一種基于流數(shù)據(jù)管理的宿舍監(jiān)控系統(tǒng)

南東方　張曉龍

摘要：宿舍自動(dòng)化監(jiān)控是學(xué)校信息化管理進(jìn)程中具有重要意義的一步，而目前宿舍監(jiān)控系統(tǒng)并不完善，因此研究設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線的基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)。針對(duì)大學(xué)宿舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，基于最新的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理技術(shù)，在系統(tǒng)管理模塊加入查詢(xún)處理層，并提出了適合系統(tǒng)的連續(xù)查詢(xún)語(yǔ)言和查詢(xún)計(jì)劃以?xún)?yōu)化系統(tǒng)和提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)據(jù)流管理的宿舍監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的性能可以滿足大學(xué)宿舍監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和有效性的要求，能夠?qū)Υ笮偷乃奚岘h(huán)境進(jìn)行高效監(jiān)控、靈活地實(shí)時(shí)地查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)分析。

關(guān)鍵詞：宿舍環(huán)境監(jiān)控；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理；查詢(xún)處理層；連續(xù)查詢(xún)語(yǔ)言；查詢(xún)計(jì)劃

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）08-1727-06

大學(xué)宿舍是大學(xué)生的第二個(gè)家[1]，宿舍的管理越來(lái)越趨于規(guī)范化，只有通過(guò)先進(jìn)的管理，才能保證大學(xué)生的綜合素質(zhì)不斷提高，從而更加符合當(dāng)今的社會(huì)需求。而目前宿舍管理很不完善，宿舍成員與管理者之間的溝通不方便，造成了現(xiàn)在大學(xué)生宿舍內(nèi)有學(xué)生逃課，休息時(shí)間大聲喧嘩，嚴(yán)重影響他人休息，損壞設(shè)備無(wú)法及時(shí)報(bào)修，火警預(yù)報(bào)不健全造成火災(zāi)等現(xiàn)象。目前也有一些宿舍監(jiān)控自動(dòng)化的系統(tǒng)的研究，但是目前的系統(tǒng)在環(huán)境監(jiān)控的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)流的處理方面還很不完善，所以本文提出了基于流數(shù)據(jù)管理的宿舍監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)的課題。

宿舍監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較分散，采用分布式系統(tǒng)比較合適，同時(shí)大量的環(huán)境數(shù)據(jù)需要海量的存儲(chǔ)和高帶寬的傳輸技術(shù)，在多數(shù)據(jù)源上分析數(shù)據(jù)需要在多個(gè)流上進(jìn)行聚集和連接操作，使得采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足人們的需求，而目前的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)能夠較好的解決數(shù)據(jù)流處理的一些問(wèn)題。

本文通過(guò)傳感器來(lái)采集室內(nèi)的溫濕度、亮度、煙霧、電流電壓、聲音數(shù)據(jù)，并把采集到的信息利用無(wú)線通信技術(shù)—ZigBee[2]匯集到網(wǎng)絡(luò)控制中心，該控制中心[3]再通過(guò)串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，PC機(jī)上附帶SIM300的通訊模塊以便通過(guò)短信控制宿舍環(huán)境，并在PC機(jī)終端加入查詢(xún)處理層，提高宿舍監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和有效性，提出了適合本系統(tǒng)的連續(xù)查詢(xún)語(yǔ)言以提高系統(tǒng)的自適應(yīng)性，研究設(shè)計(jì)了一個(gè)無(wú)線的基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流管理的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，以解決上述各種問(wèn)題。

1 系統(tǒng)模型

經(jīng)過(guò)對(duì)目前智能監(jiān)控系統(tǒng)[4]和國(guó)際上幾個(gè)數(shù)據(jù)流項(xiàng)目[5]的研究分析，基于流數(shù)據(jù)管理的宿舍監(jiān)制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：系統(tǒng)會(huì)采集大量的實(shí)時(shí)、連續(xù)、有序的值序列，如何處理并存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)；宿舍中監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、實(shí)時(shí)性差、布線麻煩，如何能方便實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)同時(shí)能快速準(zhǔn)確的監(jiān)控宿舍的實(shí)時(shí)環(huán)境；系統(tǒng)能夠提供預(yù)定義方式的查詢(xún)，如何能夠靈活地處理用戶動(dòng)態(tài)指定的查詢(xún)要求。這些問(wèn)題要求該系統(tǒng)具有以下功能：

