物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

王帥帥 劉揚(yáng)

摘 要：針對當(dāng)前暴雨積水、雪情數(shù)據(jù)采集信息量大，結(jié)構(gòu)不同，格式不一致，呈現(xiàn)方式多樣，質(zhì)量問題等現(xiàn)象，增加了處理與分析的困難程度。文章以北京市西城區(qū)為例，結(jié)合全區(qū)的水雨雪傳感器設(shè)備現(xiàn)狀，進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集終端統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的建立，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效統(tǒng)一接入和數(shù)據(jù)訪問接口的應(yīng)用，形成了水雨雪災(zāi)情信息庫。提高了獲取數(shù)據(jù)的效率和數(shù)據(jù)質(zhì)量，從而為城市災(zāi)害預(yù)警提供了數(shù)據(jù)支持和信息保障。

關(guān)鍵詞：水雨雪數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集終端統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型；數(shù)據(jù)應(yīng)用；災(zāi)情信息庫

中圖分類號：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-03

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按照相關(guān)約定協(xié)議，將物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1-3]。在物聯(lián)網(wǎng)中，因?yàn)閿?shù)據(jù)的多源異構(gòu)性，對物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的處理將成為重要技術(shù)之一。

近年來，城市暴雨積水、雪災(zāi)等自然災(zāi)害頻發(fā)，及時(shí)準(zhǔn)確地獲取高質(zhì)量的氣象數(shù)據(jù)，能夠?yàn)楸Ｕ铣鞘姓＿\(yùn)行提供重要的數(shù)據(jù)支撐。目前利用雨量計(jì)、OTT Pluvio2雪量計(jì)和無線電子水尺，使用GPRS無線網(wǎng)路技術(shù)，依據(jù)監(jiān)測設(shè)備傳感器的工作原理和監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送與接收。鑒于三種監(jiān)測設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)格式不同、信息量大且存在質(zhì)量問題，增加了工作人員處理與分析的難度[4，5]。本文研究將三種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一接入和數(shù)據(jù)訪問接口的設(shè)計(jì)，最終以XML數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，并對相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量問題進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)獲取的效率，保障了數(shù)據(jù)質(zhì)量，使水雨雪數(shù)據(jù)在保障城市運(yùn)行中更好的發(fā)揮作用。

XML即可擴(kuò)展標(biāo)志語言，是一種具有數(shù)據(jù)描述功能、高度結(jié)構(gòu)性及可驗(yàn)證性的置標(biāo)語言，它可以用來標(biāo)記數(shù)據(jù)、定義數(shù)據(jù)類型[6，7]。XML允許用戶自行定義標(biāo)記和屬性，并且可以依照所定義的標(biāo)記和屬性的語法來開發(fā)應(yīng)用程序，通過標(biāo)記來描述數(shù)據(jù)，因此，可以借助驗(yàn)證規(guī)則來規(guī)范一個XML文件的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)，便于數(shù)據(jù)的交互。

1 原始數(shù)據(jù)簡介

水雨雪三種物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測設(shè)備，一般按照國家水情信息傳輸編碼標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送，但為了實(shí)現(xiàn)水情信息的豐富性和保密性，各公司生產(chǎn)的儀器具有某些特殊編碼，為了實(shí)現(xiàn)信息全面、準(zhǔn)確的解析，就必須全面掌握水雨雪三種數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式。GPRS數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中以數(shù)據(jù)包的形式進(jìn)行傳輸，每個數(shù)據(jù)包都包含包頭文件和數(shù)據(jù)主體。

1.1 降雨數(shù)據(jù)格式

（1）報(bào)頭文件

@@15165335526IP：123.23.23.25##，@@是字符頭，15165335526IP為插入DTU中SIM卡號，IP：123.23.23.25為登陸后DTU的IP地址，##是結(jié)束符。

（2）雨量數(shù)據(jù)

