摘 要：文中研究了面向復(fù)雜環(huán)境感知的傳感器系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)，并提出了具體的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。該論文的主要工作包括：提出了面向環(huán)境參數(shù)動(dòng)態(tài)感知的任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了“協(xié)議轉(zhuǎn)換單元+傳感器管理服務(wù)平臺(tái)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，針對(duì)傳感器系統(tǒng)設(shè)備動(dòng)態(tài)識(shí)別與驅(qū)動(dòng)/設(shè)備加載、感知設(shè)備硬件接口優(yōu)化配置、感知數(shù)據(jù)解析與標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)做出相應(yīng)解決方案，并基于這些技術(shù)研制了面向復(fù)雜環(huán)境感知的可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)，進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試驗(yàn)證。文中的研究成果有效提升了在突發(fā)情況下，面對(duì)復(fù)雜環(huán)境傳感器的部署效率，為研究具備動(dòng)態(tài)適配、快速重構(gòu)典型特征的傳感器系統(tǒng)提供了理論支持和工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：復(fù)雜環(huán)境感知；傳感器系統(tǒng)；可重構(gòu)技術(shù)；多傳感器；協(xié)議轉(zhuǎn)換單元；傳感器管理服務(wù)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）06-00-06

0 引 言

自20世紀(jì)70年代美國(guó)首次建立了第一個(gè)水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以來(lái)，各個(gè)國(guó)家都在大力研發(fā)、部署各種類型的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：以信息化技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用各類傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)自然環(huán)境的探測(cè)、環(huán)境參數(shù)信息的實(shí)時(shí)傳輸，保障對(duì)作業(yè)時(shí)空信息的及時(shí)掌控。

進(jìn)入21世紀(jì)之后，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能相關(guān)新興信息技術(shù)的快速發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)理論依據(jù)的涌現(xiàn)，各個(gè)國(guó)家都更加重視災(zāi)難環(huán)境的提前預(yù)測(cè)和智能預(yù)警。特別的，在現(xiàn)代科技條件下，面對(duì)因意外因素引發(fā)的災(zāi)難對(duì)環(huán)境參數(shù)探測(cè)、搜集提出了更高要求：環(huán)境參數(shù)傳感器系統(tǒng)需能夠快速適配環(huán)境探測(cè)需求，而面向復(fù)雜環(huán)境感知的傳感器系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)提供了技術(shù)支撐。

面向復(fù)雜環(huán)境感知的傳感器系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)涉及相應(yīng)的分層模型、傳感器動(dòng)態(tài)加載、傳感器優(yōu)化配置、接口協(xié)議轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的分析有助于理清技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、探究未來(lái)的演進(jìn)方向。

1 可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)層次模型及體系架構(gòu)

1.1 層次模型的研究

綜合參考美國(guó)ORS計(jì)劃的SPA模型、物聯(lián)網(wǎng)層次模型及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的OSI參考模型等典型層次模型，特別是PnP技術(shù)從軟件層面形成對(duì)接口驅(qū)動(dòng)的統(tǒng)一規(guī)劃、以消息形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的設(shè)計(jì)思想[1]，項(xiàng)目通過(guò)采用協(xié)議轉(zhuǎn)換單元+傳感器管理服務(wù)平臺(tái)的方式解決傳感系統(tǒng)耦合度高的問(wèn)題，同時(shí)也提升了傳感器的可擴(kuò)展性。

根據(jù)復(fù)雜環(huán)境條件下對(duì)快速動(dòng)態(tài)構(gòu)建環(huán)境狀態(tài)傳感系統(tǒng)的要求[2]，參考SPA、RSPA、SWE及物聯(lián)網(wǎng)層次模型提出基于多總線復(fù)用的三層可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)層次模型，如圖1所示。

數(shù)據(jù)從傳感器到上位機(jī)，其中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與上傳主要由可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)包含協(xié)議轉(zhuǎn)換單元以及傳感器管理服務(wù)平臺(tái)兩大部分。

