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知識庫

系統集成技術

基于傳感設備的數據采集

2021-07-13
    隨著經濟和科技的發展,傳感器網絡技術得到了長足發展,各廠商推出了大批優秀的傳感器節點來滿足不同領域的需求,出于商業、技術考慮或者歷史原因,這些節點的功能、接口和使用環境都存在著明顯差異,即使在同一應用中,為監測不同的物理量也常常會采用多種不同的傳感器,使得整個應用搭建在一個異構平臺上,由于硬件接口的差異,用戶必須針對各廠商節點進行單獨開發,加大了程序開發的難度和復雜度,不僅如此,隨著傳感器網絡應用范圍的不斷擴大,應用程序的種類和規模也越來越大,在此過程中,軟件重復開發現象嚴重,造成大量人力和物力的浪費,顯然,由一個廠商去統一眾多產品之間的差異是不可能的,而單獨由用戶在自己的應用軟件中去彌補這些差異也是不客觀的,上述這一切對傳感器網絡節點的靈活性設計和傳感器網絡應用軟件的開發都提出了新的要求。
    近年來學術界對傳感器網絡開展了一系列的研究,在傳感器網絡應用、軟件和硬件3部分均取得了豐碩成果,但對于標準化方面的工作仍處于初始階段?,F有標準化工作主要集中在IEEE802.15.4.Zigbee規范、IEEE1451族和SensorWeb.針對傳感器網絡節點接口如何進行標準化描述以方便上層應用開發鮮有研究,導致在軟件設計和系統集成時無統一標準可循,制約了技術應用和產業迅速發展。本文提出一種新的傳感器網絡節點結構,對傳感器接口進行標準化描述;同時對作為重要組成部分的數據采集模塊進行中間件設計,以屏蔽各種底層復雜接口,從而實現統一的資源訪問。與常見的無線網絡相比,傳感器網絡具有以數據為中心、動態拓撲和自組織等特性,這些特性使得傳感器網絡的軟件開發有別于其他無線網絡,傳統的中間件開發方法在很大程度上不適用于傳感器網絡。雖然目前傳感器網絡中間件有很多研究和原型實現,但仍處子初步階段。本文研究有著很大的實際應用價值又極富挑戰性。

1.傳感器網絡節點硬件體系結構設計
本文設計的傳感器節點模型結構如圖1所示,主要包括傳感模塊和網絡模塊。傳感模塊主要由傳感器探頭、A/D轉換器、存儲器和CPU處理器構成,負責模擬信號處理、采集和數據轉換,傳感器探頭用于探測外部的溫度、光度和濕度等需要傳感的信息,上述物理量進一步轉化為系統可以識別的原始電信號,并且通過放大電路的整形處理,最后經過AZD轉換變成數字信號。對于溫度、濕度、光度、聲音等不同的信號量,需要設計相應的檢測與傳感器電路。網絡模塊主要包括馭動模塊、應用處理器和收發模塊。傳感模塊和網絡模塊之間可以通過串口、USB等方式進行通信。在此節點設計中將傳感模塊和網絡模塊隔離出來,信號采集和處理部分的開發完全獨立于網絡協議棧,使得監測對象更加豐富,節點的上層應用軟件開發可以更加統一,從而簡化了開發過程。
 
盡管存在各種各樣傳感器,它們的接口、類型各異,但它們之間存在著一些共性,我們將這些共性提取出來進行標準化。由于XML模式能夠提供一個有效的結構、內容和語義定義方式,本文采用XML擴展語言對其進行描述。圖2給出了傳感模塊標準化描述,其中每個傳感模塊的屬性信息主要包括:廠商、型號和名稱;傳感器接口參數大體分為4類,分別為G PIB接口、USB接口、串口接口、以太網接口,我們針對每種接口分別給出了初始化所必需的參數信息。在實際應用中,不同傳感模塊所使用的接口一般為這4類接口中的某一類;模塊內部各傳感探頭定義為傳感通道,每個通道信息包括類型、絕對編號、相對編號等關鍵屬性。這里的絕對編號是指該通道在所有模塊中的全局編號,而相對編號就是該通道在單個傳感模塊中的編號。最后我們定義了數據采集函數庫信息,主要有函數名稱和調用函數路徑等。
 