1）PC機(jī)上添加GPRS模塊[6]，宿舍中布置溫濕度、亮度、煙霧、電流電壓、聲音等傳感器，將傳感器和控制器連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)上，實(shí)現(xiàn)了傳感器和控制器的無(wú)布線的散列擺放，宿舍管理員無(wú)需布線，就能輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)宿舍環(huán)境的電話遠(yuǎn)程控制、電腦控制等多種智能控制。

2）管理員可以通過(guò)人機(jī)交互界面方便的設(shè)定重要的參數(shù)，當(dāng)采集信息的參數(shù)超過(guò)用戶設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的以發(fā)短信或打電話的方式通知用戶，并且用戶可以隨時(shí)隨地的通過(guò)手機(jī)或PC機(jī)了解并控制宿舍環(huán)境。每層宿舍都安裝了監(jiān)控器，管理可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)看到宿舍的監(jiān)控情況。

3）PC機(jī)上添加查詢(xún)處理層，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和自適應(yīng)性，詳細(xì)情況在第2節(jié)講解。

該系統(tǒng)由多種傳感器節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)絡(luò)和管理中心組成。該系統(tǒng)的管理中心為PC機(jī)，通信網(wǎng)絡(luò)的核心為ZigBee網(wǎng)絡(luò)，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)和PC機(jī)通過(guò)串口進(jìn)行通信。

由圖1可知本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由3部分組成為：

1）數(shù)據(jù)采集模塊：分為傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)和ZigBee網(wǎng)接收數(shù)據(jù)兩部分。傳感器負(fù)責(zé)采集宿舍的溫濕度、光線、聲音和煙霧等；ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)[7]利用節(jié)點(diǎn)將各個(gè)散列的傳感器通過(guò)無(wú)線連接到一起，收集所有傳感器采集到的數(shù)據(jù)。同時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以接收前臺(tái)發(fā)出的控制命令，并將控制命令傳輸?shù)絺鞲衅骱涂刂破?，以做出相?yīng)的行為。

2）控制中心模塊：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到PC機(jī)，由串口處理模塊進(jìn)行接收。

3）查詢(xún)處理模塊：分析并存儲(chǔ)采集到環(huán)境數(shù)據(jù)的概要信息，判斷采集信息是否超過(guò)了用戶所設(shè)定的上限，更新用戶界面。同時(shí)，接收用戶的查詢(xún)和對(duì)宿舍環(huán)境的控制信息。

查詢(xún)處理模塊是系統(tǒng)的核心模塊，采用QT4來(lái)實(shí)現(xiàn)，該模塊分為前臺(tái)用戶查詢(xún)與控制和后臺(tái)數(shù)據(jù)流處理、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)及管理兩大模塊，依據(jù)面向?qū)ο蟮姆治龇椒?，得出該模塊的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

前臺(tái)分為7大界面：

主界面：用戶登錄系統(tǒng)后，到達(dá)主界面，主界面為用戶呈現(xiàn)一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的概要情況；

系統(tǒng)配置界面：提供給用戶配置系統(tǒng)通信串口和設(shè)置GPRS收發(fā)的接口，包括串口設(shè)置模塊、GPRS通信設(shè)置模塊；

視頻監(jiān)控界面：提供給用戶各個(gè)樓層的視頻監(jiān)控信息，并可以調(diào)控各個(gè)樓層的攝像頭，包括監(jiān)控視頻通信模塊；

宿舍管理界面：提供給用戶宿舍樓和宿舍成員的基本信息，包括宿舍信息管理模塊；

用戶管理界面：按用戶的權(quán)限提供給用戶相應(yīng)的系統(tǒng)管理員的信息，包括系統(tǒng)管理員管理模塊；

環(huán)境信息查詢(xún)界面：提供給用戶宿舍各種環(huán)境信息的查詢(xún)，通過(guò)和查詢(xún)處理核心模塊通信來(lái)獲得滿足查詢(xún)要求的數(shù)據(jù)信息；

實(shí)時(shí)監(jiān)控界面：提供給用戶宿舍各種環(huán)境信息的實(shí)時(shí)查詢(xún)，由數(shù)據(jù)處理模塊及時(shí)更新實(shí)時(shí)監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)，還可以調(diào)整曲線圖時(shí)間粒度，此時(shí)需要查詢(xún)處理核心模塊的支持。