感知層主要包含各類直接感知環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的傳感器，它們具有各異的物理接口、電氣接口以及通信協(xié)議等功能性能參數(shù)。為了方便接入系統(tǒng)，需要提前根據(jù)其通信協(xié)議對(duì)其物理接口做出相應(yīng)改造。

異構(gòu)數(shù)據(jù)與設(shè)備接入層主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的外部物理層接口、傳感器類型標(biāo)識(shí)與自動(dòng)識(shí)別、傳感器驅(qū)動(dòng)適配與動(dòng)態(tài)加載、異構(gòu)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)解析等。在傳感器首次連接轉(zhuǎn)換單元時(shí)需要通過(guò)傳感器管理服務(wù)平臺(tái)對(duì)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行傳感器類型標(biāo)定，以提升驅(qū)動(dòng)加載的效率。圖2所示為協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的上報(bào)數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)。

動(dòng)態(tài)適配支撐層由傳感器管理服務(wù)平臺(tái)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的接口歸一化、驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)、交互命令的管理等功能。通過(guò)傳感器管理服務(wù)平臺(tái)向上與數(shù)據(jù)處理控制中心、向下與協(xié)議轉(zhuǎn)換單元通信，起到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)集中、數(shù)據(jù)處理的樞紐作用。圖3所示為傳感器管理服務(wù)平臺(tái)接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機(jī)。

應(yīng)用層主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、回調(diào)、分析與展示、人機(jī)交互、系統(tǒng)管理等功能。

1.2 體系架構(gòu)的研究

參考?xì)W洲航天局根據(jù)國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)制定的SOIS標(biāo)準(zhǔn)[3]，結(jié)合我國(guó)在總線架構(gòu)方面的設(shè)計(jì)思想，將各種傳感器協(xié)議轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式并通過(guò)以太網(wǎng)上傳至上位機(jī)。圖4所示為本課題設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件資源架構(gòu)示意圖。

系統(tǒng)核心由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元MCU、以太網(wǎng)交換機(jī)以及傳感器管理服務(wù)平臺(tái)MCU組成。其中，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元MCU為協(xié)議轉(zhuǎn)換單元核心部件，以太網(wǎng)交換機(jī)以及主控MCU組成傳感器管理服務(wù)平臺(tái)核心部件。

擴(kuò)展電路主要位于傳感器管理服務(wù)平臺(tái)，包括以太網(wǎng)交換接口電路、HDMI接口電路、USB HUB擴(kuò)展電路、下載調(diào)試接口電路等。以太網(wǎng)交換接口主要負(fù)責(zé)傳感器管理服務(wù)平臺(tái)與上位機(jī)之間對(duì)數(shù)據(jù)訪問(wèn)、驅(qū)動(dòng)管理、系統(tǒng)升級(jí)等操作。HDMI接口電路與USB HUB擴(kuò)展電路結(jié)合后外接屏幕、鍵盤(pán)、硬盤(pán)等設(shè)備，方便調(diào)試、維護(hù)等。下載調(diào)試接口主要用于對(duì)設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)安裝、測(cè)試等相關(guān)操作。

從整體架構(gòu)來(lái)看，可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)基本統(tǒng)一了物理、電氣以及協(xié)議接口，現(xiàn)階段傳感器管理服務(wù)平臺(tái)設(shè)置了6個(gè)網(wǎng)口形式的數(shù)據(jù)輸入接口，最多支持6種協(xié)議形式的傳感器數(shù)據(jù)同時(shí)上傳。采用PoE供電的形式，由傳感器管理服務(wù)平臺(tái)對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元以及傳感器供電。其中，對(duì)于傳感器的物理接口、電氣接口以及協(xié)議接口的統(tǒng)一以及傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元實(shí)現(xiàn)。

2 傳感器接口優(yōu)化配置策略研究

2.1 傳感器接口優(yōu)化技術(shù)研究

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，傳感器接口優(yōu)化需要考慮物理接口、電氣接口以及協(xié)議接口三方面的接口優(yōu)化問(wèn)題[4]。

