傳感器實時信息共享的一種實現方案

摘要：針對企業中會存在的各類傳感器所產生的關于自然現象的一些實時信息，如果能夠得到及時的分析處理，并作出相應的決策，將會極大地提高企業的運作效率。提出了一種在信息網格中集成傳感器的方法，并以智能數字磁場計HMR2300為例說明其實現過程。實踐表明，該方法能夠更方便、更快捷地將傳感器集成在信息網格中，實現實時信息共享。

關鍵詞：信息網格； 傳感器； Web服務； REML

中圖分類號：TP311.5文獻標志碼：A

文章編號：1001－3695(2008)03－0833－03

企業中目前還存在著大量企業用戶無法訪問到的由傳感器所產生的信息，這些實時信息對于企業來說是一筆寶貴的財富，因此，如何向信息消費者共享這些信息已經成為當前研究的熱點問題之一。近幾年來，人們已經做了大量的努力來建立支持傳感器應用和開發的更簡單、更快捷的中間件。為ZebraNet 項目設計的Impala[1]，采用代碼移動技術來更新遠程傳感器功能的同時考慮到應用本身。MiLAN[2]是一個體系結構，它擴展了網絡協議棧并允許網絡具體插件將MiLAN命令轉換成具體協議的命令。除了開發支持傳感器應用的中間件外，將傳感器網絡與網格計算技術結合起來構成傳感器網格也是很重要的方法之一。Tham等人[3]概括了傳感器網格的一種基本結構，并通過分布式信息融合和分布式自主決策算法的一種可能實現的一些例子，描述了在傳感器網格計算方面的一些早期工作。但是，在這種理想的結構變成現實之前還有很多需要解決的研究問題。Ghanem等人[4]介紹了另一種傳感器網格集成技術，利用網格服務包裝高吞吐率的傳感器，通過一個標準的方法將這個服務發布到一個注冊中心以便被其他用戶訪問。

由于Tham和Buyya所提出的結構在目前還沒有成熟的系統，而且對于企業來說，同時構建網格和傳感器網絡將是一項企業自身無法承受的工程。本文提出直接將傳感器集成到企業信息網格中的結構，提供給企業用戶一個通用的訪問接口，實現傳感器實時信息共享，極大地節約了系統開發成本。

1基本體系結構

企業信息網格為企業用戶提供了一體化的智能信息平臺。在這個平臺上，信息的處理是分布式、協作和智能化的[5]。用戶可以通過單一的入口訪問所有信息，以便能夠及時作出決策，提高企業的運作效率。本文當前實現系統的基本體系結構如圖1所示。

1）物理層它是各類傳感器，如溫度傳感器、圖像傳感器、磁阻傳感器等，它們都是通過標準的接口與計算機相連。

2）服務層中間件它是為上層提供基本的服務，包括傳感器注冊服務（sensor register service，SRS）、傳感器操作服務（sensor operation service，SOS）和信息傳送服務(information transmission service，ITS)等。

3）開發層中間件它提供高層應用的訪問接口，包括傳感器編程接口、傳感器實時信息管理接口等。

圖1基本體系結構

2主要技術問題

2．1服務層中間件

對于科學計算來說，Web services是一個極具吸引力的模型，但在幾年前，I. Foster等人[6]提出了將Web services 模型集成在Globus中的建議。作為基于Web services的網格實現的第一步，Globus聯盟給出了一些規范，使得Globus更有效地將應用映射為 Web 服務。在實現了OGSI（open grid services infrastructure）[7]規范的“open grid services infrastructure reference implementation”中定義了網格服務是W3C Web services的擴展。

在本文實現的基礎平臺中使用網格服務來包裝傳感器，即一個傳感器對應一個操作本傳感器的SOS，通過一個通用的接口將這個服務發布到注冊中心（UDDI）供其他網格用戶訪問。主要是完成向傳感器發送控制信息來控制傳感器工作和從傳感器接收實時信息。ITS將從傳感器讀來的實時信息傳送給信息消費者。不同傳感器產生的信息格式不同，如溫度傳感器可能產生的是一個雙精度的值；而圖像傳感器可能產生的是圖像的二進制文件。因此，傳感器的位置、產生的信息頻率及格式、傳感器所對應的服務的RUL等元信息通過SRS向注冊中心（UDDI）發布。下面是發布智能數字磁場計HMR2300的信息（采用的是下文介紹的REML）：

