多源傳感器數據采集系統的設計與實現

黃遞全，向 娟，田壽全

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

多源傳感器數據采集系統的設計與實現

黃遞全1，向 娟1，田壽全1

（1.國家測繪地理信息局 重慶測繪院，重慶 400015）

基于Mina框架，利用Java 技術詳細設計開發了多源傳感器數據采集系統，實現對傳感器終端發送的數據進行接收、解析、展示、轉換、加密和發送等。多源傳感器數據采集系統作為傳感器終端和數據中心之間的中介，實現了數據的自定義協議轉換，對物聯網數據采集技術具有重要意義。

物聯網；傳感器；數據協議；采集終端

當前，以物聯網、云計算等新一代技術為核心的智慧城市建設理念，成為一種未來城市發展的全新模式[1]。智慧城市是城市信息化發展的必然趨勢，是在數字城市建設發展到一定階段，科學技術達到一定水平，社會需求達到一定程度的必然要求。物聯網技術作為智慧城市的關鍵技術之一[2,3]，它體現了一種虛擬數字世界和現實物理世界的融合趨勢。物聯網是一個層次化的網絡[4-6]。作為物聯網子網之一的傳感網是指由隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信單元的微小節點，通過自組織的方式構成的網絡。傳感器數據采集技術[7,8]具有智能獲取、傳輸和處理信息的功能，它將系統和各個節點有機地連成一個整體，起到互相協同的作用。多源傳感器數據采集技術是物聯網實現智能感知功能的關鍵技術。

1 系統設計

1.1 總體架構

多源傳感器數據采集系統硬件搭建主要包括傳感器設備、供電電源、中央控制單元硬件設備等。經過采集終端系統軟件解析轉換為有效數據存儲，進而發送到服務器中心。采集終端硬件鏈接如圖1。

終端系統形成了傳感器數據從終端到中央控制單元再到存儲服務器的一體化流程。系統軟件將多源傳感器數據進行接收、解析，然后按自定義協議存儲發送。采集終端數據流程圖如圖2。

1.2 數據庫設計

圖1 采集終端硬件鏈接圖

傳感器的多樣化導致數據格式的不統一，因此需要根據傳感器各自數據格式，按自定義協議規范化數據，建立系統化數據庫。采集終端數據庫包括自身屬性數據以及表征監控點狀態的傳感器數據、GPS數據。采集終端數據庫設計如圖3所示。

圖2 采集終端數據流程圖

圖3 采集系統數據庫設計

1.3 主要功能模塊設計

多源傳感器數據采集端，也稱作中央控制單元，是物聯網示范應用的基礎，主要實現數據采集、轉換、發送等。詳細功能設計如圖4所示。

1）數據讀取。傳感器的數據通過RS485串口與中央控制單元鏈接，中央控制單元根據不同傳感器的串口參數（串口號、波特率、停止位、數據位、校驗位等）分別與各傳感器建立鏈接通道。鏈接通道建立后就可以向傳感器發送數據讀取命令，傳感器在接收到數據讀取命令后向中央控制單元返回實時數據。

2）數據解析。根據數據來源的串口信息辨識傳感器數據與GPS數據。傳感器數據解析，根據數據來源辨識該條數據屬于哪個類型的傳感器數據，再根據相應的數據解析規則解析出數值。GPS數據解析，根據特定編碼方式，將字節流轉換成字符形式，并獲取完整的GPS數據包，其中包括可見衛星信息（GPGSV）、地理定位信息（GPGLL）、推薦最小定位信息（GPRMC）、地面速度信息（GPVTG）、GPS定位信息（GPGGA）、當前衛星信息（GPGSA）、衛星信號中時間信息（GPZDA），再對相應數據進行解析。

3）數據展示。在中央控制單元展示模塊中包括實時顯示傳感器數據及中央控制單元和服務器、傳感器的鏈接狀態。這樣，既可以看到傳感器狀態的實時變化，也可以實時看到中央控制單元的鏈接狀態。因此開辟了獨立的線程，設置數據刷新的頻率，實時更新UI，并且采取異步后臺運行的方式。

4）數據存儲。創建臨時數據庫，對各類傳感器數據創建相應的表進行存儲。在接收最新傳感器狀態值時，將歷史存儲數據覆蓋，存儲該傳感器數據記錄。在臨時數據庫保持存儲傳感器最新的數據記錄。

5）數據轉換。將傳感器有效數據按照設定的協議轉換為特定的數據格式。數據轉換時將傳感器數據和GPS數據分別進行編碼，按要求規范化，打包數據，包括包頭、協議號、包編號、傳感器類型、數據內容等。

