傳感器實(shí)時(shí)信息共享的一種實(shí)現(xiàn)方案

摘要：針對(duì)企業(yè)中會(huì)存在的各類(lèi)傳感器所產(chǎn)生的關(guān)于自然現(xiàn)象的一些實(shí)時(shí)信息，如果能夠得到及時(shí)的分析處理，并作出相應(yīng)的決策，將會(huì)極大地提高企業(yè)的運(yùn)作效率。提出了一種在信息網(wǎng)格中集成傳感器的方法，并以智能數(shù)字磁場(chǎng)計(jì)HMR2300為例說(shuō)明其實(shí)現(xiàn)過(guò)程。實(shí)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(wǎng)格中，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息共享。

關(guān)鍵詞：信息網(wǎng)格； 傳感器； Web服務(wù)； REML

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－3695(2008)03－0833－03

企業(yè)中目前還存在著大量企業(yè)用戶(hù)無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)到的由傳感器所產(chǎn)生的信息，這些實(shí)時(shí)信息對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)是一筆寶貴的財(cái)富，因此，如何向信息消費(fèi)者共享這些信息已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。近幾年來(lái)，人們已經(jīng)做了大量的努力來(lái)建立支持傳感器應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的更簡(jiǎn)單、更快捷的中間件。為ZebraNet 項(xiàng)目設(shè)計(jì)的Impala[1]，采用代碼移動(dòng)技術(shù)來(lái)更新遠(yuǎn)程傳感器功能的同時(shí)考慮到應(yīng)用本身。MiLAN[2]是一個(gè)體系結(jié)構(gòu)，它擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧并允許網(wǎng)絡(luò)具體插件將MiLAN命令轉(zhuǎn)換成具體協(xié)議的命令。除了開(kāi)發(fā)支持傳感器應(yīng)用的中間件外，將傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)結(jié)合起來(lái)構(gòu)成傳感器網(wǎng)格也是很重要的方法之一。Tham等人[3]概括了傳感器網(wǎng)格的一種基本結(jié)構(gòu)，并通過(guò)分布式信息融合和分布式自主決策算法的一種可能實(shí)現(xiàn)的一些例子，描述了在傳感器網(wǎng)格計(jì)算方面的一些早期工作。但是，在這種理想的結(jié)構(gòu)變成現(xiàn)實(shí)之前還有很多需要解決的研究問(wèn)題。Ghanem等人[4]介紹了另一種傳感器網(wǎng)格集成技術(shù)，利用網(wǎng)格服務(wù)包裝高吞吐率的傳感器，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法將這個(gè)服務(wù)發(fā)布到一個(gè)注冊(cè)中心以便被其他用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)。

由于Tham和Buyya所提出的結(jié)構(gòu)在目前還沒(méi)有成熟的系統(tǒng)，而且對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，同時(shí)構(gòu)建網(wǎng)格和傳感器網(wǎng)絡(luò)將是一項(xiàng)企業(yè)自身無(wú)法承受的工程。本文提出直接將傳感器集成到企業(yè)信息網(wǎng)格中的結(jié)構(gòu)，提供給企業(yè)用戶(hù)一個(gè)通用的訪(fǎng)問(wèn)接口，實(shí)現(xiàn)傳感器實(shí)時(shí)信息共享，極大地節(jié)約了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。

1基本體系結(jié)構(gòu)

企業(yè)信息網(wǎng)格為企業(yè)用戶(hù)提供了一體化的智能信息平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上，信息的處理是分布式、協(xié)作和智能化的[5]。用戶(hù)可以通過(guò)單一的入口訪(fǎng)問(wèn)所有信息，以便能夠及時(shí)作出決策，提高企業(yè)的運(yùn)作效率。本文當(dāng)前實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1）物理層它是各類(lèi)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口與計(jì)算機(jī)相連。

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

3）開(kāi)發(fā)層中間件它提供高層應(yīng)用的訪(fǎng)問(wèn)接口，包括傳感器編程接口、傳感器實(shí)時(shí)信息管理接口等。

圖1基本體系結(jié)構(gòu)

2主要技術(shù)問(wèn)題

2．1服務(wù)層中間件

對(duì)于科學(xué)計(jì)算來(lái)說(shuō)，Web services是一個(gè)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(wǎng)格實(shí)現(xiàn)的第一步，Globus聯(lián)盟給出了一些規(guī)范，使得Globus更有效地將應(yīng)用映射為 Web 服務(wù)。在實(shí)現(xiàn)了OGSI（open grid services infrastructure）[7]規(guī)范的“open grid services infrastructure reference implementation”中定義了網(wǎng)格服務(wù)是W3C Web services的擴(kuò)展。

