環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺中應用Web服務進行相關(guān)實踐的分析

在這個飛速發(fā)展的信息化時代，各行各業(yè)各大領域基本上都會涉及到數(shù)據(jù)采集這一問題。目前，數(shù)據(jù)采集終端已經(jīng)延伸到了世界各地各個角落，形成了全方位的覆蓋性傳感網(wǎng)絡。為了構(gòu)建出一個遠程控制的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺，實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集，專家學者們利用發(fā)展較成熟的Web服務技術(shù)，創(chuàng)建了具有實際意義的遠程網(wǎng)絡數(shù)據(jù)采集傳輸平臺，真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)獲取分工和功能服務器的獨立工作。經(jīng)過實驗驗證后，Web服務技術(shù)很好的完成了數(shù)據(jù)采集任務，進而此環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺可以應用到實踐中。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)采集 Web服務 傳感網(wǎng)絡

隨著社會進步和工農(nóng)業(yè)發(fā)展，人們越來越意識到環(huán)境質(zhì)量對社會生存和發(fā)展的重要性。因此也正在積極地進行大氣環(huán)境的監(jiān)測工作，比如實行整體性的有害氣體、粉塵、空氣質(zhì)量實時監(jiān)測等。在經(jīng)濟高速發(fā)展和科學技術(shù)日異月新的背景下，大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的類型也正在迅速的變更。然而，傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集模式已經(jīng)無法適如今大氣環(huán)境監(jiān)測中大數(shù)據(jù)采集和質(zhì)量管理的要求。由此，針對這種動態(tài)環(huán)境的變化趨勢做出預測，遠程的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺應運而生。這種平臺在終端采集到數(shù)據(jù)之后傳送到上位機或網(wǎng)絡上。然而，采集到的數(shù)據(jù)數(shù)量龐大，難免會出現(xiàn)一些重復性高、可用性差、耦合緊密的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)等問題。所以，我們將Web服務引入進來，達成更好的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡服務。

1 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

如圖1所示，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式是通過圖中的框架實現(xiàn)的。底層部分的傳感設備通過PC通用接口與上位機連接起來，PC通用接口可以采用COM接口或是LPT接口，若是不用PC接口也可以采用專用的板卡接口，例如NI公司開發(fā)設計的PXI板卡。如果數(shù)據(jù)采集的環(huán)境發(fā)生了動態(tài)變化，底層部分必須重新配置相應的硬件并重新編寫程序，只能應用在當前數(shù)據(jù)中，其他的數(shù)據(jù)服務還要重新給予相應的數(shù)據(jù)服務，配置硬件并編寫程序。這種類型的信息結(jié)構(gòu)數(shù)量眾多，但是基本上彼此獨立，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡跨平臺應用帶來了難題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集獲取方式會得到網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)并不利于實現(xiàn)泛在傳感網(wǎng)絡的構(gòu)建，但是事實上，以節(jié)點為中心并具備網(wǎng)絡通訊功能的有線或無線自組網(wǎng)是存在著的，想要將這種類型的傳感網(wǎng)絡組合成組網(wǎng)，必須設置路由設備，制約了自由靈活的接入布置。因此，專家學者們針對該難題從數(shù)據(jù)采集階段開始了應用研究。

2 Web服務技術(shù)概述

Web服務是一種網(wǎng)絡應用和服務的組件，主要用于為其他應用程序提供數(shù)據(jù)和服務，邏輯性較強。本地或是遠程的應用程序都可以通過網(wǎng)絡協(xié)議規(guī)定將標準數(shù)據(jù)格式，例如：Http、XML、Soap等格式送到Web服務中進行訪問，經(jīng)其內(nèi)部執(zhí)行后得到想要的結(jié)果。Web服務能夠執(zhí)行的任務范圍較廣，簡單的請求或是復雜的商務處理都可以在部署完畢后直接完成，部署完畢的服務還可以反復使用。Web服務的包含性、自描述性非常好，能夠?qū)崿F(xiàn)跨網(wǎng)絡、平臺、系統(tǒng)的綜合性服務，耦合松散，可編程性和集成性都很高。

想要實現(xiàn)遠程環(huán)境實時監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集是必不可少的首要階段。數(shù)據(jù)采集的過程中包括接入配置傳感采集設備、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)儲存和數(shù)據(jù)處理幾個環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)的功能各不相同，采用Web服務技術(shù)后能夠?qū)⑦@些環(huán)節(jié)徹底明確的區(qū)分開來，其他應用部分想要調(diào)用數(shù)據(jù)采集鏈上的部分功能會更加方便，同時也為數(shù)據(jù)的跨平臺、集成使用提供了方便，有效解決了信息獨立問題。

