基于传感设备的数据采集

    随着经济和科技的发展，传感器网络技术得到了长足发展，各厂商推出了大批优秀的传感器节点来满足不同领域的需求，出于商业、技术考虑或者历史原因，这些节点的功能、接口和使用环境都存在着明显差异，即使在同一应用中，为监测不同的物理量也常常会采用多种不同的传感器，使得整个应用搭建在一个异构平台上，由于硬件接口的差异，用户必须针对各厂商节点进行单独开发，加大了程序开发的难度和复杂度，不仅如此，随着传感器网络应用范围的不断扩大，应用程序的种类和规模也越来越大，在此过程中，软件重复开发现象严重，造成大量人力和物力的浪费，显然，由一个厂商去统一众多产品之间的差异是不可能的，而单独由用户在自己的应用软件中去弥补这些差异也是不客观的，上述这一切对传感器网络节点的灵活性设计和传感器网络应用软件的开发都提出了新的要求。

    近年来学术界对传感器网络开展了一系列的研究，在传感器网络应用、软件和硬件3部分均取得了丰硕成果，但对于标准化方面的工作仍处于初始阶段。现有标准化工作主要集中在IEEE802.15.4.Zigbee规范、IEEE1451族和SensorWeb.针对传感器网络节点接口如何进行标准化描述以方便上层应用开发鲜有研究，导致在软件设计和系统集成时无统一标准可循，制约了技术应用和产业迅速发展。本文提出一种新的传感器网络节点结构，对传感器接口进行标准化描述;同时对作为重要组成部分的数据采集模块进行中间件设计，以屏蔽各种底层复杂接口，从而实现统一的资源访问。与常见的无线网络相比，传感器网络具有以数据为中心、动态拓扑和自组织等特性，这些特性使得传感器网络的软件开发有别于其他无线网络，传统的中间件开发方法在很大程度上不适用于传感器网络。虽然目前传感器网络中间件有很多研究和原型实现，但仍处子初步阶段。本文研究有着很大的实际应用价值又极富挑战性。

1传感器网络节点硬件体系结构设计

    本文设计的传感器节点模型结构如图1所示，主要包括传感模块和网络模块。传感模块主要由传感器探头、A/D转换器、存储器和CPU处理器构成，负责模拟信号处理、采集和数据转换，传感器探头用于探测外部的温度、光度和湿度等需要传感的信息，上述物理量进一步转化为系统可以识别的原始电信号，并且通过放大电路的整形处理，最后经过AZD转换变成数字信号。对于温度、湿度、光度、声音等不同的信号量，需要设计相应的检测与传感器电路。网络模块主要包括驭动模块、应用处理器和收发模块。传感模块和网络模块之间可以通过串口、USB等方式进行通信。在此节点设计中将传感模块和网络模块隔离出来，信号采集和处理部分的开发完全独立于网络协议栈，使得监测对象更加丰富，节点的上层应用软件开发可以更加统一，从而简化了开发过程。

图1传感器节点整体结构

    尽管存在各种各样传感器，它们的接口、类型各异，但它们之间存在着一些共性，我们将这些共性提取出来进行标准化。由于XML模式能够提供一个有效的结构、内容和语义定义方式，本文采用XML扩展语言对其进行描述。图2给出了传感模块标准化描述，其中每个传感模块的属性信息主要包括:厂商、型号和名称;传感器接口参数大体分为4类，分别为G PIB接口、USB接口、串口接口、以太网接口，我们针对每种接口分别给出了初始化所必需的参数信息。在实际应用中，不同传感模块所使用的接口一般为这4类接口中的某一类;模块内部各传感探头定义为传感通道，每个通道信息包括类型、绝对编号、相对编号等关键属性。这里的绝对编号是指该通道在所有模块中的全局编号，而相对编号就是该通道在单个传感模块中的编号。最后我们定义了数据采集函数库信息，主要有函数名称和调用函数路径等。

    图2基于XMI模式的传感模块描述

2可重用数据采集中间件设计

    本节首先提出可重用数据采集中间件体系结构，再详细阐述数据采集中间件实现过程中的关键技术。

    2.1数据采集中间件体系结构

    基于上述传感器网络节点硬件结构，我们进一步设计了可重用数据采集中间件。图3描述了该中间件的软件层次结构。中间件技术的采用将上层软件开发从底层的硬件分离开来，从而简化传感器网络的软件开发，提高了软件的可重用性和可伸缩性。图3可重用数据采集中间件层次结构

    该数据采集中间件逻辑上分为接口层、驱动层、核心层和应用层4层。接口层和驱动层由硬件厂商定义和提供核心层则负责周期性地从各个不同接口传感模块采集数据，在里面主要设计了两个程序:数据接口程序和周期采样程序。数据接口程序主要用来接收采样命令，并把采样数据规整成标准格式。周期采样程序基于传感模块接口配置文件调用数据采集函数。数据采集函数则封装在数据采集函数库中应用层主要是提供上层应用接口。

