傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議及高并發(fā)服務(wù)的設(shè)計與實現(xiàn)

張永強 劉帥 高鴻斌

摘 要：為了滿足人們對于限定區(qū)域監(jiān)測的需求，解決異構(gòu)數(shù)據(jù)的表示、傳輸以及高并發(fā)問題，分析了傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)平臺在傳感數(shù)據(jù)采集以及傳輸方面的不足，通過功能模塊設(shè)計，開發(fā)了微環(huán)境監(jiān)測平臺。針對平臺傳感層數(shù)據(jù)采集工作，設(shè)計通信協(xié)議，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，減少數(shù)據(jù)傳輸量和能耗，并制定協(xié)議通信流程，利用LoRa技術(shù)完成終端到網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)的遠程傳輸；針對平臺網(wǎng)絡(luò)層，設(shè)計高并發(fā)數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)服務(wù)端程序接收并處理數(shù)據(jù)，最終完成系統(tǒng)的研發(fā)和測試。結(jié)果表明：設(shè)計的通信協(xié)議可以完成異構(gòu)數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一工作，降低了數(shù)據(jù)傳輸量和能耗；驗證了數(shù)據(jù)從終端采集設(shè)備到網(wǎng)關(guān)，并經(jīng)過上位機最后到服務(wù)器整套傳輸方案的可行性與可靠性、低延遲性以及高并發(fā)數(shù)據(jù)接口的處理性能。微環(huán)境監(jiān)測平臺能夠穩(wěn)定運行，為跨行業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了一套數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)慕鉀Q方案。

關(guān)鍵詞：通信傳輸技術(shù)；微環(huán)境監(jiān)測平臺；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；LoRa；異構(gòu)數(shù)據(jù)；高并發(fā)接口；線程池

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-1542（2018）04-0356-09doi：10.7535/hbkd.2018yx04010

Abstract：In order to meet people's needs for limited area monitoring and solve the heterogeneous data representation， transmission and high concurrency issues， the deficiency of traditional Internet platform in sensor data acquisition and transmission is analyzed， and a micro environmental monitoring platform is realized through function module design. As for sensing layer data acquisition work， the communication protocol is designed， the data format is unified to reduce the amount of data transmission and energy consumption， and the communication protocol process is determined. LoRa technology is used to complete the remote transmission of data between the terminal and the gateway. As for the platform network layer， the high concurrency data interface is designed， using the server program to receive and process data. Finally the development and testing of the system is completed. The results show that the designed communication protocol can help unifying heterogeneous data format and reducing the quantity of data transmission and energy consumption. The feasibility， reliability and low latency of the whole transmission plan of the data collected from the terminal equipment to the gateway， through the whole PC to server are verified， as well as the processing performance of the high concurrent data interface. The stable operation of the micro-environment monitoring platform proves it is a set of data collection and transmission solution for the applications of cross-industry Internet.

Keywords：communication transmission technology； micro environment monitoring platform； wireless sensor network； LoRa； heterogeneous data； high concurrence interface； thread pool

近年來，LoRa，NB-IoT等LPWA[1]技術(shù)的發(fā)展，為物聯(lián)網(wǎng)在各個業(yè)務(wù)領(lǐng)域的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層主要完成信息的采集、轉(zhuǎn)換和收集，網(wǎng)絡(luò)層主要完成信息的傳遞和處理，應(yīng)用層主要完成數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)處理，并將這些數(shù)據(jù)與行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合[2]。

現(xiàn)存物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在開展行業(yè)應(yīng)用時，需為各自系統(tǒng)搭建傳感層和網(wǎng)絡(luò)層，導(dǎo)致大量重復(fù)性工作，增加了成本。單獨針對各個行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)都有著自己獨立的數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲方案，造成了各行業(yè)間數(shù)據(jù)交流不順暢，以至于無法綜合利用數(shù)據(jù)做出更為準(zhǔn)確的分析，阻礙了為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的服務(wù)[3-5]。微環(huán)境監(jiān)測平臺便是為解決該問題而開發(fā)的，其統(tǒng)一設(shè)計的傳感層和傳輸層業(yè)務(wù)流程，可以讓用戶將工作重心放在應(yīng)用層業(yè)務(wù)應(yīng)用上。由于微環(huán)境監(jiān)測平臺將提供給各個行業(yè)來實現(xiàn)它們的業(yè)務(wù)，因此相比之前單獨針對某個行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其需要的傳感層接入終端設(shè)備種類和數(shù)量倍增。種類繁多的低端硬件采集器和執(zhí)行器以及各個廠家的設(shè)備可能互不兼容，造成數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，為數(shù)據(jù)采集、分析和應(yīng)用帶來難度，如何利用智能終端節(jié)點有限的資源將大量的數(shù)據(jù)進行實時、可靠的遠距離傳輸仍是需要重點考慮的問題。因此，需通過通信協(xié)議設(shè)計，屏蔽數(shù)據(jù)異構(gòu)性，統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，解決數(shù)據(jù)多源異構(gòu)問題；進行高并發(fā)數(shù)據(jù)接口設(shè)計并實現(xiàn)服務(wù)端程序，解決大數(shù)據(jù)量并發(fā)問題[6]。

