基于LoRaWAN-Server的態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊心元 杜丹 王凱

摘要：基于LoRaWAN-Server，設(shè)計(jì)了一套由服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器及Web前端組成的態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)平臺(tái)，介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路，以及系統(tǒng)服務(wù)器、Web前端的具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。通過搭建試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，對(duì)LoRaWAN-Server以及前端處理能力進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，有效證明了LoRaWAN-Server處理多終端接入和管理的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)充分發(fā)揮了LoRaWAN-Server在大規(guī)模組網(wǎng)、呈現(xiàn)服務(wù)等方面突出的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)未來物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和部署具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：LoRaWAN-Server；物聯(lián)網(wǎng)；態(tài)勢(shì)呈現(xiàn)

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2020）16-55-3

0引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及現(xiàn)代社會(huì)的需求，信息化平臺(tái)已成為互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要方向，態(tài)勢(shì)總覽與指揮控制平臺(tái)系統(tǒng)能夠廣泛應(yīng)用于城市管理等多個(gè)領(lǐng)域。高品質(zhì)的大數(shù)據(jù)可視化分析決策系統(tǒng)，擁有悅目的視覺設(shè)計(jì)和復(fù)雜的計(jì)算程序，與最新的前端呈現(xiàn)技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建出效果非凡的系統(tǒng)[1]。與此同時(shí)，隨著物聯(lián)網(wǎng)在世界各領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，更加符合物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)[2]。

LoRaWAN-Server是LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中連接網(wǎng)關(guān)和前端服務(wù)平臺(tái)的協(xié)議處理器，提供終端節(jié)點(diǎn)接入鑒權(quán)、網(wǎng)關(guān)接入控制、LoRaWAN協(xié)議解析、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)加解密及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能，是物聯(lián)網(wǎng)中不可缺少的一個(gè)關(guān)鍵服務(wù)器[3]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN通信協(xié)議，相比于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，消除了同步開銷和跳數(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和低功率等特點(diǎn)[4]。

系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、基站、LoRaWAN-Server、前端服務(wù)器以及前端構(gòu)成。終端節(jié)點(diǎn)上報(bào)位置等參數(shù)信息；基站負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)消息至LoRaWAN-Server；LoRaWAN-Server主要完成用戶和設(shè)備的管理、通信協(xié)議的解析、網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)管理及采集信息等功能；前端服務(wù)器主要提供消息交互接口和地圖服務(wù)。前端主要包括信息呈現(xiàn)、設(shè)備管理前臺(tái)操作等功能，系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)接口和可視化界面，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.1數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)庫(kù)接口、WebSocket接口和MQTT接口三部分。

（1）數(shù)據(jù)庫(kù)接口

服務(wù)器具有2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件，PostgreSQL用來存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)，前端通過此數(shù)據(jù)庫(kù)接口獲取終端上報(bào)的位置、運(yùn)動(dòng)以及健康信息，PostgreSQL對(duì)數(shù)據(jù)完整性和嚴(yán)肅性要求高，對(duì)商業(yè)數(shù)據(jù)邏輯封裝性好，尤其是地理數(shù)據(jù)、密集運(yùn)算及重型負(fù)載應(yīng)用等優(yōu)勢(shì)特別明顯，對(duì)于處理數(shù)據(jù)量大且無法預(yù)測(cè)的情況，PostgreSQL能夠穩(wěn)定存取[5]。另一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)Redis，用來存儲(chǔ)會(huì)話（如節(jié)點(diǎn)地址及入網(wǎng)密鑰等），前端通過此數(shù)據(jù)庫(kù)接口進(jìn)行終端入網(wǎng)管理，基于Redis數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)軌跡數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方案及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，提高了在線平臺(tái)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)效率[6]。數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件數(shù)據(jù)來源如圖3所示。

（2）WebSocket接口

服務(wù)器中內(nèi)嵌WebSocket服務(wù)器，前端建立WebSocket連接與服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器瀏覽器間異步、雙工。在通信過程中，WebSocket協(xié)議頭最多占用14 Byte，且不用定期主動(dòng)輪詢，從而節(jié)省帶寬占用、節(jié)約終端電量及實(shí)現(xiàn)高效傳輸，客戶端對(duì)話模擬演示如圖4所示。

（3）MQTT接口

服務(wù)器收到數(shù)據(jù)后，連接到MQTT代理服務(wù)器，前端通過MQTT代理服務(wù)器與服務(wù)器通信。采用發(fā)布/訂閱模型的MQTT協(xié)議是一種輕量級(jí)的消息傳輸協(xié)議，具有低功耗、節(jié)省流量和可擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)[7]。

2.2可視化界面設(shè)計(jì)

可視化界面設(shè)計(jì)包括二維地理信息和三維仿真模型兩部分。

（1）二維地理信息

終端節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、數(shù)量多、分布廣，面臨直觀管理挑戰(zhàn)。地圖分布實(shí)際利用TWaver GIS結(jié)合Tomcat地圖服務(wù)，構(gòu)建二維地圖展示場(chǎng)景單位、設(shè)施的數(shù)據(jù)狀態(tài)、實(shí)時(shí)跟蹤節(jié)點(diǎn)和精準(zhǔn)定位。兼容OpenstreeMap，BingMap，GoogleMap，MapABC等主流地圖，可實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)應(yīng)不同展示效果的功能。二維地圖展示與節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)模塊如下：