〈?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF－8\" ?〉

〈root〉

〈element〉

〈name〉智能數字磁場計HMR2300〈/name〉

〈location〉210.26.97.253〈/location〉

〈inforate〉20ms〈/inforate〉

〈infotype〉double〈/infotype〉

〈service〉http://210.26.97.253:8080/grid/services/General_dyn_1〈/service〉

〈method1〉display_p〈/method1〉

〈method2〉display_c〈/method2〉

〈/element〉

〈/root〉

服務層中間件是完全符合網格的標準，對其的交互操作也是符合網格的標準協議。但由于本文實現的網格服務和傳感器是一一對應的關系，有以下一些特點：

a)功能獨立性。每一個傳感器的功能均通過網格服務層中間件提供的接口實現，上層網格應用必須開發一個能夠對傳感器操作的模型來實現和不同傳感器的交互。

b)面向資源的服務。不同的傳感器具有不同的功能，各自所需要的啟動參數及返回參數等一般均不同，因此，提供了一個開發服務的API。服務開發者通過對傳感器的功能和一些主要參數的了解，就能夠調用這個API生成面向此傳感器的特定服務，使得服務開發者能夠更快、更簡單地開發出符合本系統的網格服務。

2．2信息格式及編碼

為了使信息能夠方便被上層應用所識別和利用，提出了信息的一種中間格式——REML。其基本結構如下：

〈root〉

〈element〉

〈tag1〉…〈/tag1〉

〈tag2〉…〈/tag2〉

…

〈tagn 〉…〈/tagn〉

〈/element〉

〈/root〉

其中：〈element〉標簽表示傳感器一次產生的信息量。有些傳感器（溫度傳感器等）一次只產生一個雙精度的值；還有的傳感器一次就產生一組數據信息（無論是一個還是一組，均稱之為一幀信息）。〈tagi〉 (i=1，2，…，n)標簽是根據具體傳感器產生信息的類別和數量決定，如智能數字磁場計HMR2300可檢測磁場的強度和方向，輸出X、Y、Z三個軸的分量。一幀信息的REML如下：

〈?xml version=\"1.0\" encoding=\"UTF－8\" ?〉

〈root〉

〈element〉

〈Xaxis〉1，562〈/Xaxis〉

〈Yaxis〉 7，683〈/Yaxis〉

〈Zaxis〉 5，821〈/Zaxis〉

〈/element〉

〈/root〉

在傳感器與消費者之間加入的REML格式信息采用UTF－8編碼。不論是在Windows環境還是Linux環境，Java客戶端還是C客戶端，只要將這種REML格式的信息在各自的客戶端解析成本地代碼均能夠成功識別，而不會出現亂碼導致上層應用無法處理，很好地解決了跨平臺訪問的問題。其基本結構如圖2所示。

圖2傳感器與消費者之間的REML

3信息消費方式

消費者可選擇接收一幀信息（請求—響應或是拉模式）或是連續信息（流或推模式），SOS提供了這兩種方法（display_p和display_c），消費者可根據自己的需求選用不同的消費方式進行消費。

1)拉模式（pull）消費者通過調用SOS來請求傳感器實時信息，此時傳感器返回當前產生的一幀信息，一次服務結束。其基本結構如圖3所示。

圖3拉模式的基本實現結構

2)推模式（push）為了使消費者能夠得到可靠的流格式信息，通過socket連接來實現實時信息的可靠連續傳輸。在這種模式下，消費者仍然是通過服務調用的方式來訪問傳感器信息。但消費者調用服務時需要指明消費頻率（fc），接收傳感器信息的端口號，服務則啟動一個線程不斷地向接收信息端口發送傳感器實時信息，直到消費者明確發出一個停止請求。其基本結構如圖4所示。