河北科技大學(xué)學(xué)報2018年第4期張永強，等：傳感數(shù)據(jù)通信協(xié)議及高并發(fā)服務(wù)的設(shè)計與實現(xiàn)為了將多來源、多種類、多類型的海量數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確、有效、安全地整合并上傳，在借鑒他人研究的基礎(chǔ)上進行了如下研究：1）設(shè)計傳感層通信協(xié)議，解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)格式問題。協(xié)議在面向上層命令信息、底層設(shè)備狀態(tài)信息和采集數(shù)據(jù)信息時，根據(jù)信息種類不同，通過數(shù)據(jù)打包并規(guī)定包中數(shù)據(jù)字段和順序，完成數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一，屏蔽數(shù)據(jù)異構(gòu)性，降低數(shù)據(jù)傳輸量；利用LoRa技術(shù)完成終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)的傳輸；利用HTTP接口，完成網(wǎng)關(guān)與服務(wù)端之間數(shù)據(jù)的傳輸與接收；2）設(shè)計高并發(fā)數(shù)據(jù)接口并實現(xiàn)服務(wù)端程序，通過采用線程池技術(shù)，以合理的線程數(shù)達到最大的數(shù)據(jù)處理量。通過對微環(huán)境監(jiān)測平臺部分功能的實現(xiàn)，解決了以上問題，并驗證了本文的可行性與可靠性。

1 微環(huán)境監(jiān)測平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為解決不同業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域的共性問題以及降低業(yè)務(wù)應(yīng)用成本，建立了微環(huán)境監(jiān)測平臺，平臺架構(gòu)如圖1所示。該平臺傳感層可接入各種設(shè)備，主要有微環(huán)境監(jiān)測儀、標(biāo)簽類設(shè)備、計量類傳感器及開關(guān)狀態(tài)量傳感器、監(jiān)控設(shè)備等。采用自主設(shè)計的微環(huán)境監(jiān)測儀進行數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過自定義通信協(xié)議封裝后，根據(jù)制定協(xié)議通信流程，采用LoRa技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)再通過RS485串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，經(jīng)過一定的處理（如加時間戳等）后上報至內(nèi)網(wǎng)服務(wù)端；服務(wù)端程序通過高并發(fā)數(shù)據(jù)接口完成網(wǎng)關(guān)大數(shù)據(jù)接收，該接口根據(jù)預(yù)先定義的通信協(xié)議，采用線程池技術(shù)，對數(shù)據(jù)進行解析和存儲，提供高并發(fā)的數(shù)據(jù)接收和處理能力。內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器端面對網(wǎng)絡(luò)層大量數(shù)據(jù)上報以及用戶頻繁大量的訪問應(yīng)用層，通過采用分布式存儲方案、業(yè)務(wù)分離、讀寫分離，包括采用MongoDB數(shù)據(jù)庫集群和Redis內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，為系統(tǒng)平臺提供高并發(fā)和高速的數(shù)據(jù)存儲功能。應(yīng)用層在進行業(yè)務(wù)應(yīng)用和對數(shù)據(jù)展現(xiàn)時，需要從內(nèi)網(wǎng)服務(wù)器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶在外網(wǎng)通過手機端和PC端訪問微環(huán)境監(jiān)測平臺，外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)之間用網(wǎng)閘隔開，可以有效地提高平臺的安全性[7-8]。

