黃遞全，向 娟，田壽全

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

多源傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

黃遞全1，向 娟1，田壽全1

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

基于Mina框架，利用Java 技術(shù)詳細(xì)設(shè)計開發(fā)了多源傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)對傳感器終端發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析、展示、轉(zhuǎn)換、加密和發(fā)送等。多源傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為傳感器終端和數(shù)據(jù)中心之間的中介，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自定義協(xié)議轉(zhuǎn)換，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有重要意義。

物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；數(shù)據(jù)協(xié)議；采集終端

當(dāng)前，以物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代技術(shù)為核心的智慧城市建設(shè)理念，成為一種未來城市發(fā)展的全新模式[1]。智慧城市是城市信息化發(fā)展的必然趨勢，是在數(shù)字城市建設(shè)發(fā)展到一定階段，科學(xué)技術(shù)達(dá)到一定水平，社會需求達(dá)到一定程度的必然要求。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)作為智慧城市的關(guān)鍵技術(shù)之一[2,3]，它體現(xiàn)了一種虛擬數(shù)字世界和現(xiàn)實物理世界的融合趨勢。物聯(lián)網(wǎng)是一個層次化的網(wǎng)絡(luò)[4-6]。作為物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)之一的傳感網(wǎng)是指由隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元的微小節(jié)點，通過自組織的方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)[7,8]具有智能獲取、傳輸和處理信息的功能，它將系統(tǒng)和各個節(jié)點有機(jī)地連成一個整體，起到互相協(xié)同的作用。多源傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)智能感知功能的關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

多源傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件搭建主要包括傳感器設(shè)備、供電電源、中央控制單元硬件設(shè)備等。經(jīng)過采集終端系統(tǒng)軟件解析轉(zhuǎn)換為有效數(shù)據(jù)存儲，進(jìn)而發(fā)送到服務(wù)器中心。采集終端硬件鏈接如圖1。

終端系統(tǒng)形成了傳感器數(shù)據(jù)從終端到中央控制單元再到存儲服務(wù)器的一體化流程。系統(tǒng)軟件將多源傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解析，然后按自定義協(xié)議存儲發(fā)送。采集終端數(shù)據(jù)流程圖如圖2。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

圖1 采集終端硬件鏈接圖

傳感器的多樣化導(dǎo)致數(shù)據(jù)格式的不統(tǒng)一，因此需要根據(jù)傳感器各自數(shù)據(jù)格式，按自定義協(xié)議規(guī)范化數(shù)據(jù)，建立系統(tǒng)化數(shù)據(jù)庫。采集終端數(shù)據(jù)庫包括自身屬性數(shù)據(jù)以及表征監(jiān)控點狀態(tài)的傳感器數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)。采集終端數(shù)據(jù)庫設(shè)計如圖3所示。

圖2 采集終端數(shù)據(jù)流程圖

圖3 采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1.3 主要功能模塊設(shè)計

多源傳感器數(shù)據(jù)采集端，也稱作中央控制單元，是物聯(lián)網(wǎng)示范應(yīng)用的基礎(chǔ)，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、發(fā)送等。詳細(xì)功能設(shè)計如圖4所示。

1）數(shù)據(jù)讀取。傳感器的數(shù)據(jù)通過RS485串口與中央控制單元鏈接，中央控制單元根據(jù)不同傳感器的串口參數(shù)（串口號、波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗位等）分別與各傳感器建立鏈接通道。鏈接通道建立后就可以向傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令，傳感器在接收到數(shù)據(jù)讀取命令后向中央控制單元返回實時數(shù)據(jù)。

2）數(shù)據(jù)解析。根據(jù)數(shù)據(jù)來源的串口信息辨識傳感器數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)解析，根據(jù)數(shù)據(jù)來源辨識該條數(shù)據(jù)屬于哪個類型的傳感器數(shù)據(jù)，再根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析規(guī)則解析出數(shù)值。GPS數(shù)據(jù)解析，根據(jù)特定編碼方式，將字節(jié)流轉(zhuǎn)換成字符形式，并獲取完整的GPS數(shù)據(jù)包，其中包括可見衛(wèi)星信息（GPGSV）、地理定位信息（GPGLL）、推薦最小定位信息（GPRMC）、地面速度信息（GPVTG）、GPS定位信息（GPGGA）、當(dāng)前衛(wèi)星信息（GPGSA）、衛(wèi)星信號中時間信息（GPZDA），再對相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

3）數(shù)據(jù)展示。在中央控制單元展示模塊中包括實時顯示傳感器數(shù)據(jù)及中央控制單元和服務(wù)器、傳感器的鏈接狀態(tài)。這樣，既可以看到傳感器狀態(tài)的實時變化，也可以實時看到中央控制單元的鏈接狀態(tài)。因此開辟了獨立的線程，設(shè)置數(shù)據(jù)刷新的頻率，實時更新UI，并且采取異步后臺運行的方式。