在此模式中，在客戶端和服務器端分別建立一個緩沖區bufferc和buffers。Bufferc位于客戶端與上層應用之間，是為了緩存那些已經從傳感器中讀出而上層應用還沒有來得及處理的信息。Buffers位于消費者與傳感器之間，解決消費者消費的頻率與傳感器的發送頻率不匹配的問題。

設傳感器產生信息的頻率為fp，則

a）fc>fp按fc的大小從buffers中讀取傳感器信息放入bufferc中。

b）fc

第一個消費者請求消費時調用SOS，服務調用讀COM口程序啟動傳感器并從傳感器中讀出實時信息存放在buffers中。隨后的消費者請求消費時，仍然調用SOS，但這時服務器檢測到傳感器已經啟動，就啟動一個線程直接從buffers中按照消費者請求消費的頻率讀取信息。消費者調用SOS獲得信息的源代碼如下：

class Dynamic{

String D_str;

myclient my;

Mon share ;

Dynamic(String endpoint，String method，int a，int b){

share=new Mon();

D_client mythread=new D_client(endpoint，method，a，b); /*從COM口讀數據的時間間隔a和從緩沖區讀信息送到客戶端的時間間隔b，默認的時間間隔是20 ms和20 ms*/

mythread.start();//啟動調用SOS的線程

my=new myclient(share，endpoint);

Thread mycli=new Thread(my);

mycli.start(); //啟動接收socket流信息的線程

}

public String dynamicstr(){

Thread myacc=new Thread(my.new access(share));

myacc.start();//啟動從客戶端緩沖區中讀信息的線程

D_str=my.getmyst();

return D_str;//返回信息

}

}

智能數字磁場計HMR2300在兩種模式下的訪問結果如圖5所示（圖5(a)中訪問到的信息用方框標出）。

（a）拉模式（b）推模式

圖5訪問智能數字磁場計HMR2300的結果

4性能分析

兩種消費方式是基于不同的傳感器及消費者不同的消費方式提出的，均存在著各自的優缺點。實驗數據如圖6所示。

（a） 拉模式（b） 推模式

圖6兩種消費模式分析

設調用SOS讀傳感器實時信息的時間為To，調用ITS 的時間Tt，初始化COM口的時間為Tc，建立socket連接的時間Ts，則

在拉模式下，請求n幀信息的響應時間為

T1n=Tc+∑ni=1(To+Tt)

當n=1時，

T11=To+Tt+Tc

在推模式下，請求n幀信息的響應時間為

T2n=Tc+To+∑ni=1(Ts+Tt)

當n=1時，

T21=To+Tt+Tc+Ts

由實驗數據及分析可以看出，n=1時，T11>Ts，隨著請求信息的幀數和用戶數的增長，T1n>>T2n。大量的實驗表明，大約在用戶每次請求信息的幀數小于5幀時，選用拉模式消費較好；反之，則用推模式。

5本系統的優點

1）開放性本系統采用的是基于Web services的網格技術，網格服務提供了一種與現有應用相集成的有效方式，能夠與現有的企業應用程序整合，使本系統具有良好的開放性。

2）松散耦合客戶端與服務器端之間以REML為交換數據，使得本系統具有松散耦合性。

3）重用性網格服務對外提供的實時信息，可作為其他信息系統的數據源，也可供上層應用的二次開發之用。

6結束語

在企業信息網格中利用網格技術的客戶提供傳感器實時信息，實現了企業中傳感器實時信息的全面共享，提高了企業的運作效率。消費者可以根據自己的不同需求選用拉模式或推模式的消費方式請求信息供自己觀測或二次開發之用。同時，采用REML的中間格式，很好地解決了跨平臺的問題。本文已經在自己開發的企業信息網格Loglo系統中實現了這兩種模式。實踐表明，用網格技術來提供傳感器實時信息共享是一種行之有效的解決傳感器信息孤島的

方法。

參考文獻：

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2003－0217.pdf.

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