2 傳感層通信協(xié)議設(shè)計

面對微環(huán)境監(jiān)測平臺傳感層采集數(shù)據(jù)時的諸多問題：1）種類繁多的終端設(shè)備造成的數(shù)據(jù)多源異構(gòu)問題，數(shù)據(jù)格式各異，不利于傳輸以及分析使用；2）終端節(jié)點功耗問題。為了讓采集設(shè)備能夠長期穩(wěn)定地進行工作，必須設(shè)計相應(yīng)的低功耗機制，在確保通信質(zhì)量的前提下，使設(shè)備盡量節(jié)能，從而延長其生命周期；3）數(shù)據(jù)上報實時性問題。采集的數(shù)據(jù)必須及時上報，否則將失去意義[9]。本文除了在硬件層面采用低功耗的LoRa技術(shù)外，還在軟件層面上進行思考和解決[10-13]。在保證多種異構(gòu)數(shù)據(jù)真實性和完整性的情況下，通過通信協(xié)議設(shè)計，合理安排數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)內(nèi)容， 精簡、去除冗余信息，減少每個通信周期傳送的數(shù)據(jù)量，降低數(shù)據(jù)發(fā)送等待時間，以此達到統(tǒng)一多源異構(gòu)數(shù)據(jù)格式的目的，提高通信的實時性、可靠性。同時，降低能耗，延長終端生命周期。根據(jù)數(shù)據(jù)在平臺中的傳輸種類將協(xié)議分為3類，包括采集數(shù)據(jù)上傳協(xié)議、設(shè)備狀態(tài)信息上報協(xié)議和控制指令協(xié)議。在確保通信質(zhì)量的前提下，將多種異構(gòu)數(shù)據(jù)封裝在一個數(shù)據(jù)包中發(fā)出。目前，該協(xié)議已在微環(huán)境監(jiān)測儀上實現(xiàn)，該設(shè)備為自主設(shè)計，此處不詳細介紹。

微環(huán)境監(jiān)測儀在進行數(shù)據(jù)采集時，根據(jù)預(yù)先設(shè)計的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)封裝，具體應(yīng)用規(guī)程如圖2所示。對于每次僅僅發(fā)送一種傳感數(shù)據(jù)的通信協(xié)議而言，采用本文設(shè)計的協(xié)議減少了冗余數(shù)據(jù)，降低了數(shù)據(jù)傳輸量和整體能耗[14-15]。

打包操作在終端設(shè)備單片機中完成，以打包采集數(shù)據(jù)為例，具體打包算法見表1。打包時按照采集數(shù)據(jù)上傳協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，一次傳輸5種數(shù)據(jù)，協(xié)議統(tǒng)一采用66字節(jié)的數(shù)據(jù)包傳輸，如表2所示，詳細規(guī)范了數(shù)據(jù)的內(nèi)容和相關(guān)的格式示例，其中9～48字節(jié)代表5種數(shù)據(jù)信息。執(zhí)行打包算法后，獲得的具體采集數(shù)據(jù)上報實例如圖3所示。

設(shè)備狀態(tài)信息的上報是根據(jù)上層指令控制進行的。同樣，上報時將5種設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)一發(fā)送，具體如表3所示，采用36字節(jié)的數(shù)據(jù)包傳輸，其中9～18字節(jié)為5種設(shè)備的類型和狀態(tài)信息。

服務(wù)端控制命令面向用戶時，用戶可按照區(qū)域、節(jié)點、設(shè)備對平臺內(nèi)的所有設(shè)備進行控制，控制指令經(jīng)過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)到終端設(shè)備，經(jīng)過解析后下發(fā)給相應(yīng)的終端設(shè)備上的傳感器，命令控制協(xié)議如表4所示。

3 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸與接收

網(wǎng)關(guān)在接收終端設(shè)備數(shù)據(jù)后，需要通過上位機的HTTP接口將數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)椒?wù)器端。此處上位機的作用在于承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，將傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到互聯(lián)網(wǎng)中。為了保證傳輸層數(shù)據(jù)的實時性，提高平臺的并發(fā)量和處理性能，實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的及時接收和處理，進行了高并發(fā)數(shù)據(jù)接口設(shè)計[16-17]，實現(xiàn)服務(wù)端高并發(fā)數(shù)據(jù)接收程序。為防止數(shù)據(jù)處理不及時造成的數(shù)據(jù)堆積，減少數(shù)據(jù)的復(fù)制和IO操作，提高平臺的性能，在高并發(fā)數(shù)據(jù)接口中引入線程池技術(shù)[18]，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在服務(wù)端高并發(fā)數(shù)據(jù)接收程序時，對線程池框架以及具體數(shù)據(jù)處理等功能進行實現(xiàn)，具體執(zhí)行算法如表5所示。