6872726810000000002080CD21A000003021A100003021A200003021A400003021A300003050A5000000000000，6872726810000000002080CD為設(shè)備地址，21A00000為十分鐘雨量，21A10000為1小時(shí)雨量，21A20000為日雨量（晚八點(diǎn)清零），21A40000為24小時(shí)雨量，21A30000為一場雨的雨量。

1.2 積水?dāng)?shù)據(jù)格式

（1）報(bào)頭文件

01H011424210001111132003E02H，其中，01H01為中心站地址，為幀起始符，1424210001為遙測站地址，1111為密碼，32為功能碼，003E為報(bào)文上下行標(biāo)識和長度，02H為報(bào)文起始符。

（2）正文

000113001075920ST_1424210001_P_TT_1301010759_Z_0.000_VT_3.65_03H9457，0001為流水號，13001075920為發(fā)報(bào)時(shí)間，ST為地址標(biāo)識符，1424210001為遙測站地址，P為遙測站分類碼，TT為觀測時(shí)間標(biāo)識符，13001010759為觀測時(shí)間，Z為順時(shí)水位標(biāo)識符，0.000為順時(shí)水位，VT_3.65為電壓3.65 V。

（3）報(bào)尾

03H9457，其中，03H為報(bào)文結(jié)束符，9457為校驗(yàn)碼。

1.3 降雪數(shù)據(jù)格式

（1）報(bào)頭文件

@@13831521356IP：123.23.23.25##，@@是字符頭，13831521356IP為插入DTU中SIM卡號，IP：123.23.23.25為登陸后DTU的IP地址，##是結(jié)束符。

（2）雪量數(shù)據(jù)

6872726810000000002080CD21A000003021A100003021A200003021A400003021A300003050A5000000000000，6872726810000000002080CD為設(shè)備地址，21A00000為十分鐘雪量，21A10000為1小時(shí)雪量，21A20000為日雪量（晚八點(diǎn)清零），21A40000為24小時(shí)雪量，21A30000為一場雪的雪量。

2 水雨雪數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 水雨雪數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型描述

傳感器與數(shù)據(jù)采集終端之間的信號類型種類繁多，接口呈現(xiàn)多樣化[8，9]，本文研究水雨雪三種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)接入，只需考慮網(wǎng)絡(luò)接口（IP和端口），即可接入傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器與服務(wù)器端的數(shù)據(jù)通信。

傳感器數(shù)據(jù)接口的基本用途在于解決數(shù)據(jù)接入的基本特征和應(yīng)用屬性參數(shù)等規(guī)范化描述及標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問接口。傳感器數(shù)據(jù)接口的基本特征參數(shù)包括版本號、身份標(biāo)識、通道數(shù)等。應(yīng)用屬性參數(shù)主要包括數(shù)據(jù)分類編號、站點(diǎn)信息、氣象數(shù)據(jù)值、觀測時(shí)間等。數(shù)據(jù)訪問接口主要以Web Services服務(wù)的網(wǎng)頁形式發(fā)布，并且統(tǒng)一利用XML數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，用戶只需根據(jù)定義好的XML數(shù)據(jù)格式解析即可。

水雨雪數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型包括信號接口和數(shù)據(jù)接口兩部分，具體框架描述如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)模型XML數(shù)據(jù)框架描述

2.2 水雨雪數(shù)據(jù)采集終端數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型實(shí)現(xiàn)

水雨雪三種數(shù)據(jù)類別根據(jù)與傳感器的信號接口（端口號）進(jìn)行分別。水雨雪三種傳感數(shù)據(jù)單位和精度有所不同，其中降雨和降雪的精度為0.1 mm，積水的精度為1 cm，將其值歸為一類時(shí)要將單位區(qū)分開。根據(jù)三種數(shù)據(jù)解析的有關(guān)內(nèi)容和自定義的相關(guān)屬性，將數(shù)據(jù)格式按如下所示定義：

