可重構傳感器系統相關技術綜述

劉明政,張盛煜,張會兵

（1.軍事科學院系統工程研究院,后勤科學與技術研究所，北京 100071；2.桂林電子科技大學,計算機與信息安全學院，廣西 桂林 541004）

0 引言

進入新世紀之后，隨著物聯網、大數據、人工智能相關新興信息技術的快速發展及物聯網理論依據的涌現，各個國家都更加重視災難環境的提前預測和智能預警。現代科技條件下，在各種意外因素下，頻頻發生的災難更對災難地點的環境參數探測、搜集提出了更高要求：環境參數傳感器系統要能夠快速適配環境探測需求，面向復雜環境感知的傳感器系統可重構技術為實現該目標提供了技術支撐。

面向復雜環境感知的傳感器系統可重構技術涉及相應的分層模型、傳感器動態加載、傳感器優化配置、接口協議轉換等關鍵技術。對這些關鍵技術發展現狀的分析有助于理清技術發展脈絡、探究未來的演進方向。

1 層次模型和體系架構研究現狀

21世紀初期，各個國家從不同的角度對快速響應空間及技術進行了初步探索。其中，最為典型的就是美國于2003 年提出的聯合作戰響應空間（Operationally Responsive Space，簡稱ORS）概念，其目的在于通過低成本、高靈活性以及快速響應的特性實現在全球范圍內通過空間信息系統向戰區指揮人員提供實時戰場勢態感知能力。

美國基于ORS 體系框架前后共發射了7 枚用于軍事任務的人造衛星，如表1所示。后來，為了解決人造衛星傳感器快速部署的問題，在ORS體系框架的基礎上提出了空間即插即用架構（Space Plug-and-Play Architecture，SPA）[1]，SPA是一套自適應即插即用技術的接口驅動標準，其目的是快速發展航天器總線和有效傳感器接口。SPA 主要是從軟件層面對接口驅動進行統一規劃，以消息形式實現數據傳遞。

表1 美國“ORS”計劃

雖然美國在PnP技術方面研究最早，各項技術都趨于成熟，但是其具有一定的局限性，工作重心往往在于航空航天這種高成本，高耦合技術應用上，導致其PnP技術分離出來往往不具備通用性，對于像地面環境狀態參數感知、礦井環境狀態參數探測等動態多變環境下傳感器即插即用技術還需要進一步改造才能滿足其SPA標準需求。

2 傳感器動態加載技術現狀

2.1 傳感器動態識別技術

以PC 機識別USB 類型設備為例，PC 機操作系統主要以枚舉法來識別接入設備，即讓HOST 識別USB設備，并為其準備相應資源來建立主機與設備之間的數據傳遞機制。

陸軍工程大學的王法臻等人[2]在Linux 操作系統上基于PCIe 設計了一種針對可重構儀器的設備識別方法，該團隊通過操作系統重啟后會自動檢測總線上掛載的所有設備，并將設備的硬件信息存儲在操作系統的pci_dev 的結構體中的特性，分析了PCIe 設備驅動在Linux 中的加載技術，設計并實現了PCIe 硬件設備的主動識別，通過pxie_probe 函數完成硬件設備的I/O 硬件資源申請、基址寄存器獲取以及中斷函數初始化等相關配置，最終實現了傳感器數據通過DMA協議進行主從設備的傳輸。

基于PCIe 的可重構儀器設備驅動程序開發在傳感器自動識別技術上具有較好的參考意義。

2.2 傳感器驅動動態加載技術

北京交通大學的翟高壽團隊在通過分析驅動程序內核差異，在這些差異的基礎上，總結歸納了Linux設備驅動中內核接口的各種變化規律，提出了一種Linux設備驅動程序自動更新的方法[3]。

沈陽工業大學的宗偉團隊通過修改傳統WinCE操作系統中驅動程序的加載流程，實現了WinCE驅動程序的動態加載及卸載。該研究團隊以流接口驅動程序為介質，通過該團隊修改的PlatformBuilder 調用相關函數實現動態加載設備驅動程序[4]。