其中，Thread_pool結(jié)構(gòu)體相當(dāng)于線程管理器，是線程池與用戶直接交互的接口，該結(jié)構(gòu)體包含了工作線程、任務(wù)隊列等。Thread_worker結(jié)構(gòu)體里封裝了任務(wù)接口，通過自定義DataInforAnalysis （），DeviceInforAnalysis（）以及ControlPackage（）實現(xiàn)該接口功能，進行數(shù)據(jù)解析和指令封裝工作。線程池工作時調(diào)用pool_init（）函數(shù)在線程池中創(chuàng)建一定數(shù)目的線程，線程數(shù)目可以根據(jù)實際情況進行調(diào)整。PoolAddWorker（）則是把上位機數(shù)據(jù)任務(wù)加入到工作隊列中，在此函數(shù)中會判斷線程是否達到最大數(shù)目，根據(jù)結(jié)果決定該任務(wù)是否可以得到運行，如果任務(wù)隊列中的任務(wù)都執(zhí)行完后，調(diào)用Thread_taskCall（）函數(shù)，該函數(shù)會依次從任務(wù)隊列中取出任務(wù)讓工作線程執(zhí)行。pool_destroy（）方法被調(diào)用時會判斷工作線程是不是正在執(zhí)行任務(wù)，如果有任務(wù)正在執(zhí)行，則會等待任務(wù)執(zhí)行完后再銷毀線程池[19-20]。

4 系統(tǒng)測試與分析

4.1 測試環(huán)境

測試環(huán)境的具體配置如下。1）終端采集設(shè)備：采用自主設(shè)計的微環(huán)境監(jiān)測儀，包含單片機、一系列傳感器以及LoRa通信模塊等；2）LoRa網(wǎng)關(guān)與LoRa通信模塊，網(wǎng)關(guān)與上位機采用RS485串口交互環(huán)境；3）上位機環(huán)境：CPU為Intel（R） Core（TM）i3-2370，內(nèi)存8 GB，VS2015，Windows 7操作系統(tǒng)；4）服務(wù)器硬件平臺：內(nèi)存8 GB以上，硬盤40 GB以上，Windows Server 2008操作系統(tǒng)，Tomcat 8.0服務(wù)器，Java 1.7開發(fā)語言，My Eclipse 8.5集成開發(fā)環(huán)境。

4.2 通信協(xié)議測試

為了驗證本文所設(shè)計通信協(xié)議的高效性，分別從相同工作時間能量損耗、發(fā)送相同信息量數(shù)據(jù)節(jié)省的字節(jié)數(shù)、以及上報相同數(shù)據(jù)所耗費時間三方面與常規(guī)協(xié)議[21-22]（其他工作者根據(jù)自己需求定義的協(xié)議，大多為一次發(fā)送一條數(shù)據(jù)）進行了測試分析。由圖5 a）中對比可知，隨著傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)量的增多，節(jié)省的字節(jié)數(shù)據(jù)也明顯增多，因此在設(shè)計通信協(xié)議時，采取數(shù)據(jù)一次多發(fā)的方式是必要的，可有效降低數(shù)據(jù)的傳輸量。圖5 b）和圖5 c）中關(guān)于傳輸能耗以及傳輸耗時對比測試則表明，同樣的信息量數(shù)據(jù)，通過采用一次多發(fā)的方式，可以減少發(fā)送次數(shù)，能夠達到降低能耗的目的，并且消除了數(shù)據(jù)排隊等待發(fā)送的時間，提升了數(shù)據(jù)實時性。此處驗證了通信協(xié)議的設(shè)計達到了預(yù)期目的。

4.3 數(shù)據(jù)通信傳輸測試

傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性以及可靠性直接關(guān)系到上層預(yù)警和決策，對系統(tǒng)影響很大。如圖6 a）所示，數(shù)據(jù)從終端采集后到達LoRa網(wǎng)關(guān)耗時800 ms左右（包含了終端封裝數(shù)據(jù)耗時和傳輸耗時），相對于其他傳輸環(huán)節(jié)，此處耗時偏多。從LoRa網(wǎng)關(guān)到上位機耗時100 ms左右，經(jīng)過上位機處理后轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達服務(wù)器時耗時700 ms。因此，在實驗環(huán)境下，整個傳輸過程共耗時1 600 ms左右，包含傳輸耗時以及在網(wǎng)關(guān)、上位機相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理耗時，在數(shù)據(jù)通信傳輸可接受的范圍內(nèi)，達到數(shù)據(jù)的實時性要求。圖6 b）和圖6 c）中，菱形點、矩形點、三角點以及叉點的線分別表示在局域網(wǎng)中該實驗占用網(wǎng)絡(luò)資源為90%，70%，50%，30%的情況下數(shù)據(jù)傳輸可靠率（丟包率）以及在100，80，50和10 MB的外網(wǎng)中的實驗結(jié)果。上述結(jié)果表明，無論在局域網(wǎng)還是在外網(wǎng)環(huán)境中，隨著實驗可用網(wǎng)絡(luò)資源量的減少，丟包率呈現(xiàn)出了增長的趨勢，但在本文的測試環(huán)境中，所有實驗的傳輸成功率均保持在98%以上，驗證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

