎng)絡(luò)中斷)在只有Push,Pull,Push與心跳加速協(xié)議情況下進(jìn)行心跳模型的功能測(cè)試。

客戶端采用Push模式在間隔T1=20s的時(shí)間內(nèi)往服務(wù)器發(fā)送心跳信息，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5　Push心跳檢測(cè)

服務(wù)器采用Pull模式在間隔T2=30 s的時(shí)間內(nèi)往客戶端發(fā)送心跳檢測(cè)信息，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6　Pull心跳檢測(cè)

客戶端采用Push模式每隔T1=20 s的時(shí)間內(nèi)往服務(wù)器發(fā)送心跳信息，服務(wù)器每隔T2=30 s的時(shí)間檢測(cè)是否收到客戶端的心跳信息，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

圖7　Push與心跳加速協(xié)議

經(jīng)模擬測(cè)試如表1可知，在網(wǎng)絡(luò)連接正常情況下，服務(wù)器與客戶端能夠正常保持通信；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí)，在Push與Pull模式下，易產(chǎn)生誤判。Push與心跳加速協(xié)議下，當(dāng)服務(wù)器檢測(cè)不到Push心跳信息時(shí)，以當(dāng)前周期的二分之一間隔向客戶端發(fā)送心跳檢測(cè)，提高了判斷的準(zhǔn)確性。網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，在Push與Pull模式下客戶端不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)斷網(wǎng)狀態(tài)，Push與加速心跳協(xié)議模式下，能夠釋放客戶端資源，及提醒管理者采取相應(yīng)的措施。綜上分析，采用Push與心跳加速協(xié)議心跳檢測(cè)機(jī)制比只使用Push,Pull模式提高了判斷的準(zhǔn)確性；提高了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)與通信的可靠性和可用性。

在恒定溫度29 ℃的空調(diào)房間內(nèi)每隔5s采集的溫室度

表1　心跳模式的比較

數(shù)據(jù)如表2所示。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、連續(xù)采集環(huán)境參數(shù),為獲取農(nóng)業(yè)環(huán)境信息，提供了靈活有效的監(jiān)控手段。

表2　遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

4　結(jié)　論

本文針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)易出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)通信故障問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于心跳機(jī)制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；在分析心跳模式的基礎(chǔ)上，提出了一種在客戶端與服務(wù)器之間采用Push結(jié)合加速心跳協(xié)議的檢測(cè)方法；測(cè)試結(jié)果表明:該方法減少了系統(tǒng)的開(kāi)銷，提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，保證了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量與通信的可靠性和可用性。

[1]鄢鋒,桂衛(wèi)華,胡志坤,等.基于Socket的整流裝置遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程,2008(5):243-245.

[2]Chen W,Sam T,Marcos K A．On the quality of service of failure detectors[J].IEEE Transactions on Computers,2002,51(1):13-32.

[3]衣翠平,柏逢明.基于ZigBee技術(shù)的CC2530糧庫(kù)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)研究[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011(4):53-57.

[4]周磊.容災(zāi)系統(tǒng)控制平臺(tái)與心跳檢測(cè)技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[5]張丹.基于自適應(yīng)心跳協(xié)議的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)簇首冗余機(jī)制研究[D].重慶：西南大學(xué),2010.

[6]王明,張春熹,伊小素.基于自適應(yīng)心跳算法的分布式系統(tǒng)故障檢測(cè)器[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2013(7):952-956.

[7]張水平,李有峰,童樣,等.云數(shù)據(jù)中心心跳檢測(cè)與故障評(píng)估[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2014(10):3386-3391.

[8]謝長(zhǎng)生,胡慶平,譚志虎.Heartbeat-Gear:一種新型的實(shí)時(shí)心跳監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),2004(5):62-65.

[9]鄒見(jiàn)效,張正遷,徐紅兵.三重化冗余多機(jī)系統(tǒng)心跳檢測(cè)機(jī)制研究[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010(3):379-383.

Design of agricultural IoT data acquisition system based on heartbeat mechanism*

HUANG Jing, NIU Ge

(College of Information,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China)

Aiming at problem of network communication failure appeared in system because of wide geographical range and big relative change of environmental factors,use heartbeat detecting method adopting push mode combined with rapid heartbeat protocol to judge network connection status,and decrease misdiagnosis rate of system;when network is abnormal,through continuous request realize reconnection or prompt managers to take corresponding measures.Test result show that the method improves network service quality and communication reliability and availability of remote data acquisition system.

heartbeat mechanism; Push model; ZigBee

10.13873/J.1000—9787(2016)09—0095—03

2015—11—27

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY12F03012)

TP 302.1

A

1000—9787(2016)09—0095—03

黃靜(1965-)，女，浙江杭州人，博士，教授，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)及智能控制。