2.1.1 物理接口

針對(duì)傳感器物理接口，需要對(duì)待轉(zhuǎn)換的傳感器進(jìn)行物理接口改造，這里主要將CAN、RS 232、RS 485、USB以及網(wǎng)口五類傳感器的信號(hào)接口根據(jù)自定義接口標(biāo)準(zhǔn)改造為航空插頭形式的物理接口，具體接口標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1所列。

目前基于RJ 45網(wǎng)口類型的傳感器僅考慮百兆以太網(wǎng)，因此采用4芯航空接插件。后續(xù)若采用千兆以太網(wǎng)或需給傳感器供電，此處更改為8芯以太網(wǎng)即可。

供電引腳主要由傳感器自身決定，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元底板提供5 V、12 V供電電壓。

2.1.2 電氣接口

CAN、RS 232、RS 485、USB、RJ 45各自的電氣特性相差甚遠(yuǎn)，具體的電氣指標(biāo)及邏輯特性見(jiàn)表2所列。

針對(duì)以上5種協(xié)議的電氣接口特性，對(duì)每種協(xié)議的電路進(jìn)行局部設(shè)計(jì)。

上面詳細(xì)討論了CAN、RS 232、RS 485、USB以及網(wǎng)口5種類型的傳感器在硬件層次電氣接口轉(zhuǎn)換的解決方案。下面將從軟件角度分析協(xié)議接口的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

2.1.3 協(xié)議接口

協(xié)議接口的統(tǒng)一主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元完成，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將CAN、RS 232、RS 485、USB、TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的MQTT協(xié)議[5]，協(xié)議定義如下：

res={

\"state\"：\"1\"，

\"FN\"：\"0\"，

\"senderId\"：senderId，

\"reciverId\"：reciverId，

\"type\"：\"request\"，

\"order\"：order，

\"sign\"：\"None\"，

\"msg\"：\"success\"，

\"data\"：data}

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議以字典的形式存儲(chǔ)于轉(zhuǎn)換單元中，傳輸時(shí)通過(guò)MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的Json格式以消息的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。其中，data為傳感器的探測(cè)感知數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

{\"DATA1\"：X1，

\"DATA2\"：X2，

…，

DATAn：Xn，

\"error\"：0/1}

2.2 傳感器接口適配技術(shù)研究

借鑒基于FPGA設(shè)計(jì)CAN協(xié)議適配卡方案[6]，本項(xiàng)目采用ARM主控芯片設(shè)計(jì)RJ 45適配接口。相對(duì)于FPGA設(shè)計(jì)方案而言，通過(guò)ARM芯片先轉(zhuǎn)換再采集的方式不僅避免了更換不同協(xié)議接口傳感器時(shí)需要重新為其分配總線結(jié)構(gòu)以及硬件資源的弊端。而且相比于FPGA設(shè)計(jì)方案，本方案增加了可轉(zhuǎn)換協(xié)議的種類、完善了錯(cuò)誤檢測(cè)和故障界定等機(jī)制，以保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

項(xiàng)目采用的ARM主控+MQTT協(xié)議的接口適配方案主要由異構(gòu)數(shù)據(jù)與設(shè)備接入層完成，包含以下兩部分功能：

（1）協(xié)議轉(zhuǎn)換單元主要實(shí)現(xiàn)傳感器接入與標(biāo)識(shí)、傳感器驅(qū)動(dòng)加載及環(huán)境狀態(tài)參數(shù)探測(cè)數(shù)據(jù)的采集與解析。項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、CAN設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、RS 232設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、RS 485設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、USB設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元。協(xié)議轉(zhuǎn)換單元輸入輸出接口采用防水型航空接插件，同時(shí)配備指示燈指示傳感器通信狀態(tài)。

（2）傳感器管理服務(wù)平臺(tái)由核心處理單元、外部接口以及交換單元構(gòu)成。處理單元主要實(shí)現(xiàn)傳感設(shè)備驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)、適配、更新以及對(duì)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的驅(qū)動(dòng)選擇、參數(shù)設(shè)定等。外部接口主要由PoE網(wǎng)口輸入、網(wǎng)口輸出電路、USB接口電路組成。交換單元主要由以太網(wǎng)交換機(jī)組成，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、CAN設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、

