基于無線網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嚴(yán) 智，鄒鑫灝，潘 偉

（湖北中煙工業(yè)有限責(zé)任公司，湖北武漢 430030）

數(shù)據(jù)中心是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)流和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的重要組成部分，而信息中心的正常運(yùn)作是保證互聯(lián)網(wǎng)高效傳輸?shù)年P(guān)鍵[1]。隨著網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心規(guī)模的不斷擴(kuò)大，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理面臨著更大的挑戰(zhàn)[2]。但是，目前物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控都是基于傳輸環(huán)境進(jìn)行的，不能滿足網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一處理的要求。在此基礎(chǔ)上，需要建立一個(gè)符合網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一處理要求的監(jiān)控系統(tǒng)[3]。目前，已有采用傳感器網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過傳感器采集物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，并與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心統(tǒng)一處理機(jī)制相結(jié)合，在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行數(shù)據(jù)匯合處理，剔除不合格數(shù)據(jù)。然而，在不同的情況下，系統(tǒng)需要配置不同的傳感器來采集網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這一過程耗時(shí)較長(zhǎng)，無法對(duì)不同環(huán)境下的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；以協(xié)議轉(zhuǎn)換單元為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過電力線耦合單元與物聯(lián)網(wǎng)連接的通信調(diào)制，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元與物聯(lián)網(wǎng)之間的轉(zhuǎn)換和互聯(lián)，通過轉(zhuǎn)換接口采集物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，進(jìn)而監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。然而，該系統(tǒng)缺少對(duì)超出預(yù)設(shè)正常范圍數(shù)據(jù)的判斷，導(dǎo)致監(jiān)控精準(zhǔn)度較低。基于上述問題，提出了基于無線網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)云計(jì)算思想，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖1所示，在滿足無線網(wǎng)絡(luò)功能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器的主要功能[4]。以云計(jì)算終端取代操作站和管理員站的計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)化操作站和管理員站的硬件設(shè)備，同時(shí)極大地提高了系統(tǒng)的安全可靠性，有利于擴(kuò)大系統(tǒng)功能和規(guī)模[5]。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，在以網(wǎng)絡(luò)為中心的接入網(wǎng)絡(luò)上使用已部署的探頭進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)測(cè)和服務(wù)模擬測(cè)試[6]。通過監(jiān)控IP 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量問題或網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)預(yù)警，迅速準(zhǔn)確地定位故障并及時(shí)處理，實(shí)現(xiàn)24 h 實(shí)時(shí)在線綜合監(jiān)控[7-9]。有效監(jiān)控視頻傳輸、網(wǎng)站服務(wù)可以為未來網(wǎng)絡(luò)中心業(yè)務(wù)的擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展提供了數(shù)據(jù)優(yōu)化支持，有助于減少平均恢復(fù)時(shí)間，降低成本[10]。

1.1 主控單元

主控單元負(fù)責(zé)采集終端監(jiān)控單元上載的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可能是一定的開關(guān)量，如0 代表正常，1代表報(bào)警，也可能是部署到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的每個(gè)組件中的傳感器數(shù)據(jù)或某些智能終端監(jiān)控單元的數(shù)據(jù)[11]。主控單元從網(wǎng)絡(luò)端接收控制指令，一方面完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心后期數(shù)據(jù)分析和操作參數(shù)挖掘工作，另一方面負(fù)責(zé)接收傳輸指令，并將該指令傳輸?shù)焦芾砜刂破鱗12]。

主控單元結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖2 主控單元結(jié)構(gòu)框圖

供電模塊完成主電源的供電功能，內(nèi)置溫濕度模塊可采集主控板溫度，精度為1 ℃，溫度區(qū)間為-40～+85 ℃[13]。

DDR 模塊作為主控單元的主存，又稱為SDRAM模塊，F(xiàn)lash 模塊是主控模塊。直徑256 m 的晶體振蕩器與外置石英晶體或諧振器連接，為主控單元提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)[14]。地址標(biāo)識(shí)模塊是一個(gè)6 位撥號(hào)開關(guān)，用于識(shí)別不同的主機(jī)。主機(jī)上的CANID 繼電器輸出裝置主要作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的電子鎖[15]。RS485 模塊以通信接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)器的功能。CAN 模塊主要連接由CAN 總線和傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的輸入輸出單元，用于數(shù)據(jù)傳輸。SD 卡模塊主要用于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和輸出。USB 模塊既能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，又能與藍(lán)牙等模塊相連，實(shí)現(xiàn)有線無線靈活組網(wǎng)。設(shè)置連接內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)的兩個(gè)以太網(wǎng)模塊，方便相關(guān)人員隨時(shí)查看網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心監(jiān)控狀態(tài)[16]。

