基于Python的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

余戰(zhàn)秋

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的升級與改進，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)暴增狀態(tài)，數(shù)據(jù)量級達到海量級別［1-2］.又因無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸復雜，導致網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的難度增大.如何對海量數(shù)據(jù)進行采集、挖掘與分析成為現(xiàn)今國家重點課題之一.

針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集存在的不足，相關(guān)學者進行了深入研究.陳琪等［3］提出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點輔助的數(shù)據(jù)采集效率優(yōu)化方法，該算法基于數(shù)據(jù)量將所有節(jié)點均勻劃分成簇，并在簇內(nèi)采用節(jié)點分級的方法進行數(shù)據(jù)的多跳傳輸，再使用移動采集器沿著最短路徑訪問簇頭節(jié)點，對指定節(jié)點進行數(shù)據(jù)集采集.劉強［4］提出了基于后向散射和軟件定義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信，其由實現(xiàn)射頻載波生成、零差檢測和復雜信息處理的中心Hub及具有載波調(diào)制功能的傳感器構(gòu)成；前者構(gòu)建了軟件定義的收發(fā)器發(fā)送載波、接收來自各個傳感器的反射，提取并處理它們發(fā)送的信息；后者每個傳感器的發(fā)射機被簡化為一個連接到天線上的晶體管，實現(xiàn)傳感器的信息被調(diào)制到其唯一的子載波上；進而建立起完整的后向散射無線電鏈路通信系統(tǒng)，實現(xiàn)每個傳感器和中心Hub之間的通信.朱曉宇等［5］提出了一種基于Android安全容器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)按Android軟件棧的層次順序，分析客戶端與服務(wù)器端間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信過程，找到可供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的入口，結(jié)合Android安全容器實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).上述方法存在數(shù)據(jù)采集能耗較大、數(shù)據(jù)采集耗時較長、采集數(shù)據(jù)壓縮率過高等問題，導致數(shù)據(jù)采集效果不佳.為解決這些方法存在的不足，本文研究了基于Python的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，引入Python算法，以期提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能.

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計

設(shè)計系統(tǒng)硬件包括數(shù)據(jù)采集芯片選型單元、無線收發(fā)芯片選型單元與串口通訊電路設(shè)計單元.

1.1 數(shù)據(jù)采集芯片選型單元

依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)特性，研究選取I-7000系列芯片作為數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)，見表1.

表1 數(shù)據(jù)采集芯片選型表

I-7000系列芯片之間采用RS-485雙向串行總線進行通信，并且依據(jù)數(shù)據(jù)采集的需求，適當編程通信速率，其最大值為115.2 Kbps.由于篇幅限制，僅展示I-7060D芯片結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

圖1 I-7060D芯片結(jié)構(gòu)示意圖

I-7060D芯片具有以下優(yōu)勢：①該芯片采用節(jié)能設(shè)計，能夠有效降低功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時間；②I-7060D芯片能夠提供出色的計算和處理性能，滿足多種復雜應(yīng)用的需求；③該芯片集成了多種功能模塊和接口，例如輸入/輸出接口、傳感器接口等.

上述過程完成數(shù)據(jù)采集芯片的選取，構(gòu)造數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)［6］.

1.2 無線收發(fā)芯片選型單元

無線收發(fā)芯片是數(shù)據(jù)采集的始端與終端，是設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵硬件設(shè)備之一［7］.研究選取TI/Chipcon公司生產(chǎn)的CC1110芯片作為無線收發(fā)芯片，結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 CC1110芯片結(jié)構(gòu)示意圖

CC1110無線收發(fā)芯片具有以下優(yōu)勢：①CC1110芯片適應(yīng)多種調(diào)制格式，為數(shù)據(jù)緩沖、傳輸?shù)忍峁┲С郑虎贑C1110芯片成本較低，可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集需求配置MCU，使用較為靈活，功耗較低；③CC1110芯片具有多個波段載波頻率，為數(shù)據(jù)采集提供多通道支撐，并容易設(shè)置在其他頻率上，方便無線收發(fā)芯片的配置.此外，CC1110無線收發(fā)芯片損耗較低，休眠模式下，電流損耗為5 mA；運行模式下，電流損耗為16 mA.同時，各種模式的切換時間較短，符合設(shè)計系統(tǒng)需求［8］.