后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)由SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)和PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)PI負(fù)責(zé)收集和存儲(chǔ)宿舍環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server負(fù)責(zé)保存宿舍人員信息、系統(tǒng)管理員信息和一些環(huán)境參數(shù)。

前臺(tái)和后臺(tái)之間通過(guò)各種模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)和控制信息的交流，以此給用戶提供一個(gè)界面友好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和查詢(xún)處理適應(yīng)性強(qiáng)的系統(tǒng)。

后臺(tái)的數(shù)據(jù)流的處理和存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)方法，以及前后臺(tái)之間信息的交流過(guò)程由下面一章詳細(xì)介紹。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流處理方案

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流處理模型的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流處理的內(nèi)容主要包括客戶端、輸入數(shù)據(jù)流監(jiān)控、查詢(xún)處理器、數(shù)據(jù)流處理和數(shù)據(jù)流存儲(chǔ)。該方案具有以下特點(diǎn)：

1）為滿足物理存儲(chǔ)空間的限制和處理效率的要求，對(duì)于多數(shù)查詢(xún)，通過(guò)一遍掃描數(shù)據(jù)流的方法得出結(jié)果，并采用兩種類(lèi)型的抽樣存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，以便涉及到歷史數(shù)據(jù)的特別查詢(xún)和聚集查詢(xún)可在用戶指定的誤差范圍內(nèi)返回近似查詢(xún)結(jié)果；

2）具有友好的用戶的接口，能對(duì)用戶的查詢(xún)具有良好的實(shí)時(shí)性響應(yīng)，提供方便適應(yīng)性的查詢(xún)；

3）隨著查詢(xún)連續(xù)執(zhí)行，系統(tǒng)環(huán)境不斷變化，數(shù)據(jù)流本身特征也發(fā)生變化，系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)的調(diào)整查詢(xún)計(jì)劃和調(diào)度操作符，以此獲得較好的查詢(xún)性能。同時(shí)，支持流數(shù)據(jù)源和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源；

4）可以對(duì)流出異常數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源進(jìn)行查詢(xún)處理，并且能夠自適應(yīng)的處理猝發(fā)或者大量到來(lái)的數(shù)據(jù)流；

圖3為宿舍監(jiān)控的DDSMS的結(jié)構(gòu)[8]：

系統(tǒng)中的主要模塊功能如下[9]：

客戶端：客戶端包括兩個(gè)部分，手機(jī)客戶端和PC機(jī)客戶端。輸入接口包括查詢(xún)結(jié)果輸出和警報(bào)輸入，其中，查詢(xún)結(jié)果會(huì)經(jīng)過(guò)QoS監(jiān)控和負(fù)載均衡，間接支配調(diào)度策略。查詢(xún)接口接收用戶的查詢(xún)請(qǐng)求，輸入到查詢(xún)處理器中進(jìn)行處理，查詢(xún)的類(lèi)型包括傳統(tǒng)關(guān)系上的基本查詢(xún)以及數(shù)據(jù)流上的連續(xù)查詢(xún)和即席查詢(xún)?？蛻舳诉€可以直接對(duì)宿舍環(huán)境進(jìn)行控制。

數(shù)據(jù)監(jiān)控：主要是對(duì)數(shù)據(jù)流的流量進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整，以滿足系統(tǒng)處理能力的需求。

查詢(xún)處理器：主要負(fù)責(zé)客戶端的連續(xù)查詢(xún)的語(yǔ)法分析、查詢(xún)計(jì)劃生成、對(duì)數(shù)據(jù)流處理模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行組裝、負(fù)載均衡和服務(wù)質(zhì)量（QoS）監(jiān)控等功能。

數(shù)據(jù)流處理：根據(jù)通信協(xié)議對(duì)ZigBee通過(guò)串口流入的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)有數(shù)據(jù)超過(guò)正常值的情況，則立即向客戶端報(bào)警；隨后對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行概要存儲(chǔ)，對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