2.可重用數據采集中間件設計
    本節首先提出可重用數據采集中間件體系結構,再詳細闡述數據采集中間件實現過程中的關鍵技術。
    2.1數據采集中間件體系結構
    基于上述傳感器網絡節點硬件結構,我們進一步設計了可重用數據采集中間件。圖3描述了該中間件的軟件層次結構。中間件技術的采用將上層軟件開發從底層的硬件分離開來,從而簡化傳感器網絡的軟件開發,提高了軟件的可重用性和可伸縮性。圖3可重用數據采集中間件層次結構
    該數據采集中間件邏輯上分為接口層、驅動層、核心層和應用層4層。接口層和驅動層由硬件廠商定義和提供核心層則負責周期性地從各個不同接口傳感模塊采集數據,在里面主要設計了兩個程序:數據接口程序和周期采樣程序。數據接口程序主要用來接收采樣命令,并把采樣數據規整成標準格式。周期采樣程序基于傳感模塊接口配置文件調用數據采集函數。數據采集函數則封裝在數據采集函數庫中應用層主要是提供上層應用接口。
    該數據采集中間件可重用性的實現主要依靠標準配置文件、統一的訪問原語和數據封裝格式,在下一部分中將對其進行詳細闡述。
    2.2數據采集中間件關鍵技術
    1)傳感模塊配置
    數據采集中間件在執行數據采集任務前首先讀取傳感模塊配置文件完成接口初始化。該配置文件遵循前面所t定義的傳感模塊XML模式,保存了所有傳感模塊的配置信息。在配置文件中每一個根結點對應一個傳感模塊,不同的數據采集設備需要配置的信息不同,因此配置文件當中每個結點的結構也不盡相同。這些配置信息都可以通過開發專門程序來設定。傳感模塊設置流程如下:首先中間件讀取配置信息,進行傳感模塊識別,然后查詢函數路徑,調用相應函數進行初始化。在這里我們通過一個標準的配置文件來對傳感模塊進行自動識別和實時更新,從軟件上支持了傳感模塊的擴展。
    2)數據采集原語
    一般來說,不同的廠商有不同的通信命令來控制和采集傳感模塊,為了屏蔽各廠家通信命令差異,該數據采集中間件向上層應用軟件提供統一的數據采集和查詢等資源訪問原語。這些數據采集原語將會在數據采集函數中映射為真正的廠家命令以便能被硬件識別。統一訪問原語的定義能夠達到設備獨立性目標,當底層傳感模塊更換、添加或者刪除時,上層應用軟件都無需做任何改變。
    各原語接口主要用于傳感模塊的通信、數據檢索和配置。當上層應用軟件需要采樣數據時,先調用Connect原語建立連接,建立連接后,利用IntervalSet函數完成對采樣周期的設置,然后調用Start和Stop開始或終止對所有傳感模塊的數據采樣操作。在實際應用過程中,還可以利用Send和Receive對特定單個傳感數據進行訪問。
    3)數據封裝
    節點從本地傳感模塊讀取的各個傳感數據,在數據格式和含義上都不相同,數據采集中間件將底層的這些數據封裝成統一的數據格式,再提交給上層應用軟件進行處理,從而屏蔽了數據的差異。對傳感數據處理過程如下:首先,從原始傳感數據包的類型標識字段識別傳感數據類型,然后根據預定接口配置進行排序,同時對名稱和位置信息等屬性進行賦值,最后按照規定格式進行數據封裝。數據格式定義如圖4所示。封裝好的數據主要分為兩類:元數據和傳感數據。元數據是指傳感器數據的描述數據,主要包括傳感監測類型、名稱、內含傳感器探頭個數等;傳感數據主要包括當前采樣時間、累計采樣時間和實際傳感器探頭數據。標準化的數據封裝格式主要優點在于提供一個統一的數據接口,上層應用軟件可用同一格式對傳感器網絡所有的數據進行解封,有效促進了異構傳感器網絡數據集成,簡化了軟件開發
 
總之,基于傳感模塊接口的標準化定義,所設計中間件具有良好的靈活性、配制性和擴展性,只需將傳感模塊配置文件重新設定,便可以將此數據采集中間件應用到另外一個不同硬件環境中,實現了軟件重用,從而可以使開發人員脫離底層復雜的硬件細節。


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