將Web服務技術(shù)應用到數(shù)據(jù)采集之后，上位機的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸和儲存、數(shù)據(jù)上層顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析都能通過Web服務實現(xiàn)，形成了一個基于Web服務的數(shù)據(jù)采集平臺。

3 應用Web服務技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺

如圖2所示，將Web服務技術(shù)應用到數(shù)據(jù)采集中后，可以采用分布式傳感器將數(shù)據(jù)通過傳感節(jié)點匯聚起來，形成靈活的組網(wǎng)，傳感器可以根據(jù)實際需要任意加入或退出網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)通過傳感節(jié)點能夠匯聚到一起，采集起來并進行儲存。而數(shù)據(jù)采集、存儲、網(wǎng)絡傳輸、集成和處理等功能都可以采用Web服務技術(shù)實現(xiàn)，并根據(jù)不同功能分別提供對外接口，最終形成一個數(shù)據(jù)采集平臺。

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡傳輸服務主要是通過TCP/UDP網(wǎng)絡實現(xiàn)的，先將數(shù)據(jù)采集到，然后轉(zhuǎn)發(fā)出去。通常情況下，數(shù)據(jù)的采集存儲服務和網(wǎng)絡傳輸服務是在一臺服務器上實現(xiàn)的。而數(shù)據(jù)的集成服務和處理服務則是高等級的應用服務，能夠定向?qū)?shù)據(jù)進行融合處理，并為決策提供支持。

數(shù)據(jù)采集服務這項業(yè)務可以根據(jù)不同廠商提供的不同傳感器動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)多通道的集成，并在同一個網(wǎng)絡中傳輸轉(zhuǎn)發(fā)，例如：TCP/UDP網(wǎng)絡傳輸協(xié)議，給予不同的應用平臺網(wǎng)絡連接。多通道的數(shù)據(jù)采集還可以根據(jù)實際需要的數(shù)據(jù)集成處理服務提供相應的服務，各項服務之間數(shù)據(jù)共享，采用同一個數(shù)據(jù)庫。

4 室內(nèi)環(huán)境實驗測試

有了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺搭建的理論基礎以后，研究人員要先進行小范圍的模擬實驗，驗證該理論是可以應用到實踐中來的。專家學者們以室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測為例，將Web服務技術(shù)應用到了環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，構(gòu)建出了室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集項包括：溫度、濕度、氣壓、氣體成分以及光照，通過布置在數(shù)據(jù)采集點的傳感器獲取數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)要實時存儲在本地的軟件系統(tǒng)中或是傳送到網(wǎng)絡上實現(xiàn)遠程監(jiān)控，最后根據(jù)實際需求進行集成處理或是融入到其他數(shù)據(jù)中?；究蚣芸梢詤⒄請D3.Web服務技術(shù)能夠?qū)⒃撓到y(tǒng)中數(shù)據(jù)的不同功用區(qū)分開來，分別做成服務接口，方便隨時調(diào)用服務。

該平臺的設計將Web技術(shù)應用到了Visual Studio 2006平臺上，數(shù)據(jù)采集采用OperateSite Service操作站，數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)采用的是TcpUdp Service，數(shù)據(jù)遠程集成服務采用的是RemoteSiteView Service。

OperateSite Service操作站的服務可以布置在室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的本地主機上，可以根據(jù)廠商提供的數(shù)據(jù)采集程序庫動態(tài)調(diào)整采集程序，更方便傳感器網(wǎng)絡的適應和接入。TcpUdp Service數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)服務可以布置在本地或其它地點的主機上，遠程主機也可以布置，其作用就是將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程主機上，并接收來自遠程主機的命令。RemoteSiteView Service則需要布置在遠程主機上，其作用是接收網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)傳送過來的數(shù)據(jù)進行集成處理。以上幾項服務是彼此分開的，獨立性很強，可以根據(jù)實際需要具體布置。endprint

實地安裝好傳感器后，通過Zigbee無線通訊協(xié)議組成網(wǎng)絡，通過無線傳感器節(jié)點匯集接收采集到的數(shù)據(jù)，輸送到本地操作站中，再通過網(wǎng)絡傳送到遠程主機上，采用Ajax異步網(wǎng)頁傳輸技術(shù)將數(shù)據(jù)顯示出來。