4.4 高并發(fā)數(shù)據(jù)接口性能測試

為了檢驗大數(shù)據(jù)量處理性能，分別對單線程、非線程池（多線程）以及線程池技術(shù)進行了大量的數(shù)據(jù)處理測試。設(shè)定線程池中線程數(shù)分別為2，4和8，并與非線程池技術(shù)處理性能進行對比。如圖7 a）所示，可以看出線程池技術(shù)比非線程池技術(shù)有較好的處理性能。

為檢驗系統(tǒng)達到最高吞吐量時線程池中的線程數(shù)，通過ZLComDebug串口助手模擬數(shù)據(jù)進行測試，改變線程池中的線程數(shù)，取值1～12，每次模擬發(fā)送數(shù)據(jù)分別為3 000，6 000，8 000，測試結(jié)果如圖7 b）所示，可以看出隨著線程數(shù)增多吞吐量不斷增大，當(dāng)達到最大值后有一個短暫的保持階段，此后繼續(xù)增大線程數(shù)反而會使吞吐量減少。在本文特定的測試環(huán)境下，當(dāng)線程數(shù)為8時，吞吐量最大。

為檢驗單條數(shù)據(jù)處理等待時間，分別對線程池和非線程池進行測試，測試數(shù)據(jù)100條，觀察每條數(shù)據(jù)處理等待時間，測試結(jié)果如圖7 c）所示，線程池每條數(shù)據(jù)處理等待時間平均為1.15 ms，非線程池每條數(shù)據(jù)處理等待時間平均為1.23 ms，通過對比說明采用線程池技術(shù)的數(shù)據(jù)均能夠減少數(shù)據(jù)等待時間，并且每條數(shù)據(jù)等待時間較為均衡，避免了重要數(shù)據(jù)在較長時間內(nèi)得不到處理的情況，滿足數(shù)據(jù)實時性要求。

綜上所述，高并發(fā)接口的采用使得在大數(shù)據(jù)量處理時每條數(shù)據(jù)平均等待時間為1.15 ms。結(jié)合延遲測試，數(shù)據(jù)從終端到網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過上位機最終到達服務(wù)器耗時在1 600 ms左右，分析得出數(shù)據(jù)傳輸耗時主要受網(wǎng)絡(luò)狀況影響，因此可通過改善通信網(wǎng)絡(luò)狀況提高數(shù)據(jù)實時性。

5 結(jié) 語

進行了傳感層通信協(xié)議和協(xié)議流程設(shè)計、高并發(fā)數(shù)據(jù)接口設(shè)計以及在兩者基礎(chǔ)上的設(shè)計，實現(xiàn)了微環(huán)境監(jiān)測平臺。通過實驗驗證了自定義通信協(xié)議在一定程度上能夠消除數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，可以很好地統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，降低數(shù)據(jù)傳輸量；驗證了傳感層協(xié)議通信流程的可行性、上位機的性能以及整個傳輸方案的延時性和可靠性，為傳感層和傳輸層提供了解決方案。在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)的傳感云平臺已經(jīng)運行并取得良好的效果。今后將對自定義協(xié)議進行拓展，使得每種類型數(shù)據(jù)都有與之對應(yīng)的協(xié)議進行封裝，并測試優(yōu)化協(xié)議，以便達到簡潔、高效，節(jié)省能量的效果；還將優(yōu)化之前所做的工作，在通信協(xié)議設(shè)計基礎(chǔ)上使傳感層形成異構(gòu)數(shù)據(jù)采集中間件工具，實現(xiàn)屏蔽終端異構(gòu)性，接收盡可能多種類的異構(gòu)數(shù)據(jù)，使之作為工具更方便地為其他系統(tǒng)平臺所應(yīng)用；相較于NB-IoT，本文采用的LoRa技術(shù)在部分場景下使用會受限，隨著NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)部署日益完善，將逐步用NB-IoT代替LoRa技術(shù)。

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