RS 232設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、RS 485設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、USB設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的數(shù)據(jù)通信。

2.3 傳感器接口拓展技術(shù)研究

FT311D接口芯片擴(kuò)展協(xié)議接口方案可以將USB接口擴(kuò)展為外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口[7]，雖然可以有效解決設(shè)備硬件接口的擴(kuò)展難題，但是在適配的協(xié)議類型上不夠全面。比如常用的USB協(xié)議、TCP/IP協(xié)議以及RS 485協(xié)議沒(méi)有得到相應(yīng)的適配。

因此，將接口擴(kuò)展芯片替換為ARM處理芯片，在滿足UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等協(xié)議接口的同時(shí)還支持USB協(xié)議、TCP/IP協(xié)議以及RS 485協(xié)議。按照要求，項(xiàng)目先期實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議、RS 232協(xié)議、RS 485協(xié)議、CAN協(xié)議以及以太網(wǎng)協(xié)議，后續(xù)可以根據(jù)需要靈活擴(kuò)展到I2C、SPI、UART等其他協(xié)議。其實(shí)現(xiàn)的前提為ARM芯片（本課題采用全志H3芯片）支持如USB、TCP/IP、串口、I2C等常用協(xié)議。根據(jù)這些協(xié)議設(shè)計(jì)硬件接口電路，接入傳感器。通過(guò)協(xié)議解析獲取傳感器數(shù)據(jù)后，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步處理。而對(duì)于RS 232、RS 485以及RS 422等串口協(xié)議，因芯片僅支持TTL形式的串口協(xié)議，所以需要利用電平轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換步驟，而對(duì)于全志H3不支持的CAN芯片，則需利用CAN轉(zhuǎn)串口協(xié)議模塊進(jìn)行間接轉(zhuǎn)換。

采取此折中的方案，雖然成本上有所增加，但從通用性角度來(lái)看，基本上滿足了市面上大部分協(xié)議的需求，并且其軟件協(xié)議可根據(jù)需求自由定制，解決了不同廠家傳感器相同而協(xié)議存在差異的問(wèn)題。

3 傳感器動(dòng)態(tài)加載技術(shù)研究

3.1 傳感器自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究

動(dòng)態(tài)識(shí)別技術(shù)最具代表性的是操作系統(tǒng)以枚舉法來(lái)識(shí)別USB設(shè)備[8]，即讓HOST識(shí)別USB設(shè)備，并為其準(zhǔn)備相應(yīng)資源來(lái)建立主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞機(jī)制。但使用枚舉法識(shí)別效率低，且僅僅能識(shí)別USB HID設(shè)備。

出于效率、穩(wěn)定性考慮，設(shè)備基于雙核心結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)換單元+傳感器管理服務(wù)平臺(tái)）采用主動(dòng)上報(bào)的方式，各類型協(xié)議轉(zhuǎn)換單元上電后，進(jìn)行各類資源的初始化，將設(shè)置的傳感器標(biāo)識(shí)主動(dòng)上報(bào)給傳感器管理服務(wù)平臺(tái)，等待傳感器管理服務(wù)平臺(tái)下發(fā)與識(shí)別碼相匹配的傳感器驅(qū)動(dòng)后，轉(zhuǎn)換單元開(kāi)始工作。

轉(zhuǎn)換單元向傳感器管理服務(wù)平臺(tái)發(fā)送握手指令，得到傳感器管理服務(wù)平臺(tái)的應(yīng)答信號(hào)后，轉(zhuǎn)換單元向傳感器管理服務(wù)平臺(tái)發(fā)送線纜類型，以便傳感器管理服務(wù)平臺(tái)存儲(chǔ)相關(guān)信息到結(jié)構(gòu)體中，待傳感器管理服務(wù)平臺(tái)回復(fù)應(yīng)答信號(hào)后，即完成轉(zhuǎn)換單元的動(dòng)態(tài)識(shí)別部分[9]。