以上驅動加載技術在一定程度實現了驅動的動態加載。第一種利用分析差異的方法來動態加載設備驅動程序的技術僅適用于功能差異大、通訊協議相異情況下的傳感器。而第二種實現驅動動態加載是建立在WinCE 操作系統上，與Linux 操作系統下的驅動加載過程存在較大差異，而且該方法僅僅用于簡單驅動程序的改造，一旦涉及到其他形式的驅動程序可能造成驅動程序動態加載庫的調用失敗或沖突。

3 傳感器優化配置策略研究現狀

3.1 傳感器接口優化技術

華南理工大學的閔華清團隊以MiniROS 構件模型為基礎，設計了一種構件接口自適配算法以及對應的軟件基礎設施。該團隊通過標記的方法對設備接口功能進行描述，解決了設備語法沖突的問題。在描述上，為設備接口定義了兩種語義：靜態語義和動態語義。通過這兩種語義提供了設備接口的互連性分析。然后通過MiniROS構件模型計算出主從設備的關系，接著MiniROS構件模型基于設備信息，定義了一套簡單完善的接口描述語言，其本質是通過MiniROS 構件的自動適配特點，將構件做成一個用于處理消息管道的適配器，通過本體匹配獲取異構數據的轉換關系來完成異構數據的轉換。

通過這種優化語義與結構的方式把匹配問題轉化為接口優化問題，在特定情況下可顯著提高異構數據接入效率以及設備運行穩定性，但是其接口匹配具有不可重復性，目標設備接入系統后，無法實現熱插拔效果。因此，其接口優化部分具有參考價值，但是具體實現時還存在諸多約束。

1)傳感器接口適配技術

電子測試技術國家重點實驗室的趙慧團隊設計了一種基于PCI接口的即插即用、性能穩定、簡單可靠的CAN適配卡[5]。該方案利用PCI9052芯片（PCI專用接口芯片）和SJA1000芯片（CAN總線控制器芯片）設計了CAN適配卡電路并設計了一套設備驅動程序，并基于FPGA 實現了RS-422、CAN 以及AFD-X 協議間的通信。

該方法以FPGA 為核心、PCI 接口為媒介，實現了對RS422、CAN以及AFDX三種常見協議的適配，從物理接口、電氣接口以及協議接口的角度滿足了信號轉換處理的要求，一定程度上實現了多總線接口適配單元的設計。但由于FPGA 的物理特性，更換不同協議接口的傳感器時需要重新分配其總線結構以及硬件資源，在虛擬鏈路調度、寬帶分配以及延遲問題上有待進一步解決。除此之外，其CAN總線控制器雖然可以完成正常的收發數據的功能，但是其錯誤檢測、故障界定以及仲裁機制還不夠完善，穩定性也有待加強。

2)傳感器接口拓展技術

限于設備體積、芯片資源等約束，傳感器往往缺乏足夠的硬件接口，這在一定程度上限制了設備與物理世界的信息交互能力。FT311D 接口芯片提供了USB轉外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口，可以有效解決設備硬件接口的擴展難題。基于FT311D 的USB 轉外部接口方案硬件設計簡單、軟件開發方便，可廣泛應用于物聯網、無人系統設備等。另外，也可以利用RS485 通信接口進行Profibus 網絡拓展。雖然FT311D 接口芯片擴展性高，但是在適配的協議類型上依舊不夠全面，譬如廣泛普及的USB協議、TCPIP協議以及RS485協議依舊沒有得到很好的適配。

而對于比較常見的筆記本接口擴展方案，通常基于USBPD 控制器下的多接口擴展。其功能大都是將USBPD 接口擴展為USBHUB 接口、HDMI 接口、VGA接口以及網口接口。其原理也是基于不同接口處理芯片完成，因此大部分接口擴展方案存在一個普遍問題：隨著接口擴展的種類增加，其所需要的外圍電路就越復雜，且成本也相應增加。