在本文實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)平臺(tái)中使用網(wǎng)格服務(wù)來(lái)包裝傳感器，即一個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)一個(gè)操作本傳感器的SOS，通過(guò)一個(gè)通用的接口將這個(gè)服務(wù)發(fā)布到注冊(cè)中心（UDDI）供其他網(wǎng)格用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)。主要是完成向傳感器發(fā)送控制信息來(lái)控制傳感器工作和從傳感器接收實(shí)時(shí)信息。ITS將從傳感器讀來(lái)的實(shí)時(shí)信息傳送給信息消費(fèi)者。不同傳感器產(chǎn)生的信息格式不同，如溫度傳感器可能產(chǎn)生的是一個(gè)雙精度的值；而圖像傳感器可能產(chǎn)生的是圖像的二進(jìn)制文件。因此，傳感器的位置、產(chǎn)生的信息頻率及格式、傳感器所對(duì)應(yīng)的服務(wù)的RUL等元信息通過(guò)SRS向注冊(cè)中心（UDDI）發(fā)布。下面是發(fā)布智能數(shù)字磁場(chǎng)計(jì)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(shù)字磁場(chǎng)計(jì)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(wù)層中間件是完全符合網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其的交互操作也是符合網(wǎng)格的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。但由于本文實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)格服務(wù)和傳感器是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，有以下一些特點(diǎn)：

a)功能獨(dú)立性。每一個(gè)傳感器的功能均通過(guò)網(wǎng)格服務(wù)層中間件提供的接口實(shí)現(xiàn)，上層網(wǎng)格應(yīng)用必須開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠?qū)鞲衅鞑僮鞯哪Ｐ蛠?lái)實(shí)現(xiàn)和不同傳感器的交互。

b)面向資源的服務(wù)。不同的傳感器具有不同的功能，各自所需要的啟動(dòng)參數(shù)及返回參數(shù)等一般均不同，因此，提供了一個(gè)開(kāi)發(fā)服務(wù)的API。服務(wù)開(kāi)發(fā)者通過(guò)對(duì)傳感器的功能和一些主要參數(shù)的了解，就能夠調(diào)用這個(gè)API生成面向此傳感器的特定服務(wù)，使得服務(wù)開(kāi)發(fā)者能夠更快、更簡(jiǎn)單地開(kāi)發(fā)出符合本系統(tǒng)的網(wǎng)格服務(wù)。

2．2信息格式及編碼

為了使信息能夠方便被上層應(yīng)用所識(shí)別和利用，提出了信息的一種中間格式——REML。其基本結(jié)構(gòu)如下：

〈root〉

〈element〉

〈tag1〉…〈/tag1〉

〈tag2〉…〈/tag2〉

…

〈tagn 〉…〈/tagn〉

〈/element〉

〈/root〉

其中：〈element〉標(biāo)簽表示傳感器一次產(chǎn)生的信息量。有些傳感器（溫度傳感器等）一次只產(chǎn)生一個(gè)雙精度的值；還有的傳感器一次就產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)信息（無(wú)論是一個(gè)還是一組，均稱(chēng)之為一幀信息）。〈tagi〉 (i=1，2，…，n)標(biāo)簽是根據(jù)具體傳感器產(chǎn)生信息的類(lèi)別和數(shù)量決定，如智能數(shù)字磁場(chǎng)計(jì)HMR2300可檢測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，輸出X、Y、Z三個(gè)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(fèi)者之間加入的REML格式信息采用UTF－8編碼。不論是在Windows環(huán)境還是Linux環(huán)境，Java客戶(hù)端還是C客戶(hù)端，只要將這種REML格式的信息在各自的客戶(hù)端解析成本地代碼均能夠成功識(shí)別，而不會(huì)出現(xiàn)亂碼導(dǎo)致上層應(yīng)用無(wú)法處理，很好地解決了跨平臺(tái)訪(fǎng)問(wèn)的問(wèn)題。其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2傳感器與消費(fèi)者之間的REML

3信息消費(fèi)方式

消費(fèi)者可選擇接收一幀信息（請(qǐng)求—響應(yīng)或是拉模式）或是連續(xù)信息（流或推模式），SOS提供了這兩種方法（display_p和display_c），消費(fèi)者可根據(jù)自己的需求選用不同的消費(fèi)方式進(jìn)行消費(fèi)。

1)拉模式（pull）消費(fèi)者通過(guò)調(diào)用SOS來(lái)請(qǐng)求傳感器實(shí)時(shí)信息，此時(shí)傳感器返回當(dāng)前產(chǎn)生的一幀信息，一次服務(wù)結(jié)束。其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3拉模式的基本實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

2)推模式（push）為了使消費(fèi)者能夠得到可靠的流格式信息，通過(guò)socket連接來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息的可靠連續(xù)傳輸。在這種模式下，消費(fèi)者仍然是通過(guò)服務(wù)調(diào)用的方式來(lái)訪(fǎng)問(wèn)傳感器信息。但消費(fèi)者調(diào)用服務(wù)時(shí)需要指明消費(fèi)頻率（fc），接收傳感器信息的端口號(hào)，服務(wù)則啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程不斷地向接收信息端口發(fā)送傳感器實(shí)時(shí)信息，直到消費(fèi)者明確發(fā)出一個(gè)停止請(qǐng)求。其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在此模式中，在客戶(hù)端和服務(wù)器端分別建立一個(gè)緩沖區(qū)bufferc和buffers。Bufferc位于客戶(hù)端與上層應(yīng)用之間，是為了緩存那些已經(jīng)從傳感器中讀出而上層應(yīng)用還沒(méi)有來(lái)得及處理的信息。Buffers位于消費(fèi)者與傳感器之間，解決消費(fèi)者消費(fèi)的頻率與傳感器的發(fā)送頻率不匹配的問(wèn)題。