水雨雪類別

站點(diǎn)編號

站點(diǎn)名

觀測時(shí)間

水雨雪值

其中，節(jié)點(diǎn)marker（水雨雪的類別）根據(jù)信號接口（端口號）進(jìn)行判斷，StationNo（站點(diǎn)編號）降雨和降雪根據(jù)SIM卡號進(jìn)行編輯，積水根據(jù)遙測站地址進(jìn)行編輯，StationName（站點(diǎn)名）和Address（站點(diǎn)地址）屬于自定義屬性，根據(jù)已知的StationNo進(jìn)行匹配入座，DataTime（觀測時(shí)間）可根據(jù)各傳感器的發(fā)送時(shí)間直接獲取。

2.3 數(shù)據(jù)入庫表設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)據(jù)庫表設(shè)計(jì)原則，結(jié)合業(yè)務(wù)相關(guān)需求分別設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)和歷史（水雨雪）表兩種，利于相關(guān)數(shù)據(jù)的入庫。實(shí)時(shí)雨量表和歷史雨量表分別見表1和表2所列。

3 數(shù)據(jù)采集終端平臺的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集終端平臺設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集終端平臺的實(shí)現(xiàn)主要包括服務(wù)控制端、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、幫助三部分。其中，服務(wù)控制端實(shí)現(xiàn)平臺軟件的啟動與關(guān)閉；參數(shù)設(shè)置端主要包括相關(guān)參數(shù)（IP、端口、設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)間隔等）；幫助主要包括相關(guān)電池電壓、版本號等。具體實(shí)現(xiàn)界面如圖2和圖3所示。

3.2 水雨雪XML數(shù)據(jù)共享

水雨雪等氣象數(shù)據(jù)備受政府部門（防汛、應(yīng)急等）關(guān)注，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最大利用率，現(xiàn)將水雨雪數(shù)據(jù)以Web Services服務(wù)的形式發(fā)布，數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一為XML[10]。各相關(guān)部門根據(jù)自己的身份識別信息即可自行解析獲取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)具體格式如圖4所示。

4 結(jié) 語

鑒于城市氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的多樣性，要求我們必須對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)整合，數(shù)據(jù)統(tǒng)一模型的建立是關(guān)鍵。本文以北京市西城區(qū)水雨雪傳感器設(shè)備和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)等為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了水雨雪數(shù)據(jù)統(tǒng)一接入和訪問模型，建立了水雨雪災(zāi)情信息庫，為西城區(qū)防汛（雪災(zāi)）等提供了有效數(shù)據(jù)支持，為領(lǐng)導(dǎo)決策提供了保障。同時(shí)降雪監(jiān)測設(shè)備應(yīng)用于雨量監(jiān)測又能大大提高資源利用率。在以后的建設(shè)中，可以擴(kuò)展更多的氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)，提高整體使用效率。

參考文獻(xiàn)

[1]李德仁，邵振峰，楊小敏，等.從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實(shí)踐[J].地理空間信息，2011，9（6）：1-5.

[2]李清泉，李必軍.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在GIS中需要解決的若干技術(shù)問題[J].地理信息世界，2010，8（5）：7-11，21.

[3]Amardeo C.Sarma，Jo?o Gir?o.Identities in the Future Internet of Things[J]. Wireless Personal Communications，2009（3）：353-363.

[4]王金萍.傳感網(wǎng)異構(gòu)數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)融合技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京郵電大學(xué)，2013.

[5]胡海東.物聯(lián)網(wǎng)中的海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2013 （3）：182.

[6]曾小寧，黎明.基于XML的數(shù)據(jù)交換中間件的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28（12）：2999-3002.

[7]陳天煌，鄒青梅.基于XML的異構(gòu)數(shù)據(jù)庫信息共享技術(shù)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2005，29（1）：129-132.

[8]耿盼盼，丁香乾，陶冶，等.一種通用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2013，30（11）：115-118.

[9]劉成亮.物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集終端統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].合肥：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，2012.

[10]汪勇，王備戰(zhàn).基于Web Service的數(shù)據(jù)交換平臺解決方案[J].微處理機(jī)，2007（4）：120-122.