6）數據發送。在中央控制單元所在環境建立局域網，并通過3G鏈接外網，建立中央控制單元與服務器層的網絡鏈接，以3G網的方式發送數據。建立獨立線程，設置一定頻率，往服務器實時發送數據。

2 系統實現

根據系統總體架構及功能設計，開發了多源傳感器數據采集系統。系統實現了傳感器數據讀取，解析；實現了傳感器數據動態展示，監控傳感器的實時狀態；實現了按自定義協議，規范化傳感器數據，將數據傳輸到數據中心。從界面可以看到采集終端的基本信息，傳感器實時數據以及系統信息。采集終端系統界面如圖5所示。

圖5 采集終端系統界面

3 系統關鍵技術

1）信號轉換技術。傳感器最初接收到的數據是模擬信號，為了高效地傳輸和存儲數據，需要將模擬信號轉換為數字信號，RS485芯片負責將傳感器的模擬信號轉換為數字信號，每個信號以MODBUS協議的數據格式傳輸至中央控制單元。

2）實時網絡通信技術。為了保證中央控制單元將數據實時高效地發送至服務器層，擬采用TCP/IP通信協議，通過Socket套接字技術實現中央控制單元與服務器層的鏈接。TCP/IP協議可以最大限度地保證數據的完整性。

3）多線程管理技術。中央控制單元負責接收各個傳感器發送的數據，經過處理發送到服務器層。中央控制單元需要協調數據接收、存儲、顯示、發送等任務，對多個任務加以控制，采用異步處理技術。多線程地有效管理可以提高系統的效率，實現在同一時間內完成多項任務。其中用于數據顯示的UI更新線程采用異步后臺運行技術。

4）數據緩存池技術。由于數據的讀取和發送由不同線程處理完成，這就涉及到不同線程之間數據交互和共享的問題。采用數據緩存池技術，數據讀取線程將最新的數據存儲在公共內存中供數據發送線程讀取和調用。

5）黑匣子技術。為了最大限度地保證數據的完整性，中央控制單元向服務器層每發送一條數據都會得到一個數據反饋，以確保服務器層完整地接收到數據。假如發送數據后未收到服務器層的反饋，則將數據存入黑匣子數據庫，隨后再重新發送數據。

6）信息安全技術。為保證傳感器數據安全到達服務器層，將傳感器數據按協議打包、加密，以加密方式發送到服務器層。

4 結 語

本文采用信號轉換技術、實時通信技術、多線程管理技術、C/S編程技術開發了多源傳感器數據采集系統，實現了傳感器數據的讀取、解析、展示、存儲、轉換、發送等。傳感器數據采集系統是物聯網服務平臺應用的基礎部分，實現了傳感器數據從終端硬件到數據中心的轉換并向Web端、手機應用端提供數據支持，對物聯網技術研究有重要意義。智慧城市的建設需要物聯網技術的支撐，而物聯網技術需要傳感器的支持。采集系統實現傳感器數據的有效提取，為智慧城市的建設提供了數據來源，在城市數字化、虛擬化、智慧化方面發揮了重要作用。

[1] 孫圣和．現代傳感器發展方向[J]．電子測量與儀器學報,2009(1)∶1-10

[2] 韓立鋒．無線傳感器網絡技術[J]．電信快報,2005(4)∶15-17

[3] 錢志鴻,王義君．面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J]．電子與信息學報,2013(1)∶215-227

[4] 胡永利,孫艷豐,尹寶才．物聯網信息感知與交互技術[J]．計算機學報,2012(6)∶1 147-1 163

[5] 黃迪．物聯網的應用和發展研究[D]．北京∶北京郵電大學,2011

[6] 沈蘇彬,毛燕琴,范曲立,等．物聯網概念模型與體系結構[J]．南京郵電大學學報∶自然科學版,2010(4)∶1-8

[7] 王琳,商周,王學偉．數據采集系統的發展與應用[J]．電測與儀表,2004(8)∶4-8

[8] 李威宣,趙靜．通用數據采集卡的驅動方法及數據采集[J]．武漢理工大學學報∶信息與管理工程版,2007(5)∶16-19

P208

B

1672-4623（2016）01-0020-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.01.006

黃遞全，碩士，主要從事數字城市開發及地理國情普查工作。

2015-04-30。

項目來源：測繪地理信息公益性行業科研專項資助項目（201412008）；國家測繪地理信息局2014年基礎測繪科技資助項目。