存儲(chǔ)區(qū)：分為SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)區(qū)有數(shù)據(jù)流存檔、關(guān)系存儲(chǔ)和元數(shù)據(jù)，在內(nèi)存中有概要存儲(chǔ)。SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)客戶信息和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)流處理過(guò)程：ZigBee網(wǎng)將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳送到PC機(jī)，數(shù)據(jù)流首先進(jìn)入監(jiān)控模塊，由物理流速率監(jiān)控電路控制上述數(shù)據(jù)流的輸入行為，解決時(shí)變和猝發(fā)的問(wèn)題。然后進(jìn)入數(shù)據(jù)流處理模塊，將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化轉(zhuǎn)換，并進(jìn)行上限檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)超過(guò)設(shè)定的環(huán)境數(shù)據(jù)的上限則向前臺(tái)報(bào)警，并調(diào)用GPRS通信模塊向預(yù)設(shè)的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送警報(bào)短信。隨后，數(shù)據(jù)流進(jìn)入查詢(xún)處理核心模塊，開(kāi)始數(shù)據(jù)流的查詢(xún)處理和數(shù)據(jù)存檔。

2.2 查詢(xún)處理機(jī)制

2.2.1 查詢(xún)語(yǔ)言

系統(tǒng)采取的查詢(xún)語(yǔ)言具有與SQL相似的語(yǔ)法，支持對(duì)流和關(guān)系的定義、查詢(xún)、刪除和修改等幾大操作。增加數(shù)據(jù)流上的時(shí)間粒度概念，支持時(shí)間粒度的選擇，并在引用時(shí)間概念的時(shí)候還支持時(shí)間單位在默認(rèn)時(shí)間粒度的基礎(chǔ)上進(jìn)行粗糙化。將所有的輸入和輸出都看作流[5]，使用BEGIN-END語(yǔ)句指定窗口的類(lèi)型和大小，NOW表示當(dāng)前時(shí)間。另外，還引入Windows Spec Language（SQL-99）來(lái)定義數(shù)據(jù)流的存取方式。

2.2.2 查詢(xún)計(jì)劃

本系統(tǒng)的DDSMS中連續(xù)查詢(xún)語(yǔ)法分析器相當(dāng)于一個(gè)編譯器[6]，對(duì)用戶注冊(cè)的查詢(xún)語(yǔ)句進(jìn)行解析，首先，將查詢(xún)語(yǔ)句轉(zhuǎn)換成語(yǔ)法樹(shù)表示，然后，經(jīng)過(guò)語(yǔ)義檢查器將其轉(zhuǎn)換為臨時(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的查詢(xún)語(yǔ)句則返回，隨后，將查詢(xún)的內(nèi)部表示轉(zhuǎn)換成邏輯查詢(xún)計(jì)劃，從這步開(kāi)始客觀的查詢(xún)表示被轉(zhuǎn)化為主觀的計(jì)劃。最后輸出實(shí)際可運(yùn)行并能較好分配資源的查詢(xún)計(jì)劃，用來(lái)指導(dǎo)查詢(xún)執(zhí)行器執(zhí)行查詢(xún)操作。

為滿足查詢(xún)優(yōu)化和適應(yīng)性的查詢(xún)處理的各方面，系統(tǒng)在滑動(dòng)窗口中采用合適的時(shí)間粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)信息動(dòng)態(tài)收集，收集到的信息可形象地描繪為查詢(xún)進(jìn)度圖。統(tǒng)計(jì)信息再經(jīng)過(guò)整理與計(jì)算可轉(zhuǎn)化為查詢(xún)計(jì)劃動(dòng)態(tài)優(yōu)化與操作符調(diào)度策略所需參數(shù)，運(yùn)用這些參數(shù)便可構(gòu)造出查詢(xún)計(jì)劃動(dòng)態(tài)優(yōu)化后的查詢(xún)進(jìn)度圖與操作符調(diào)度后的查詢(xún)片段圖。在查詢(xún)運(yùn)行過(guò)程中，查詢(xún)計(jì)劃可以查看和編輯以此來(lái)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，數(shù)據(jù)可以在查詢(xún)計(jì)劃間移動(dòng)。根據(jù)查詢(xún)的相對(duì)重要程度為查詢(xún)分配權(quán)值，并將每個(gè)查詢(xún)計(jì)劃中的操作符作為一個(gè)線程[11]，系統(tǒng)在由于資源限制而操作符特別多的時(shí)候，整個(gè)調(diào)度器只產(chǎn)生一個(gè)線程，在該線程中循環(huán)地調(diào)度每個(gè)查詢(xún)計(jì)劃中的每個(gè)操作符，調(diào)度的方法按權(quán)值的高低進(jìn)行。針對(duì)同一數(shù)據(jù)源的多重查詢(xún)[5]，可以將新查詢(xún)封裝到一個(gè)已存在的查詢(xún)計(jì)劃中，而不是獨(dú)立的查詢(xún)計(jì)劃，從而共享資源。