    该数据采集中间件可重用性的实现主要依靠标准配置文件、统一的访问原语和数据封装格式，在下一部分中将对其进行详细阐述。

    2.2数据采集中间件关键技术

    1)传感模块配置

    数据采集中间件在执行数据采集任务前首先读取传感模块配置文件完成接口初始化。该配置文件遵循前面所t定义的传感模块XML模式，保存了所有传感模块的配置信息。在配置文件中每一个根结点对应一个传感模块，不同的数据采集设备需要配置的信息不同，因此配置文件当中每个结点的结构也不尽相同。这些配置信息都可以通过开发专门程序来设定。传感模块设置流程如下:首先中间件读取配置信息，进行传感模块识别，然后查询函数路径，调用相应函数进行初始化。在这里我们通过一个标准的配置文件来对传感模块进行自动识别和实时更新，从软件上支持了传感模块的扩展。

    2)数据采集原语

    一般来说，不同的厂商有不同的通信命令来控制和采集传感模块，为了屏蔽各厂家通信命令差异，该数据采集中间件向上层应用软件提供统一的数据采集和查询等资源访问原语。这些数据采集原语将会在数据采集函数中映射为真正的厂家命令以便能被硬件识别。统一访问原语的定义能够达到设备独立性目标，当底层传感模块更换、添加或者删除时，上层应用软件都无需做任何改变。

    各原语接口主要用于传感模块的通信、数据检索和配置。当上层应用软件需要采样数据时，先调用Connect原语建立连接，建立连接后，利用IntervalSet函数完成对采样周期的设置，然后调用Start和Stop开始或终止对所有传感模块的数据采样操作。在实际应用过程中，还可以利用Send和Receive对特定单个传感数据进行访问。

    3)数据封装

    节点从本地传感模块读取的各个传感数据，在数据格式和含义上都不相同，数据采集中间件将底层的这些数据封装成统一的数据格式，再提交给上层应用软件进行处理，从而屏蔽了数据的差异。对传感数据处理过程如下:首先，从原始传感数据包的类型标识字段识别传感数据类型，然后根据预定接口配置进行排序，同时对名称和位置信息等属性进行赋值，最后按照规定格式进行数据封装。数据格式定义如图4所示。封装好的数据主要分为两类:元数据和传感数据。元数据是指传感器数据的描述数据，主要包括传感监测类型、名称、内含传感器探头个数等;传感数据主要包括当前采样时间、累计采样时间和实际传感器探头数据。标准化的数据封装格式主要优点在于提供一个统一的数据接口，上层应用软件可用同一格式对传感器网络所有的数据进行解封，有效促进了异构传感器网络数据集成，简化了软件开发。

    图4可重用数据采集中间件数据封装格式

    总之，基于传感模块接口的标准化定义，所设计中间件具有良好的灵活性、配制性和扩展性，只需将传感模块配置文件重新设定，便可以将此数据采集中间件应用到另外一个不同硬件环境中，实现了软件重用，从而可以使开发人员脱离底层复杂的硬件细节。

3系统仿真

    为了全面验证本文所提设计，更好模拟多传感模块接口，本文采用计算机与智能仪表进行仿真。其中计算机作为网络模块，智能仪表作为传感器模块，如图S和图6所示。智能仪表选用恒河的DR240和UT550，它们分别用GPIB和串口与计算机进行通信。按照传统设计，用户必须对这两类仪表分别进行开发，开发难度大，周期长。而利用本文的标准化接口设计和数据采集中间件，上层曲线显示软件开发只需调用所规定的数据采集原语与中间件通信，无需关心底层硬件结构与接口，即可完成所有设备的采集，从而简化了整个应用开发的复杂度。在本仿真系统中数据采集中间件运行在计算机上，主要采集温度、湿度、电压、电流等参数，上层曲线显示软件如图7所示。

    图5用于模拟网络节点的计算机设备

    图6用于模拟传感模块的智能仪表设备

    图7采样数据曲线显示软件

4结束语

    随着传感器硬件的发展，传感器节点处理能力越来越强，多厂商产品并存，面对这一发展趋势，本文主要研究传感模块标准化和可重用数据采集中间件设计，从硬件接口、通信命令和数据格式3方面屏蔽差异，使应用层软件能以一致方式访问传感器网络中的数据资源，简化了上层对系统资源的访问操作。本文旨在为传感器网络的应用与软件开发构建一个标准的、可扩展的开发平台，以促进传感器网络相关技术研究和应用的进一步发展。