1.3 串口通訊電路設(shè)計單元

串口通訊電路是保障設(shè)計系統(tǒng)硬件互相連接的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)［9］.依據(jù)設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)備特性，設(shè)計串口通訊電路，如圖3所示.串口通訊電路采用3個電容，初始參數(shù)設(shè)置為0.1 uF，并且電容參數(shù)可依據(jù)實際情況進行適當?shù)恼{(diào)整，但必須保障3個電容參數(shù)同時增加或者減少，維持電容比例不變［10］.

圖3 串口通訊電路示意圖

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)計系統(tǒng)軟件模塊包括網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集框架設(shè)計模塊、采集數(shù)據(jù)壓縮模塊與采集數(shù)據(jù)緩存模塊.

2.1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集框架設(shè)計模塊

Python語言是使用廣泛的設(shè)計腳本語言之一，具有較好的交互性、解釋性、可讀性和可維護性，可節(jié)省軟件開發(fā)的時間和成本［11］.網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集框架中，最關(guān)鍵技術(shù)為scrapy爬蟲技術(shù)，是應(yīng)用Python語言開發(fā)并封裝的技術(shù)，有效承接了Python語言的獨特優(yōu)勢，可快速挖掘和采集網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集框架如圖4所示.

圖4 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集框架圖

結(jié)合圖4的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集框架和Python語言制定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集程序，具體步驟：①應(yīng)用Python配置scrapy爬蟲規(guī)則，初始化爬蟲目標［12］，啟動爬蟲任務(wù)；②加載步驟①設(shè)置的爬蟲目標，利用調(diào)度器組件對網(wǎng)絡(luò)進行調(diào)度；③收到數(shù)據(jù)挖掘采集請求后，爬蟲從指定地址出發(fā)全網(wǎng)搜索，搜索完成后輸出挖掘采集響應(yīng)數(shù)據(jù)；④通過Spider中間件將步驟③輸出的響應(yīng)數(shù)據(jù)傳遞給Spiders，啟動回調(diào)函數(shù)，統(tǒng)一解析響應(yīng)數(shù)據(jù)；⑤加載響應(yīng)數(shù)據(jù)解析后的信息實體，對其進行清洗、驗證、持久化等相關(guān)處理；⑥經(jīng)過爬蟲不斷迭代循環(huán)操作，即可完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的挖掘采集［13］.若滿足迭代循環(huán)停止條件，則輸出網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集結(jié)果；未滿足則轉(zhuǎn)至步驟①，繼續(xù)迭代循環(huán).

按上述步驟應(yīng)用Python語言，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集框架，制定網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)挖掘采集程序，執(zhí)行程序即可挖掘采集到用戶需求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)［14］.

2.2 采集數(shù)據(jù)壓縮模塊

以上述挖掘采集的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用SLIM算法壓縮采集數(shù)據(jù)，能夠節(jié)省數(shù)據(jù)存儲空間、降低設(shè)計系統(tǒng)整體能耗［15］.SLIM算法主要通過比較兩個扇形區(qū)域，即最后寫入數(shù)據(jù)與最后讀入數(shù)據(jù)的位置關(guān)系決定新數(shù)據(jù)的取舍.扇形區(qū)域斜率上限與下限計算公式為：

2.3 采集數(shù)據(jù)緩存模塊

以壓縮后的采集數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合用戶需求，基于裝載因子制定采集數(shù)據(jù)緩存策略，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集.緩存主要為了提高設(shè)計系統(tǒng)的TPS，降低設(shè)計系統(tǒng)的整體能耗［17］.裝載因子計算公式為：

3 實驗與結(jié)果分析

為驗證設(shè)計系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集性能，選取基于Android安全容器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［5］作為對比系統(tǒng)，該系統(tǒng)按照Android軟件棧的層次順序，分析客戶端與服務(wù)器端之間的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信過程，找到可供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集的入口，結(jié)合Android安全容器實現(xiàn)自動化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).實驗以數(shù)據(jù)采集耗時、采集數(shù)據(jù)壓縮率、數(shù)據(jù)采集能耗為評價指標.