4）數(shù)據(jù)存儲。創(chuàng)建臨時數(shù)據(jù)庫，對各類傳感器數(shù)據(jù)創(chuàng)建相應(yīng)的表進(jìn)行存儲。在接收最新傳感器狀態(tài)值時，將歷史存儲數(shù)據(jù)覆蓋，存儲該傳感器數(shù)據(jù)記錄。在臨時數(shù)據(jù)庫保持存儲傳感器最新的數(shù)據(jù)記錄。

5）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。將傳感器有效數(shù)據(jù)按照設(shè)定的協(xié)議轉(zhuǎn)換為特定的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時將傳感器數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)分別進(jìn)行編碼，按要求規(guī)范化，打包數(shù)據(jù)，包括包頭、協(xié)議號、包編號、傳感器類型、數(shù)據(jù)內(nèi)容等。

6）數(shù)據(jù)發(fā)送。在中央控制單元所在環(huán)境建立局域網(wǎng)，并通過3G鏈接外網(wǎng)，建立中央控制單元與服務(wù)器層的網(wǎng)絡(luò)鏈接，以3G網(wǎng)的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。建立獨立線程，設(shè)置一定頻率，往服務(wù)器實時發(fā)送數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)總體架構(gòu)及功能設(shè)計，開發(fā)了多源傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)讀取，解析；實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)動態(tài)展示，監(jiān)控傳感器的實時狀態(tài)；實現(xiàn)了按自定義協(xié)議，規(guī)范化傳感器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。從界面可以看到采集終端的基本信息，傳感器實時數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)信息。采集終端系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 采集終端系統(tǒng)界面

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

1）信號轉(zhuǎn)換技術(shù)。傳感器最初接收到的數(shù)據(jù)是模擬信號，為了高效地傳輸和存儲數(shù)據(jù)，需要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，RS485芯片負(fù)責(zé)將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，每個信號以MODBUS協(xié)議的數(shù)據(jù)格式傳輸至中央控制單元。

2）實時網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。為了保證中央控制單元將數(shù)據(jù)實時高效地發(fā)送至服務(wù)器層，擬采用TCP/IP通信協(xié)議，通過Socket套接字技術(shù)實現(xiàn)中央控制單元與服務(wù)器層的鏈接。TCP/IP協(xié)議可以最大限度地保證數(shù)據(jù)的完整性。

3）多線程管理技術(shù)。中央控制單元負(fù)責(zé)接收各個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理發(fā)送到服務(wù)器層。中央控制單元需要協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)接收、存儲、顯示、發(fā)送等任務(wù)，對多個任務(wù)加以控制，采用異步處理技術(shù)。多線程地有效管理可以提高系統(tǒng)的效率，實現(xiàn)在同一時間內(nèi)完成多項任務(wù)。其中用于數(shù)據(jù)顯示的UI更新線程采用異步后臺運行技術(shù)。

4）數(shù)據(jù)緩存池技術(shù)。由于數(shù)據(jù)的讀取和發(fā)送由不同線程處理完成，這就涉及到不同線程之間數(shù)據(jù)交互和共享的問題。采用數(shù)據(jù)緩存池技術(shù)，數(shù)據(jù)讀取線程將最新的數(shù)據(jù)存儲在公共內(nèi)存中供數(shù)據(jù)發(fā)送線程讀取和調(diào)用。

5）黑匣子技術(shù)。為了最大限度地保證數(shù)據(jù)的完整性，中央控制單元向服務(wù)器層每發(fā)送一條數(shù)據(jù)都會得到一個數(shù)據(jù)反饋，以確保服務(wù)器層完整地接收到數(shù)據(jù)。假如發(fā)送數(shù)據(jù)后未收到服務(wù)器層的反饋，則將數(shù)據(jù)存入黑匣子數(shù)據(jù)庫，隨后再重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

6）信息安全技術(shù)。為保證傳感器數(shù)據(jù)安全到達(dá)服務(wù)器層，將傳感器數(shù)據(jù)按協(xié)議打包、加密，以加密方式發(fā)送到服務(wù)器層。

4 結(jié) 語

本文采用信號轉(zhuǎn)換技術(shù)、實時通信技術(shù)、多線程管理技術(shù)、C/S編程技術(shù)開發(fā)了多源傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)的讀取、解析、展示、存儲、轉(zhuǎn)換、發(fā)送等。傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺應(yīng)用的基礎(chǔ)部分，實現(xiàn)了傳感器數(shù)據(jù)從終端硬件到數(shù)據(jù)中心的轉(zhuǎn)換并向Web端、手機(jī)應(yīng)用端提供數(shù)據(jù)支持，對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究有重要意義。智慧城市的建設(shè)需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐，而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要傳感器的支持。采集系統(tǒng)實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的有效提取，為智慧城市的建設(shè)提供了數(shù)據(jù)來源，在城市數(shù)字化、虛擬化、智慧化方面發(fā)揮了重要作用。

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B

1672-4623（2016）01-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.006

黃遞全，碩士，主要從事數(shù)字城市開發(fā)及地理國情普查工作。

2015-04-30。

項目來源：測繪地理信息公益性行業(yè)科研專項資助項目（201412008）；國家測繪地理信息局2014年基礎(chǔ)測繪科技資助項目。