傳感器管理服務(wù)平臺(tái)上電啟動(dòng)后基于6個(gè)轉(zhuǎn)換單元的IP地址建立相應(yīng)的MQTT鏈接，傳感器管理服務(wù)平臺(tái)通過(guò)解析轉(zhuǎn)換單元推送的自描述消息后，得到相應(yīng)接口的傳感器信

息[10]；同時(shí)傳感器管理服務(wù)平臺(tái)根據(jù)接口依次對(duì)轉(zhuǎn)換單元推送應(yīng)答消息，轉(zhuǎn)換單元訂閱到傳感器管理服務(wù)平臺(tái)推送的應(yīng)答消息即代表通信建立成功。傳感器管理服務(wù)平臺(tái)訂閱得到轉(zhuǎn)換單元的自描述信息存儲(chǔ)在結(jié)構(gòu)體變量中。

3.2 傳感器驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)加載技術(shù)研究

從整體上驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)加載流程如下：

首先，將相關(guān)傳感器驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)于傳感器管理服務(wù)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)文件夾內(nèi)，然后將帶有“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標(biāo)識(shí)的轉(zhuǎn)換單元通過(guò)網(wǎng)口連接至傳感器管理服務(wù)平臺(tái)；傳感器管理服務(wù)平臺(tái)通過(guò)PoE網(wǎng)口為轉(zhuǎn)換單元供電，轉(zhuǎn)換單元上電啟動(dòng)后，首先完成系統(tǒng)自檢，接著進(jìn)行內(nèi)核初始化，然后啟動(dòng)系統(tǒng)與協(xié)議轉(zhuǎn)換單元程序。之后，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元通過(guò)硬件自檢獲取傳感器協(xié)議類別信息，在獲得傳感器的類別后將獲取的傳感器協(xié)議類別信息與存儲(chǔ)的“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標(biāo)識(shí)比對(duì)，檢測(cè)是否匹配，檢測(cè)結(jié)果將放入隨后上報(bào)的MQTT握手消息中。此過(guò)程同時(shí)完成了與傳感器管理服務(wù)平臺(tái)握手和“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標(biāo)識(shí)上報(bào)。隨后傳感器管理服務(wù)平臺(tái)通過(guò)握手信息獲取傳感器型號(hào)與線纜協(xié)議類型，并將結(jié)果存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。然后傳感器管理服務(wù)平臺(tái)根據(jù)“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標(biāo)識(shí)從存儲(chǔ)的傳感器驅(qū)動(dòng)中為協(xié)議轉(zhuǎn)換單元加載相應(yīng)驅(qū)動(dòng)；最后協(xié)議轉(zhuǎn)換單元接收驅(qū)動(dòng)，解壓并加載驅(qū)動(dòng)即可完成驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)加載流程。

驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)加載狀態(tài)機(jī)如圖5所示。

4 軟件協(xié)議動(dòng)態(tài)適配技術(shù)研究

4.1 傳感器接口協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

項(xiàng)目采用異構(gòu)數(shù)據(jù)定向轉(zhuǎn)換的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，該方案在可靠性、穩(wěn)定性以及通用性方面都得到了大幅提升，但是其硬件復(fù)雜度、成本也相應(yīng)有所增加。與異構(gòu)數(shù)據(jù)不定向轉(zhuǎn)換相比，此舉大幅減少了傳感器驅(qū)動(dòng)數(shù)量，便于管理傳感器驅(qū)動(dòng)的同時(shí)也提高了驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)效率。

傳感器接口協(xié)議轉(zhuǎn)換方案選擇MQTT協(xié)議作為異構(gòu)數(shù)據(jù)定向轉(zhuǎn)換的協(xié)議，共分為以下4種接口協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)：

（1）串口協(xié)議（包含RS 232及RS 485）轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議；

（2）USB協(xié)議轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議；

（3）CAN協(xié)議轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議；

（4）以太網(wǎng)相關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議。

以上4種協(xié)議的轉(zhuǎn)換操作都由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元中的ARM主控芯片完成。