3.1 實驗準備階段

實驗準備是數(shù)據(jù)采集性能測試的有效保障.實驗準備階段承擔著實驗對象的選取及其配置的任務(wù).根據(jù)數(shù)據(jù)采集實驗的需求，選取某區(qū)域無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為實驗對象，其結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖5可知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包含了接收器、互聯(lián)網(wǎng)、管理節(jié)點、傳感器節(jié)點等，其中設(shè)置的傳感器節(jié)點與接收器的比例為5∶2.

3.2 實驗結(jié)果分析

以實驗準備內(nèi)容為依據(jù)，進行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集實驗.為直接顯示系統(tǒng)的應(yīng)用性能，選取數(shù)據(jù)采集耗時、采集數(shù)據(jù)壓縮率與數(shù)據(jù)采集能耗作為評價指標，以下為具體實驗結(jié)果分析過程.

3.2.1 數(shù)據(jù)采集耗時分析

數(shù)據(jù)采集耗時直接反映系統(tǒng)的應(yīng)用效率.一般情況下，數(shù)據(jù)采集耗時越短，表示系統(tǒng)應(yīng)用效率更快；反之，則表示系統(tǒng)應(yīng)用效率更慢.通過實驗獲得數(shù)據(jù)采集耗時數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖6 數(shù)據(jù)采集耗時數(shù)據(jù)圖

如圖6，相比對比系統(tǒng)，應(yīng)用設(shè)計系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)耗時更短，最小值為1.5 min，最高值僅為10.5 min；但對比系統(tǒng)的最低耗時為7.5 min，最高達17 min，其最大值和最小值均高于設(shè)計系統(tǒng)，折線整體高于設(shè)計系統(tǒng)，表明設(shè)計系統(tǒng)有效降低了數(shù)據(jù)采集耗時，應(yīng)用效率更高.

3.2.2 采集數(shù)據(jù)壓縮率分析

采集數(shù)據(jù)壓縮率決定著系統(tǒng)存儲空間的利用率.一般情況下，采集數(shù)據(jù)壓縮率數(shù)值越大，表明系統(tǒng)存儲空間利用率越高；反之，則表明系統(tǒng)存儲空間利用率越低.通過實驗獲得的采集數(shù)據(jù)壓縮率數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 采集數(shù)據(jù)壓縮率數(shù)據(jù)表

由表2可知，應(yīng)用設(shè)計系統(tǒng)獲得的采集數(shù)據(jù)壓縮率數(shù)值更大，最大值為64.51%，對比系統(tǒng)的最大值僅為31.09%，兩者相差33.42%，因此，設(shè)計系統(tǒng)的存儲空間利用率更高.

3.2.3 數(shù)據(jù)采集能耗分析

數(shù)據(jù)采集能耗大小直接影響系統(tǒng)的應(yīng)用性價比.一般情況下，數(shù)據(jù)采集能耗越小，表明系統(tǒng)應(yīng)用性價比越高；反之，則表明系統(tǒng)應(yīng)用性價比越低.通過實驗獲得數(shù)據(jù)采集能耗數(shù)據(jù)如圖7所示.

圖7 數(shù)據(jù)采集能耗數(shù)據(jù)圖

由圖7可知，應(yīng)用設(shè)計系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)采集能耗更小，具有一定的穩(wěn)定性，最小值為70 mAh，對比系統(tǒng)的最小值為115 mAh，遠高于設(shè)計系統(tǒng)，故設(shè)計系統(tǒng)的能耗更低，應(yīng)用性價比更高.

4 結(jié)語

研究應(yīng)用Python語言設(shè)計了全新的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，極大地縮短了數(shù)據(jù)采集耗時，提升了采集數(shù)據(jù)壓縮率，降低了數(shù)據(jù)采集能耗，能夠為數(shù)據(jù)采集提供更有效的系統(tǒng)支撐，也為數(shù)據(jù)采集相關(guān)研究提供一定的借鑒與參考.