物聯網數據統一模型的實現與應用
2016-05-31 17:50:43王帥帥劉揚
物聯網技術 2016年5期
王帥帥 劉揚
摘 要：針對當前暴雨積水、雪情數據采集信息量大，結構不同，格式不一致，呈現方式多樣，質量問題等現象，增加了處理與分析的困難程度。文章以北京市西城區為例，結合全區的水雨雪傳感器設備現狀，進行了數據采集終端統一數據模型的建立，實現了數據的有效統一接入和數據訪問接口的應用，形成了水雨雪災情信息庫。提高了獲取數據的效率和數據質量，從而為城市災害預警提供了數據支持和信息保障。
關鍵詞：水雨雪數據；數據采集終端統一數據模型；數據應用；災情信息庫
中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）05-00-03
0 引 言
物聯網通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按照相關約定協議，將物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1-3]。在物聯網中，因為數據的多源異構性，對物聯網數據的處理將成為重要技術之一。
近年來，城市暴雨積水、雪災等自然災害頻發，及時準確地獲取高質量的氣象數據，能夠為保障城市正常運行提供重要的數據支撐。目前利用雨量計、OTT Pluvio2雪量計和無線電子水尺，使用GPRS無線網路技術，依據監測設備傳感器的工作原理和監測數據的傳輸機制實現數據分組發送與接收。鑒于三種監測設備所采集的數據結構格式不同、信息量大且存在質量問題，增加了工作人員處理與分析的難度[4，5]。本文研究將三種數據進行統一接入和數據訪問接口的設計，最終以XML數據格式進行數據的交互，并對相關數據質量問題進行處理，實現了數據獲取的效率，保障了數據質量，使水雨雪數據在保障城市運行中更好的發揮作用。
XML即可擴展標志語言，是一種具有數據描述功能、高度結構性及可驗證性的置標語言，它可以用來標記數據、定義數據類型[6，7]。XML允許用戶自行定義標記和屬性，并且可以依照所定義的標記和屬性的語法來開發應用程序，通過標記來描述數據，因此，可以借助驗證規則來規范一個XML文件的內容和結構，便于數據的交互。
1 原始數據簡介
水雨雪三種物聯網監測設備，一般按照國家水情信息傳輸編碼標準進行數據包的發送，但為了實現水情信息的豐富性和保密性，各公司生產的儀器具有某些特殊編碼，為了實現信息全面、準確的解析，就必須全面掌握水雨雪三種數據包的數據結構和格式。GPRS數據在網絡傳輸過程中以數據包的形式進行傳輸，每個數據包都包含包頭文件和數據主體。
1.1 降雨數據格式
（1）報頭文件
@@15165335526IP：123.23.23.25##，@@是字符頭，15165335526IP為插入DTU中SIM卡號，IP：123.23.23.25為登陸后DTU的IP地址，##是結束符。
（2）雨量數據
6872726810000000002080CD21A000003021A100003021A200003021A400003021A300003050A5000000000000，6872726810000000002080CD為設備地址，21A00000為十分鐘雨量，21A10000為1小時雨量，21A20000為日雨量（晚八點清零），21A40000為24小時雨量，21A30000為一場雨的雨量。
1.2 積水數據格式
（1）報頭文件
01H011424210001111132003E02H，其中，01H01為中心站地址，為幀起始符，1424210001為遙測站地址，1111為密碼，32為功能碼，003E為報文上下行標識和長度，02H為報文起始符。
（2）正文
000113001075920ST_1424210001_P_TT_1301010759_Z_0.000_VT_3.65_03H9457，0001為流水號，13001075920為發報時間，ST為地址標識符，1424210001為遙測站地址，P為遙測站分類碼，TT為觀測時間標識符，13001010759為觀測時間，Z為順時水位標識符，0.000為順時水位，VT_3.65為電壓3.65 V。