2.2.3 執(zhí)行查詢(xún)

系統(tǒng)中查詢(xún)的類(lèi)型包括傳統(tǒng)關(guān)系上的基本查詢(xún)以及數(shù)據(jù)流上的連續(xù)查詢(xún)和即席查詢(xún)。在本系統(tǒng)中用戶提交查詢(xún)信息后，首先，在帶有時(shí)間參數(shù)的連續(xù)查詢(xún)語(yǔ)法分析器中分析用戶提交的查詢(xún)，如果為基本的查詢(xún)，則在SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)，若為數(shù)據(jù)流上的連續(xù)查詢(xún)[8]，則按照系統(tǒng)的查詢(xún)計(jì)劃，放置在注冊(cè)查詢(xún)緩沖中，查詢(xún)執(zhí)行器與輸入數(shù)據(jù)流監(jiān)視器通信，以此根據(jù)傳輸速率的變化而動(dòng)態(tài)優(yōu)化查詢(xún)計(jì)劃。數(shù)據(jù)緩存借助2種類(lèi)型的隊(duì)列實(shí)現(xiàn)push （流數(shù)據(jù)）和pull（傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)）操作，查詢(xún)緩沖中的查詢(xún)和數(shù)據(jù)緩沖中的元組相互檢查元組是否符合查詢(xún)條件，實(shí)現(xiàn)新數(shù)據(jù)對(duì)舊查詢(xún)、新查詢(xún)對(duì)舊數(shù)據(jù)的雙重檢測(cè)；大綱用于在統(tǒng)計(jì)和近似連續(xù)查詢(xún)時(shí)緩存數(shù)據(jù)的特征值，采用近似查詢(xún)技術(shù)快速得出結(jié)果。查詢(xún)執(zhí)行器（scheduler）調(diào)度查詢(xún)計(jì)劃的執(zhí)行，與負(fù)載均衡器（load shedder）協(xié)調(diào)工作，QoS監(jiān)控控制負(fù)載均衡，間接支配調(diào)度策略。同時(shí)，元數(shù)據(jù)目錄表記全系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，其功能有全網(wǎng)的密度和連通性、系統(tǒng)負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)可靠性等內(nèi)容，從而保證了系統(tǒng)快速準(zhǔn)確的返回用戶的查詢(xún)結(jié)果。

2.2.4 歷史數(shù)據(jù)流存檔

系統(tǒng)采用一種[12]支持?jǐn)?shù)據(jù)流歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及查詢(xún)的方法，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)實(shí)施兩種類(lèi)型的抽樣存儲(chǔ)（分別稱(chēng)為初始抽樣和多層遞階抽樣）來(lái)實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。初始抽樣對(duì)近期流出滑動(dòng)窗口的歷史數(shù)據(jù)實(shí)施抽樣，將抽樣后得到的樣本存儲(chǔ)在外存中，以減少歷史數(shù)據(jù)對(duì)外存空間的占有量。多層遞階抽樣對(duì)外存中的樣本實(shí)施持續(xù)的再抽樣存儲(chǔ)，進(jìn)一步減小樣本數(shù)據(jù)對(duì)外存空間的存儲(chǔ)壓力。此外，為支持對(duì)數(shù)據(jù)流歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)，我們還在內(nèi)存中建立了歷史數(shù)據(jù)的概要存儲(chǔ)[5]。概要存儲(chǔ)利用流屬性提供的周期性知識(shí)，從磁盤(pán)預(yù)先提取用戶感興趣的查詢(xún)所涉及的數(shù)據(jù)，以減少處理時(shí)間和保證緩沖尺寸不超出界限。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)：QT 4.0

系統(tǒng)硬件配置：PC機(jī)，SIM300，ZigBee，溫濕度傳感器，聲音傳感器，煙霧傳感器，亮度傳感器，電流電壓控制器。

數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器：Microsoft SQL Server 2005，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)。