4.1.1 定制驅(qū)動(dòng)

為傳感器設(shè)計(jì)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)，此過(guò)程又分為兩種情況：

（1）主動(dòng)上報(bào)型傳感器：主動(dòng)上報(bào)類型傳感器的上報(bào)數(shù)據(jù)較為單一，其協(xié)議結(jié)構(gòu)也往往較為簡(jiǎn)單。因此，這類傳感器的驅(qū)動(dòng)只需先將傳感器主動(dòng)上報(bào)的數(shù)據(jù)接收到協(xié)議轉(zhuǎn)換單元中，然后根據(jù)傳感器協(xié)議即可解析出具有物理含義的探測(cè)數(shù)據(jù)。

（2）被動(dòng)查詢型傳感器：以ModBus為通信協(xié)議傳感器，其上報(bào)的往往是多種類型的復(fù)合數(shù)據(jù)，其協(xié)議構(gòu)成也較為復(fù)雜，包含查詢指令、修改參數(shù)指令以及恢復(fù)出廠設(shè)置等指令。針對(duì)這一類型的傳感器驅(qū)動(dòng)，首先需要根據(jù)其通信協(xié)議為其制定專用操作指令，用于訪問(wèn)、修改、初始化傳感器等操作；然后以輪詢的方式不斷獲取傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)，之后將獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于協(xié)議轉(zhuǎn)換單元；最后根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)語(yǔ)義定義解析出具有物理含義的探測(cè)數(shù)據(jù)。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集

對(duì)于接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換單元的傳感器，在定制驅(qū)動(dòng)后協(xié)議轉(zhuǎn)換單元即可完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的解析、采集，將目標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到轉(zhuǎn)換單元寄存器內(nèi)。數(shù)據(jù)采集包含以下3部分：

（1）數(shù)據(jù)校驗(yàn)：對(duì)于傳感器上報(bào)的數(shù)據(jù)首先需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)來(lái)避免數(shù)據(jù)受元器件質(zhì)量、電路故障或噪音干擾等因素的影響以及處理、傳輸、存儲(chǔ)過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤。當(dāng)校驗(yàn)未通過(guò)時(shí)，轉(zhuǎn)換單元將對(duì)傳感器重發(fā)采集指令。

（2）數(shù)據(jù)解析：對(duì)于采集的一幀數(shù)據(jù)往往包含幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、指令信息、數(shù)據(jù)、校驗(yàn)碼以及幀尾等信息，而數(shù)據(jù)解析就是在通過(guò)數(shù)據(jù)校驗(yàn)后，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)幀格式獲取傳感器上報(bào)的目標(biāo)數(shù)據(jù)幀，然后通過(guò)計(jì)算將數(shù)據(jù)解析為具有實(shí)際物理含義的可用數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：得到具有實(shí)際物理含義的數(shù)據(jù)后，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到FLASH內(nèi)存以便后續(xù)使用。

4.1.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換

協(xié)議轉(zhuǎn)換單元在得到傳感器數(shù)據(jù)后需要將數(shù)據(jù)以MQTT消息的方式上傳給傳感器管理服務(wù)平臺(tái)，此時(shí)需要將探測(cè)數(shù)據(jù)、傳感器協(xié)議類型、轉(zhuǎn)換單元MAC地址等填入MQTT協(xié)議字典的相應(yīng)鍵值內(nèi)以封裝成一個(gè)MQTT消息，然后通過(guò)MQTT協(xié)議上傳給傳感器管理服務(wù)平臺(tái)完成各傳感器協(xié)議對(duì)MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。具體流程如圖6所示。

4.2 感知數(shù)據(jù)解析與標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

項(xiàng)目針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的特殊需求設(shè)計(jì)了一套基于Web端的桌面訪問(wèn)控制平臺(tái)。Web端服務(wù)器主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的展示以及驅(qū)動(dòng)管理。與現(xiàn)有Web端服務(wù)器參與數(shù)據(jù)處理的方案相比[11]，其優(yōu)勢(shì)在于：