（3）報尾
03H9457，其中，03H為報文結束符，9457為校驗碼。
1.3 降雪數據格式
（1）報頭文件
@@13831521356IP：123.23.23.25##，@@是字符頭，13831521356IP為插入DTU中SIM卡號，IP：123.23.23.25為登陸后DTU的IP地址，##是結束符。
（2）雪量數據
6872726810000000002080CD21A000003021A100003021A200003021A400003021A300003050A5000000000000，6872726810000000002080CD為設備地址，21A00000為十分鐘雪量，21A10000為1小時雪量，21A20000為日雪量（晚八點清零），21A40000為24小時雪量，21A30000為一場雪的雪量。
2 水雨雪數據統一模型設計與實現
2.1 水雨雪數據采集終端數據統一模型描述
傳感器與數據采集終端之間的信號類型種類繁多，接口呈現多樣化[8，9]，本文研究水雨雪三種物聯網設備的數據接入，只需考慮網絡接口（IP和端口），即可接入傳感器網絡，從而實現傳感器與服務器端的數據通信。
傳感器數據接口的基本用途在于解決數據接入的基本特征和應用屬性參數等規范化描述及標準的數據訪問接口。傳感器數據接口的基本特征參數包括版本號、身份標識、通道數等。應用屬性參數主要包括數據分類編號、站點信息、氣象數據值、觀測時間等。數據訪問接口主要以Web Services服務的網頁形式發布，并且統一利用XML數據格式進行數據交換，用戶只需根據定義好的XML數據格式解析即可。
水雨雪數據統一模型包括信號接口和數據接口兩部分，具體框架描述如圖1所示。
圖1 數據模型XML數據框架描述
2.2 水雨雪數據采集終端數據統一模型實現
水雨雪三種數據類別根據與傳感器的信號接口（端口號）進行分別。水雨雪三種傳感數據單位和精度有所不同，其中降雨和降雪的精度為0.1 mm，積水的精度為1 cm，將其值歸為一類時要將單位區分開。根據三種數據解析的有關內容和自定義的相關屬性，將數據格式按如下所示定義：
其中，節點marker（水雨雪的類別）根據信號接口（端口號）進行判斷，StationNo（站點編號）降雨和降雪根據SIM卡號進行編輯，積水根據遙測站地址進行編輯，StationName（站點名）和Address（站點地址）屬于自定義屬性，根據已知的StationNo進行匹配入座，DataTime（觀測時間）可根據各傳感器的發送時間直接獲取。
2.3 數據入庫表設計
根據數據庫表設計原則，結合業務相關需求分別設計實時和歷史（水雨雪）表兩種，利于相關數據的入庫。實時雨量表和歷史雨量表分別見表1和表2所列。
3 數據采集終端平臺的設計與應用
3.1 數據采集終端平臺設計
數據采集終端平臺的實現主要包括服務控制端、系統參數設置、幫助三部分。其中，服務控制端實現平臺軟件的啟動與關閉；參數設置端主要包括相關參數（IP、端口、設備發送數據間隔等）；幫助主要包括相關電池電壓、版本號等。具體實現界面如圖2和圖3所示。
3.2 水雨雪XML數據共享
水雨雪等氣象數據備受政府部門（防汛、應急等）關注，為了實現數據的最大利用率，現將水雨雪數據以Web Services服務的形式發布，數據格式統一為XML[10]。各相關部門根據自己的身份識別信息即可自行解析獲取數據。數據具體格式如圖4所示。
4 結 語
鑒于城市氣象監測數據的多樣性，要求我們必須對各類數據進行相關整合，數據統一模型的建立是關鍵。本文以北京市西城區水雨雪傳感器設備和相關網絡等為基礎，設計了水雨雪數據統一接入和訪問模型，建立了水雨雪災情信息庫，為西城區防汛（雪災）等提供了有效數據支持，為領導決策提供了保障。同時降雪監測設備應用于雨量監測又能大大提高資源利用率。在以后的建設中，可以擴展更多的氣象監測數據，提高整體使用效率。
參考文獻
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