操作系統(tǒng)要求：Windows XP/7 Linux

3.2 系統(tǒng)測(cè)試方案

由于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于本文開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，我們采用交叉測(cè)試（cross-test），使用有效的cross-test測(cè)試策略可極大的提高軟件開(kāi)發(fā)測(cè)試的水平和效率，在測(cè)試的各個(gè)階段有著以下的策略：?jiǎn)卧獪y(cè)試、集成測(cè)試、系統(tǒng)測(cè)試和確認(rèn)測(cè)試。

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果分析

1）當(dāng)啟動(dòng)系統(tǒng)后在主機(jī)上會(huì)出現(xiàn)登錄界面，管理員輸入賬號(hào)和密碼后進(jìn)入主界面，主界面如圖4所示。

系統(tǒng)主界面是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的概要界面，左下角的圖標(biāo)以變色閃爍的方式對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警。

2）點(diǎn)擊主界面的實(shí)時(shí)監(jiān)控按鈕，進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面，如圖5所示。

系統(tǒng)根據(jù)用戶的查詢(xún)要求在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢(xún)數(shù)據(jù)，顯示在系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控頁(yè)面上，并且根據(jù)采集環(huán)境數(shù)據(jù)的情況每5 秒鐘更新一次，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，并且可以通過(guò)鼠標(biāo)的上下滑動(dòng)來(lái)調(diào)控曲線圖上的時(shí)間精度。可通過(guò)點(diǎn)擊監(jiān)控視頻按鈕直接在右側(cè)顯示所查詢(xún)宿舍的監(jiān)控視頻畫(huà)面。

3）點(diǎn)擊環(huán)境信息查詢(xún)按鈕，進(jìn)入宿舍環(huán)境數(shù)據(jù)查詢(xún)頁(yè)面，如圖6所示。

在查詢(xún)對(duì)象上，可以根據(jù)用戶需求輸入不同的查詢(xún)條件和查詢(xún)精度，既可以查詢(xún)某一或某些宿舍或宿舍樓的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)，也可以查詢(xún)這些宿舍環(huán)境數(shù)據(jù)的特征值，如總和、報(bào)警情況等。并提供報(bào)表，將數(shù)據(jù)信息以可靠、安全的方式直觀地呈現(xiàn)給用戶。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能、穩(wěn)定性等方面的調(diào)試，與一般的宿舍監(jiān)控系統(tǒng)[1，4]相比優(yōu)越性如下：

1）實(shí)時(shí)性：系統(tǒng)對(duì)宿舍的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，達(dá)到實(shí)時(shí)、真實(shí)、準(zhǔn)確、統(tǒng)一的反應(yīng)實(shí)時(shí)情況，為用戶提供清晰、準(zhǔn)確的宿舍環(huán)境畫(huà)面。

2）靈活性：可以較大程度的滿足用戶的查詢(xún)要求，支持連續(xù)查詢(xún)，支持近似計(jì)算，支持流數(shù)據(jù)源和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源，可調(diào)整查詢(xún)的時(shí)間粒度，還可以提供宿舍環(huán)境監(jiān)控的流數(shù)據(jù)挖掘和輔助決策功能。

3）適用范圍廣：系統(tǒng)能夠存儲(chǔ)海量的環(huán)境數(shù)據(jù)，并且能夠長(zhǎng)期保存重要的環(huán)境數(shù)據(jù)，可以監(jiān)控大型的宿舍環(huán)境，是校園信息化的重要選擇。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的數(shù)據(jù)流管理系統(tǒng)方案能夠?yàn)樗奚岜O(jiān)控系統(tǒng)提供可靠、穩(wěn)定、靈活的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)。本系統(tǒng)既可以實(shí)時(shí)監(jiān)控宿舍環(huán)境，預(yù)警危險(xiǎn)情況，并且支持連續(xù)查詢(xún)、近似計(jì)算、流數(shù)據(jù)源和傳統(tǒng)數(shù)據(jù)源。為了更好的促進(jìn)當(dāng)代學(xué)生的學(xué)習(xí)和生活，本系統(tǒng)還需提供了數(shù)據(jù)挖掘和輔助決策功能，這也是本系統(tǒng)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。目前，我們正在努力將該系統(tǒng)實(shí)用化，投入到現(xiàn)實(shí)中，實(shí)現(xiàn)學(xué)校宿舍管理信息化。

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