設(shè)傳感器產(chǎn)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(gè)消費(fèi)者請(qǐng)求消費(fèi)時(shí)調(diào)用SOS，服務(wù)調(diào)用讀COM口程序啟動(dòng)傳感器并從傳感器中讀出實(shí)時(shí)信息存放在buffers中。隨后的消費(fèi)者請(qǐng)求消費(fèi)時(shí)，仍然調(diào)用SOS，但這時(shí)服務(wù)器檢測(cè)到傳感器已經(jīng)啟動(dòng)，就啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程直接從buffers中按照消費(fèi)者請(qǐng)求消費(fèi)的頻率讀取信息。消費(fèi)者調(diào)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(shù)據(jù)的時(shí)間間隔a和從緩沖區(qū)讀信息送到客戶(hù)端的時(shí)間間隔b，默認(rèn)的時(shí)間間隔是20 ms和20 ms*/

mythread.start();//啟動(dòng)調(diào)用SOS的線(xiàn)程

my=new myclient(share，endpoint);

Thread mycli=new Thread(my);

mycli.start(); //啟動(dòng)接收socket流信息的線(xiàn)程

}

public String dynamicstr(){

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

myacc.start();//啟動(dòng)從客戶(hù)端緩沖區(qū)中讀信息的線(xiàn)程

D_str=my.getmyst();

return D_str;//返回信息

}

}

智能數(shù)字磁場(chǎng)計(jì)HMR2300在兩種模式下的訪(fǎng)問(wèn)結(jié)果如圖5所示（圖5(a)中訪(fǎng)問(wèn)到的信息用方框標(biāo)出）。

（a）拉模式（b）推模式

圖5訪(fǎng)問(wèn)智能數(shù)字磁場(chǎng)計(jì)HMR2300的結(jié)果

4性能分析

兩種消費(fèi)方式是基于不同的傳感器及消費(fèi)者不同的消費(fèi)方式提出的，均存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

（a） 拉模式（b） 推模式

圖6兩種消費(fèi)模式分析

設(shè)調(diào)用SOS讀傳感器實(shí)時(shí)信息的時(shí)間為T(mén)o，調(diào)用ITS 的時(shí)間Tt，初始化COM口的時(shí)間為T(mén)c，建立socket連接的時(shí)間Ts，則

在拉模式下，請(qǐng)求n幀信息的響應(yīng)時(shí)間為

T1n=Tc+∑ni=1(To+Tt)

當(dāng)n=1時(shí)，

T11=To+Tt+Tc

在推模式下，請(qǐng)求n幀信息的響應(yīng)時(shí)間為

T2n=Tc+To+∑ni=1(Ts+Tt)

當(dāng)n=1時(shí)，

T21=To+Tt+Tc+Ts

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析可以看出，n=1時(shí)，T11>Ts，隨著請(qǐng)求信息的幀數(shù)和用戶(hù)數(shù)的增長(zhǎng)，T1n>>T2n。大量的實(shí)驗(yàn)表明，大約在用戶(hù)每次請(qǐng)求信息的幀數(shù)小于5幀時(shí)，選用拉模式消費(fèi)較好；反之，則用推模式。

5本系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

1）開(kāi)放性本系統(tǒng)采用的是基于Web services的網(wǎng)格技術(shù)，網(wǎng)格服務(wù)提供了一種與現(xiàn)有應(yīng)用相集成的有效方式，能夠與現(xiàn)有的企業(yè)應(yīng)用程序整合，使本系統(tǒng)具有良好的開(kāi)放性。

2）松散耦合客戶(hù)端與服務(wù)器端之間以REML為交換數(shù)據(jù)，使得本系統(tǒng)具有松散耦合性。

3）重用性網(wǎng)格服務(wù)對(duì)外提供的實(shí)時(shí)信息，可作為其他信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，也可供上層應(yīng)用的二次開(kāi)發(fā)之用。

6結(jié)束語(yǔ)

在企業(yè)信息網(wǎng)格中利用網(wǎng)格技術(shù)的客戶(hù)提供傳感器實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)中傳感器實(shí)時(shí)信息的全面共享，提高了企業(yè)的運(yùn)作效率。消費(fèi)者可以根據(jù)自己的不同需求選用拉模式或推模式的消費(fèi)方式請(qǐng)求信息供自己觀(guān)測(cè)或二次開(kāi)發(fā)之用。同時(shí)，采用REML的中間格式，很好地解決了跨平臺(tái)的問(wèn)題。本文已經(jīng)在自己開(kāi)發(fā)的企業(yè)信息網(wǎng)格Loglo系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了這兩種模式。實(shí)踐表明，用網(wǎng)格技術(shù)來(lái)提供傳感器實(shí)時(shí)信息共享是一種行之有效的解決傳感器信息孤島的

方法。

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2003－0217.pdf.

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