實驗過后，得到了室內(nèi)環(huán)境的光照監(jiān)控以及溫度監(jiān)控的畫面截圖，如圖4所示。

室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測平臺能夠?qū)崟r顯示室內(nèi)環(huán)境的各項物理參數(shù)，遠程用戶可以直接使用Web瀏覽器實時監(jiān)測室內(nèi)環(huán)境的狀態(tài)，完全不需要任何插件。同時，用戶還可以根據(jù)自身需要在平臺上查詢歷史數(shù)據(jù)或是進一步開發(fā)集成服務，例如：實時氣候分析、未來幾天的天氣預報等等。采用的Ajax動態(tài)網(wǎng)頁數(shù)據(jù)異步更新技術(shù)能夠有效降低服務器的負擔，Web的應用交互性有所加強，即便不刷新頁面，也可以與服務器實時交換數(shù)據(jù)。

平臺中的Web Service集成服務還可以應用在農(nóng)業(yè)大棚的植物種植中，提供實時環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，方便工作人員隨時調(diào)整更為合適的農(nóng)作物生長環(huán)境，進而提升作物的產(chǎn)量；應用到工業(yè)設施監(jiān)控中，還能實現(xiàn)更加精細化的工業(yè)生產(chǎn)過程控制和自我診斷故障。

當今時代對環(huán)境保護和綠色可持續(xù)發(fā)展的理念越來越清晰，要求也是與日俱增。而氣候監(jiān)測數(shù)據(jù)監(jiān)測對其發(fā)展與防治大有裨益，下面以氣候監(jiān)測為例，簡要介紹Web服務技術(shù)應用到環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺中的相關(guān)實踐。

5 大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)Web應用平臺

大氣環(huán)境的監(jiān)測內(nèi)容包括多個方面，二氧化硫、二氧化氮、大氣質(zhì)量、可吸入顆粒物等等，再與計算機網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合起來，便能建立起為大氣監(jiān)測部門、相關(guān)企業(yè)、廣大居民群眾提供全面服務的大氣環(huán)境動態(tài)監(jiān)測平臺。該平臺引進了WebService技術(shù)，解決了從前信息更新效果差、共享效率低、成果普及難的實際問題。

5.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)該數(shù)據(jù)庫的實際應用特質(zhì)，我們可以將氣候環(huán)境監(jiān)測的實際數(shù)據(jù)按照類型特點分成基礎數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)。

5.1.1 基礎數(shù)據(jù)庫

基礎數(shù)據(jù)庫的主要功能是為整個系統(tǒng)提供地圖服務，包括空間數(shù)據(jù)和基礎信息。具體的子數(shù)據(jù)庫包括：基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、大氣基本等級數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測大氣質(zhì)量基礎設施數(shù)據(jù)庫。

5.1.2 專題數(shù)據(jù)庫

專題數(shù)據(jù)庫的作用是整個系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)庫，根據(jù)數(shù)據(jù)特點可以分為基礎專題數(shù)據(jù)庫和實時專題數(shù)據(jù)庫兩種類型?；A專題數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，大氣環(huán)境的評價模型也包含在內(nèi)。而實時專題數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)時空性非常明顯，是通過設定好的定期數(shù)據(jù)采集程序進行實地環(huán)境監(jiān)測的，其中包括了大氣環(huán)境質(zhì)量、有害氣體含量和粉塵排放量數(shù)據(jù)庫。獲取大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的途徑比較豐富，首先，從基礎數(shù)據(jù)庫中提取出轉(zhuǎn)化完空間坐標的監(jiān)測區(qū)域大氣環(huán)境采集信息，獲得該地區(qū)大氣基本狀況的相關(guān)信息；其次，從相關(guān)部門的信息平臺上提取有害氣體含量與大氣環(huán)境監(jiān)測采集點數(shù)據(jù)，進行空間化插值格網(wǎng)分析；最后，將地區(qū)的高分辨率航空遙感影像圖以及基礎地理數(shù)據(jù)層疊加起來。