4 傳感器接口協議轉換技術現狀

為了實現對復雜、多變的環境狀態參數的精確感知，各種接口協議（如RS232、RS485、SPI、I2C、自定義的非標協議等）的探測設備都可能動態接入到感知系統中。為簡化上層業務處理或用戶操作，需要對不同的協議進行轉換。通常有三種基本的轉換技術：不同探測設備協議之間的相互轉換、將各種協議轉換為某一特定協議以及基于配置文件的協議轉換。

異構數據相互轉換：為支持目前常見的通用數據傳輸協議，實現不同系統之間的互聯互通，基于嵌入式系統設計簡易的協議轉換設備是通常的做法。即作為發送方的計算機分系統將數據發送出去以后，先到達協議轉換設備的接收協議轉換單元，然后數據送達數據轉換單元。經過數據轉換單元處理，將需要交互的數據本身和目標計算機系統信息分離出來，去除協議的冗余部分，然后將數據下發給發送轉換單元。通過發送協議轉換單元，對數據進行重新處理，轉換為作為接收方的計算機系統所支持的通信協議，然后發送給作為接收方的計算機系統。發送協議轉換單元和接收協議轉換單元分別配合進行數據傳輸，實現了各類傳感器的數據發送和接收功能。不同的計算機子系統可以隨時從協議轉換設備上掛載或者卸載而不對協議轉換設備和其他計算機子系統產生影響，實現系統間協議轉換的功能。

異構數據統一化：這種方案往往基于嵌入式中間件的協議轉換技術，圍繞特定的一種通信協議設計嵌入式協議轉換單元。在該協議轉換單元中，往往集成了多種協議向某一特定的通信協議進行轉換，實現了多種協議之間的同一轉換，并且還可在協議轉換單元中引入了模糊控制算法來優化協議轉換單元中的緩沖區隊列，從而提高協議轉換過程中的效率，更好的適應嵌入式協議轉換單元在工業控制中的要求。

5 傳感器感知數據解析與標準化轉換技術現狀

不同種類的傳感器有著相互各異的協議，相同協議的傳感器有時其協議幀格式也會有差異。為了準確得到感知數據，就需要對這些傳感系統協議進行相應的感知數據解析。另外，在多種類、多協議、多接口傳感器數據解析環境下，將各個傳感器數據進行標準化轉換就顯得尤為重要：將感知數據轉換為統一的、標準的格式，不僅有利于后續數據處理，還可以大大減少程序冗余，提高程序運行效率。

南京郵電大學葛丹研究團隊設計了一種可配置通信協議的基礎物聯網傳感器數據處理平臺，通過該平臺可以與設備終端直接通信而無須通過數據庫。該團隊將物聯網傳感器數據處理平臺按照功能劃分為：Web 管理平臺和數據通信服務平臺兩部分，其中Web管理平臺主要負責通信協議配置的功能，數據通信服務平臺主要負責基于定制協議的數據通信功能[6]。團隊根據其需求，利用高性能異步通信MINA服務器構建數據通信系統，并為設備終端提供HTTP 協議傳輸數據支持。

這種基于Web 端的管理平臺，通過HTTP 協議來解析數據并將其標準化轉換的方法驗證了在多傳感器、大并發量情況下的可行性，具有很好的參考意義。但不足的是，該方案僅僅考慮了溫濕度等結構簡單、數據類型單一的情況，對于復雜度高、數據類型多樣的情況，還有待改善。除此之外，以HTTP協議進行數據的標準化在嵌入式物聯網系統中還存在一定的局限性，可以考慮將其替換為以MQTT 為主的通用性更強的協議轉換類型。

6 結束語

通過上述分析，對可重構傳感器系統相關關鍵技術研究現狀及優缺點總結如表2所示。

表2 可重構傳感器系統相關關鍵技術分析總結