1.2 I/O單元

I∕O 單元負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)輸入與輸出，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。

圖3 I∕O單元的結(jié)構(gòu)框圖

由圖3 可知，I∕O 單元包括供電模塊、晶振模塊、異步收發(fā)模塊、CAN 模塊、數(shù)字輸入模塊等。STM32微控制器模塊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用盡可能少的CPU 負(fù)載處理盡可能多的分組，同時(shí)支持分組的優(yōu)先處理。監(jiān)控系統(tǒng)的STM32 微控制器模塊包含了大量寄存器，分別為控制寄存器、狀態(tài)寄存器、配置寄存器等。這些工具可用于配置波特率、發(fā)送和接收消息以及處理接收到的消息等CAN 參數(shù)，同時(shí)負(fù)責(zé)各種CAN 中斷管理，獲取CAN 接收或發(fā)送錯(cuò)誤處理過程中的重要診斷信息。

1.3 CAN總線

CAN 總線通過收發(fā)器接口芯片的兩個(gè)輸出端直接連接到物理總線，CAN 總線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的硬件如圖4 所示。

圖4 CAN總線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的硬件

由圖4 可知，針對(duì)CAN 總線節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)采用了兩種不同的設(shè)計(jì)方案，一種是分別將各種獨(dú)立的CAN 控制器、CAN 收發(fā)器、MCU 控制器與數(shù)據(jù)總線相連。另一種是將帶有CAN 控制器的MCU 與CAN 收發(fā)器相結(jié)合，在主控臺(tái)配置一個(gè)局域網(wǎng)和一個(gè)收發(fā)器。上述方法開發(fā)的CAN 程序適用于獨(dú)立CAN 控制器，移植性好。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)查詢

監(jiān)控系統(tǒng)中軟件部分的登錄模塊主要負(fù)責(zé)認(rèn)證用戶身份，實(shí)現(xiàn)用戶名與密碼的匹配，只有用戶名和密碼匹配的用戶才有權(quán)限進(jìn)入系統(tǒng)。由此可知，數(shù)據(jù)庫(kù)查詢主要是查詢用戶名和密碼，詳細(xì)操作步驟為：

Step1：輸入開發(fā)板的IP地址，自動(dòng)載入文件索引，HTML 是lighttpd 的根，是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的主界面。

Step2：當(dāng)該頁(yè)面的基本元素被裝入后，將調(diào)用下載方法執(zhí)行初始化操作。該方法負(fù)責(zé)執(zhí)行某些初始化代碼，例如啟用登錄按鈕。

Step3：用戶直接在界面上輸入用戶名和密碼，單擊確定鍵后，觸發(fā)會(huì)話操作模塊，由此也建立一個(gè)安全會(huì)話框。在每個(gè)登錄過程中執(zhí)行的所有操作可以被會(huì)話標(biāo)識(shí)作為一個(gè)單元記錄。

Step4：該操作以JSON 格式將用戶名和密碼打包為數(shù)據(jù)，并使用POST 方法將其傳輸給服務(wù)器端CGI 程序。

Step5：輸入標(biāo)準(zhǔn)的CGI 程序，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)，并使用正確表達(dá)式解析CreateSession 內(nèi)容，由此確定用戶名和密碼數(shù)據(jù)。

Step6：調(diào)用對(duì)應(yīng)的代碼，根據(jù)服務(wù)類型和參數(shù)進(jìn)行匹配，匹配成功后返回成功狀態(tài)碼，匹配失敗返回錯(cuò)誤狀態(tài)碼。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)處理

針對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)受到噪聲干擾后出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)的情況，需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抗干擾處理，利用平均算子對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理。

基于無線網(wǎng)絡(luò)的濾波器模型為：

式（1）中，n為無線網(wǎng)絡(luò)下物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸通道；Oi、Oj分別為濾波窗口中心點(diǎn)、濾波窗口拓?fù)鋽?shù)據(jù)；d(Oj)為濾波窗口拓?fù)鋽?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的窗口灰度值；λij為降噪評(píng)價(jià)值，ηj為無線網(wǎng)絡(luò)尺度參數(shù)。