5.1.3 輔助數(shù)據(jù)庫

輔助數(shù)據(jù)庫中包括元數(shù)據(jù)庫以及管理數(shù)據(jù)庫，主要用于維護管理以及數(shù)據(jù)備份。

5.2 Web平臺

5.2.1 技術(shù)方法

AJAX技術(shù)就是異步JavaScript和XML技術(shù)。該技術(shù)可以實現(xiàn)與服務器端的異步通信，用戶在請求和相應的循環(huán)過程中獲得不一樣的體驗。該技術(shù)能夠擴展超文本指標語言，實現(xiàn)文檔和模型之間的動態(tài)交互，轉(zhuǎn)換語言，異步接收數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)的網(wǎng)頁應用程序需要客戶將整個頁面交到服務器端，等待相應，刷新網(wǎng)頁后才能繼續(xù)操作。這種處理模式對于程序的使用效率和數(shù)據(jù)交互能力有很大的影響，還會耗費過多的流量。AJAX技術(shù)解決了這一問題，它在客戶端與服務器端間添加了一個中間層，利用客戶端的閑置處理來進行服務器端的返回請求，減輕了服務器端的通信壓力。使用過程中，Web頁面完全不需要重新加載，可以在頁面內(nèi)實現(xiàn)與服務器的通信，用戶操作不會輕易出現(xiàn)中斷，相應快速，有效優(yōu)化了Web技術(shù)的可行性。

5.2.2 功能介紹

空間展示功能。該功能可以為用戶展示有害氣體含量、粉塵含量、大氣環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測點的地圖，根據(jù)不同的指標將其劃分成不同的區(qū)間，通過分級專題圖樣展示大氣環(huán)境等級分布。并通過形象的動態(tài)符號形式，直觀表現(xiàn)出監(jiān)測點的環(huán)境數(shù)據(jù)比例和分布。

環(huán)境評價功能。環(huán)境評價是這個環(huán)境監(jiān)測平臺的核心功能，可以進行綜合評價和單個環(huán)境因素評價。用戶可以自定評價標準，選擇評價范圍，結(jié)果會由專題地圖展示出來。

統(tǒng)計分析功能。該功能能夠?qū)⒇S富的數(shù)據(jù)以直觀的圖形展示出來，為用戶提供更加具體的決策依據(jù)，主要包括直方圖、統(tǒng)計報表和統(tǒng)計地圖這三種統(tǒng)計方式。用戶可以根據(jù)不同的需求任意調(diào)取監(jiān)測數(shù)據(jù)，劃定任意范圍或組合方式進行相關(guān)統(tǒng)計分析。

此外，Web服務技術(shù)還可以應用與農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測方面。農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境監(jiān)測內(nèi)容包括多個方面：土壤、灌溉水、大氣質(zhì)量、當?shù)氐刭|(zhì)水文條件等等，再與計算機網(wǎng)絡技術(shù)結(jié)合起來，便能建立起為農(nóng)業(yè)部門、相關(guān)企業(yè)、廣大消費者、農(nóng)民提供全面服務的農(nóng)業(yè)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測平臺。該平臺引進WebService技術(shù)，可以解決從前信息更新效果差、共享效率低、成果普及難的實際問題。

6 結(jié)語

Web服務技術(shù)為實現(xiàn)可以互相操作的應用程序提供了新型平臺，也是未來網(wǎng)絡服務的主要技術(shù)。在環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集平臺中應用Web服務技術(shù)后，可以用在日后的農(nóng)業(yè)種植、工業(yè)生產(chǎn)、海洋開發(fā)中，實現(xiàn)遠程實驗平臺的構(gòu)建，通過Web服務形式提供各種不同的應用功能，并在動態(tài)數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)集成處理、智能服務等方面進一步發(fā)揮作用。

參考文獻

[1]王莉.基于WebGIS的農(nóng)業(yè)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與評價管理信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].江西農(nóng)業(yè)大學，2013.

[2]李遠芳，白毅平.南海區(qū)域海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及web開發(fā)應用[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（01）：50.

[3]李遠芳，白毅平.南海區(qū)域海洋環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)庫及web開發(fā)應用[J].科技創(chuàng)新導報，2011（12）：18.

[4]卜志國.海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成與應用研究[D].中國海洋大學，2010.

作者簡介

易連結(jié)，（1971-），男，大學本科學歷?，F(xiàn)為婁底職業(yè)技術(shù)學院計算機講師。研究方向為軟件開發(fā)、嵌入式電子產(chǎn)品開發(fā)、智能控制。

作者單位

婁底職業(yè)技術(shù)學院 湖南省婁底市 417000endprint