①init模塊：主要完成地圖的初始化功能。initMap模塊用new twaver.gis.Map（container“，myMap”）創(chuàng)建地圖，并應(yīng)用map.addLayer（“mapABC”， GISConsts.EXECUTOR_TYPE_MAPABC）加載mapABC地圖。

②get模塊：$.ajax （“rxframes”，{type：“GET”，data：{_filters，_page：“1”}，function（）{//parseFun（）}}），從PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)獲取終端節(jié)點(diǎn)信息。

③Show模塊：用creatTopo主要完成節(jié)點(diǎn)拓?fù)涑尸F(xiàn)。new twaver.ElementBox（）創(chuàng)建network視圖對(duì)象，new twaver.vector. Network（box）創(chuàng)建box容器，new twaver.gis.Adapter（）創(chuàng)建適配器對(duì)象，adapter .bindNetworkAndMap （network， map ）綁定network和map，new twaver.gis.geometry.GeoCoordinate（lat，ln）；new twaver.Node（）； Box.add（node）； node.setClient（GISSettings. GEOCOORDINATE，geo）將含有經(jīng)緯度信息的節(jié)點(diǎn)放在box中。二維地圖展示場(chǎng)景如圖5所示。

（2）三維仿真模型

態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)挖掘分析可視化平臺(tái)，結(jié)合二維地理信息系統(tǒng)可視化技術(shù)與三維地理信息系統(tǒng)可視化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以最佳方式實(shí)現(xiàn)環(huán)境可視化和態(tài)勢(shì)可視化。借助二維視圖進(jìn)行準(zhǔn)確標(biāo)繪，利用三維視圖進(jìn)行更加逼真的態(tài)勢(shì)顯示。TWaver MONO（HTML5 3D）技術(shù)以三維仿真模型，呈現(xiàn)從九軸傳感器所獲取的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)以及終端運(yùn)動(dòng)外形、空間位置，支持全球30 m精度高程地形。

3系統(tǒng)測(cè)試與分析

搭建系統(tǒng)演示環(huán)境，并對(duì)系統(tǒng)的功能和性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，啟動(dòng)終端設(shè)備上報(bào)位置信息、運(yùn)動(dòng)信息和環(huán)境數(shù)據(jù)，通過基站轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至服務(wù)器，前端通過數(shù)據(jù)庫(kù)接口做節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)。測(cè)試時(shí)，同時(shí)開啟200個(gè)終端發(fā)送數(shù)據(jù)，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

通過測(cè)試結(jié)果可以看到，在不同距離，同時(shí)確保多個(gè)基站能收到所有終端數(shù)據(jù)時(shí)，服務(wù)器丟包率為0、前端展示節(jié)點(diǎn)率100%，有效證明了LoRaWAN-Server在多節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定接入以及態(tài)勢(shì)平臺(tái)穩(wěn)定呈現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)現(xiàn)代應(yīng)用場(chǎng)景多終端接入、環(huán)境可視化的需求，提出了基于LoRaWAN-Server的地圖服務(wù)與三維視圖解決方案，設(shè)計(jì)了基于LoRa的終端和基站設(shè)備，并搭建了系統(tǒng)演示環(huán)境，對(duì)LoRaWAN-Server的服務(wù)性能進(jìn)行了測(cè)試。通過測(cè)試結(jié)果可以看到，與傳統(tǒng)Web服務(wù)器相比，LoRaWAN-Server具有支持網(wǎng)絡(luò)安全、多節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定接入的優(yōu)點(diǎn)，更加適用于物聯(lián)網(wǎng)的部署[8]，并且該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的場(chǎng)景適應(yīng)性，根據(jù)用戶提供不同的服務(wù)，相信在以后的應(yīng)用過程中，應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)越來越廣泛。

參考文獻(xiàn)

[1] ALESSANDRA S E.Augmented Humanity Using Wearable and Mobile Devices for Health and Wellbeing[J]. International Journal of Human-Computer Studies SpecialIssue，2017，2（4）： 1-41.

[2]劉映江，胡澤.基于LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信世界， 2017（12）： 120.

[3] TAHSIN C M D，ETHIOPIA N.Security of Join Procedure and Its Delegation in LoRaWAN[J].Procedia Computer Science，2018（7）：204-211.

[4]侯義斌，王進(jìn).LoRaWAN技術(shù)研究[J].讀書文摘，2017（13）：38.

[5]劉鑫.MySQL和PostgreSQL的對(duì)比選擇[J].沈陽(yáng)工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，7（2）：171-173，177.

[6]閆密巧，王占宏，王志宇.基于Redis的海量軌跡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模型研究[J].微型電腦應(yīng)用，2017，33（4）：9-11.

[7]林滸，張家銘，楊海波.基于MQTT協(xié)議的即時(shí)消息業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2017，26（3）：219-224.

[8] MATTIA R，PAOLO F. Evaluation Of the LoRaWAN Solution for Distributed Measurement Applications[J]. Instrumentation and Measurement，IEEE Transactions，2016，5 （6）：37-41.