（1）Web端服務(wù)器任務(wù)量小，運(yùn)行效率高；

（2）數(shù)據(jù)解析在數(shù)據(jù)采集階段由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元完成，以多異構(gòu)數(shù)據(jù)并行的方式進(jìn)行，解析效率高；

（3）數(shù)據(jù)以消息的形式代替幀數(shù)據(jù)進(jìn)行MQTT通信，解決了復(fù)雜度高的復(fù)合型傳感器數(shù)據(jù)接入效果不理想的問(wèn)題。

數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)方面，本次研究?jī)?nèi)容針對(duì)小型、低速傳感器，在實(shí)時(shí)性上得益于百兆以太網(wǎng)以及MQTT協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)低延時(shí)。

在數(shù)據(jù)吞吐量方面，百兆以太網(wǎng)理論傳輸速度為12 800 KB/s，理論上每個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元每秒可以傳輸2 133 KB，這對(duì)于小型傳感器數(shù)據(jù)而言，其吞吐量方面有足夠的冗余度。

數(shù)據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化由自定的針對(duì)異構(gòu)數(shù)據(jù)可重構(gòu)MQTT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)決定，異構(gòu)數(shù)據(jù)可重構(gòu)MQTT通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了通信雙方的通信規(guī)則、內(nèi)容以及通信指令，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)生成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議通信字典，最后將通信字典轉(zhuǎn)換為JSON標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行MQTT消息的推送、訂閱。

5 結(jié) 語(yǔ)

文中總結(jié)了課題針對(duì)可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)方案及研究?jī)?nèi)容，分別概述了本課題關(guān)于可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)層次模型及體系架構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感器優(yōu)化配置策略研究、傳感器動(dòng)態(tài)加載研究與實(shí)現(xiàn)以及軟件協(xié)議動(dòng)態(tài)適配技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)。研究以硬件可行性、軟件可靠性為原則，以可重構(gòu)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)方案為導(dǎo)向，完成了可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。為接下來(lái)系統(tǒng)架構(gòu)、芯片選型、軟件平臺(tái)的搭建奠定了基礎(chǔ)。

注：本文通訊作者為張會(huì)兵。

參考文獻(xiàn)

[1]蔡亞梅，寧勇，汪立萍.美國(guó)空間快響小衛(wèi)星載荷技術(shù)現(xiàn)狀與分析[J].航天電子對(duì)抗，2012，28（6）：28-31.

[2]高永明.快速響應(yīng)空間體系與應(yīng)用[J].裝備學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，23（3）：92.

[3]王君，王志杰，樂(lè)浪.基于SOIS的星載平臺(tái)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)探索[J].航天器工程，2017，26（3）：84-89.

[4]劉成亮，吳寶元，董京京，等.面向傳感器標(biāo)準(zhǔn)化接口模塊的應(yīng)用平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2012，27（6）：37-41.

[5]于海飛，張愛(ài)軍.基于MQTT的多協(xié)議物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2019，38（11）：45-51.

[6]倪一洋.基于FPGA的多總線接口適配技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2016.

[7]張佳進(jìn)，陳立暢，唐愛(ài)云.基于FT311D的Android移動(dòng)設(shè)備硬件接口拓展設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014，14（3）：13-15.

[8]張學(xué)雷，李占羽，李丹寧.嵌入式Linux下USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2010，6（28）：7974-7977.

[9]任艷艷. Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)更新的研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué)，2018.

[10]衛(wèi)飛. 傳感器專用接插模塊的設(shè)計(jì)研究[D].合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

[11]葛丹.物聯(lián)網(wǎng)傳感器數(shù)據(jù)處理平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2016.

作者簡(jiǎn)介：劉明政（1981—），男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)闊o(wú)人智能化裝備技術(shù)、裝備保障、模式識(shí)別等。

張盛煜（1997—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧轿锫?lián)網(wǎng)。

張會(huì)兵（1976—），男，博士，教授，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄芘c大數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域。