如果無線網(wǎng)絡(luò)中存在某個(gè)干擾數(shù)據(jù)，那么該數(shù)據(jù)在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使用自適應(yīng)處理技術(shù)處理干擾數(shù)據(jù)所需的模型如式（2）所示：

式（2）中，t為處理干擾數(shù)據(jù)所需的時(shí)間；kα為待處理的數(shù)據(jù)；v為數(shù)據(jù)傳輸速度。通過式（2）能夠剔除異常數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

2.3 監(jiān)控流程設(shè)計(jì)

基于無線網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)報(bào)警、郵件報(bào)警和短信報(bào)警3 種報(bào)警模式。在上述3 種模式下，搭建包括一個(gè)狀態(tài)位status的數(shù)據(jù)庫(kù)，該狀態(tài)位中存在一個(gè)守護(hù)進(jìn)程，以此掃描物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。如果數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)位status 正常，表明物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量正常，反之，則不正常。以此為依據(jù)設(shè)計(jì)監(jiān)控報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)流程，如圖5所示。

圖5 監(jiān)控報(bào)警模塊流程圖

由圖5 可知，以數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)位status 為基礎(chǔ)判斷數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量正常時(shí)，查看設(shè)備列表是否遍歷完畢，如果是，則執(zhí)行空操作，反之，則需重新判斷status 值。如果status=1，則需調(diào)用過高提醒分發(fā)接口函數(shù)；如果status=2，則需調(diào)用過高報(bào)警分發(fā)接口函數(shù)。通過查看設(shè)備列表遍歷結(jié)果，執(zhí)行相應(yīng)操作，由此完成物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控。

3 實(shí) 驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

以天津高速路網(wǎng)管理中心為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該中心網(wǎng)主要分為專用局域網(wǎng)和外網(wǎng)兩種。其中，專用局域網(wǎng)核心交換機(jī)與公司局域網(wǎng)視頻網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)。天津高速濱灘還租用了聯(lián)通VPN 鏈路作為視頻和數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)中心備用通道接入，作為網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)終端，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)。外網(wǎng)服務(wù)采用路由器與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)對(duì)接方式，分別將外網(wǎng)核心交換機(jī)和內(nèi)網(wǎng)核心交換機(jī)與一個(gè)外網(wǎng)服務(wù)器相連接，再由外網(wǎng)服務(wù)終端通過接入交換機(jī)和無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。從各個(gè)分區(qū)到管理中心，需經(jīng)過24 h 的實(shí)時(shí)在線物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控。對(duì)外網(wǎng)服務(wù)時(shí)，需直接與運(yùn)營(yíng)商對(duì)接，以此保證物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸具有較高質(zhì)量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，分別使用基于傳感器網(wǎng)絡(luò)、協(xié)議轉(zhuǎn)換單元和基于無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸完整性進(jìn)行對(duì)比分析，理想情況下，數(shù)據(jù)傳輸拆包時(shí)，拆解的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)在0～50 個(gè)范圍內(nèi)，拆包處理后剩余的數(shù)據(jù)包在0～2 個(gè)范圍內(nèi)，以此為依據(jù)判斷數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。3 種系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸拆包情況對(duì)比分析如圖6 所示。

圖6 3種系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸拆包情況對(duì)比分析

由圖6可知，使用3種系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸拆包前，拆解的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)均在0～50 個(gè)范圍內(nèi)；而拆包處理后，使用基于傳感器網(wǎng)絡(luò)剩余的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)在0～3.5 個(gè)范圍內(nèi)，超出理想拆解數(shù)量范圍；使用協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的包長(zhǎng)在0～4.5 個(gè)范圍內(nèi)，超出理想拆解數(shù)量范圍；使用基于無線網(wǎng)絡(luò)剩余的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)在0～0.5 個(gè)范圍內(nèi)，在理想拆解數(shù)量范圍內(nèi)，說明使用該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量較高。

4 結(jié)束語(yǔ)

以無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，及時(shí)向工作人員提供異常數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和傳輸質(zhì)量的分析。因此，此次設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行狀況，而且能更科學(xué)地分析和管理傳輸數(shù)據(jù)。