基于交互地圖的傳感器監控方法研究

林鎧，徐軻，李耀輝，焦東來

（南京郵電大學地理與生物信息學院，南京210023）

0 引言

設備管理是企業、工廠、農業管理中的一個重要領域，加強設備管理對于保證工作的順利進行，提高工作效率有著十分重要的意義。由于地圖能將設備信息通過符號直觀地表現出來，其在設備管理方面具有很大優勢。目前地圖在設備管理中的應用越來越廣泛，例如，路燈管理系統[1]、古樹名木GIS 管理系統[2]、城市交通GIS 管理系統[3]等，上海大學的項金靈等人也將地圖應用于校園設備的管理[4]。

移動互聯網時代已經開始，各種領域都開始慢慢地滲入互聯網技術進行特定功能的拓展開發，地圖也逐步運用互聯網技術進行傳感器等設備的管理。傳感器帶有空間位置，互聯網可以使用傳感器獲取數據，兩者的相互需求使得基于交互地圖的傳感器設備管理方法的應用越來越普及，Wunder[5]和Cordova-Lopez[6]分別使用交互地圖進行農業生產監視傳感器和大氣污染檢測傳感器的管理。

現階段，各種GIS 系統中都需要進行傳感器設備的數據傳輸，并實時控制傳感器設備的工作狀態，而目前的交互地圖還無法滿足上述要求。因此，本文在總結前人研究成果的基礎上，使用MINA 框架作為基于交互地圖的傳感器設備監控方法的通信框架，在數據交互的過程中使用Redis 數據庫暫存數據，通過Web-Socket 協議互換Socket 和WebSocket 格式的數據，將WebSocket 數據發送至交互地圖端進行傳感器數據的可視化顯示，Socket 數據發送至傳感器端控制傳感器的工作狀態。該方法的設計思路以期對后續的研究有一定的啟發意義。

1 相關技術

基于交互地圖的監控方法需要滿足以下幾點要求：高速穩定地傳輸傳感器的海量數據；實時不間斷地監控傳感器的工作狀態；允許多個用戶同時接入并同時管理多個傳感器設備等。因此，針對基于交互地圖的監控方法對穩定性、實時性和多線程性的需求，本文選取MINA 框架、Redis 數據庫和WebSocket 協議這三項技術來進行監控方法的設計。

1.1 MINA框架

MINA（Multipurpose Infrastructure for Network Applications）是Apache 軟件組織開發的一個可用于開發高性能和高可用性網絡應用程序的基礎框架[7]。MINA框架分為5 個部分[8]：IoService 負責在線程上創立套接字并監聽是否有連接被建立；IoFilterChain 接收由IoService 轉化的事件；如果建立了連接，IoFilter 會定義一組攔截器，調用Encoder 和Decoder 方法解碼或編碼數據，并把處理后的數據交給IoHandler；IoHandler 負責業務邏輯實現，核心功能是接收和發送數據；IoSession 負責用戶定義屬性與應用數據之間的聯系。

由于MINA 框架具有多線程特性，可以同時監聽多個不同位置的傳感器的消息請求，既不會造成系統擁擠，也不會浪費資源，并且在進行大批量數據傳輸的同時，還能保持較高的通信速度。所以選擇MINA 框架作為基于交互地圖的傳感器監控方法中的通信框架，可以同時處理多個傳感器的數據，減少數據發送的延遲。

1.2 Redis數據庫

Redis（Remote Dictionary Server）是NoSQL 數據庫中使用廣泛的非關系內存數據庫，它的內部形式是Key-Value 鍵值對存儲結構。相較于傳統DB 數據庫而言，Redis 作為一個內存數據庫，讀寫數據的時候不會受到硬盤I/O 速度的限制，具有對數據高并發讀寫和高效率存儲訪問的性能[9]。

基于交互地圖的傳感器監控方法中，轉發的數據量和連接的用戶數眾多，且交互地圖在實時性方面需求較高，傳統關系型數據庫已經不能滿足海量數據轉發的要求。選取Redis 作為傳感器監控方法的緩存數據庫，可以暫存交互地圖服務器和傳感器設備之間轉發的海量信息，緩解數據傳輸的壓力，對提高整個系統的性能起到了關鍵性的作用。同時Redis 會周期性地把更新的數據寫入追加的記錄文件中，很好地實現了實時監控傳感器的功能。

1.3 WebSocket協議

WebSocket 協議是由HTML5 提供的一種基于TCP的持久化協議，是為了解決持久性連接和資源浪費等問題而開發的一種新協議[10]。WebSocket 協議與傳統的輪詢方式相比，響應更加及時，可以在一段時間內保證服務端與客戶端之間的數據實時同步；網絡帶寬占用少，WebSocket 只在服務端數據變化時才會發出通知消息；WebSocket 服務端只需要保持與每一個客戶端連接即可，能夠節省很多開銷；并且WebSocket 協議中，服務端不需要等待客戶端的消息請求，就可以直接推送數據給客戶端，可以給用戶帶來良好的實時性體驗[11-12]。由于交互地圖為網頁服務端，使用Socket協議無法完成數據的轉發，因此，特選取WebSocket 協議實現網頁服務端的數據轉發。

2 總體設計

2.1 基于交互地圖的傳感器監控方法系統框架

基于交互地圖的傳感器設備監控方法由四個層次構成（圖1），數據層、傳輸層、服務層、應用層。

圖1 基于交互地圖的傳感器監控方法系統框架

數據層完成傳感器的數據采集工作，控制傳感器數據采集模塊定時采集數據；

傳輸層分為兩層，一層可以通過數據傳輸模塊實現Socket 數據在傳感器與面向傳感器的MINA 數據轉發框架之間的交換，另外一層可以實現WebSocket 數據在交互地圖與面向交互地圖的MINA 數據轉發框架之間的交換。

服務層為兩個MINA 數據轉發框架，面向傳感器的MINA 數據轉發框架可完成兩項工作：監聽傳感器的發送的數據，發送交互地圖的鼠標點擊事件，且可以對這兩種數據進行編解碼。面向交互地圖的MINA 數據轉發框架的功能為：監聽交互地圖的鼠標點擊事件，發送傳感器的數據至交互地圖，并進行Socket 數據和WebSocket 數據的互相轉換。

本研究對喜遼妥與常規護理對PICC置管患兒發生機械性靜脈炎預防效果進行了對比分析，結果表明：治療組機械性靜脈炎的發生率低于對照組(P<0.05)，嚴重程度小于對照組(P<0.01)，此結果與李智英等[7]研究結果一致；治療組機械性靜脈炎的發生時間晚于對照組(P<0.01)，對比兩組患兒其他早期并發癥的發生率比較差異無統計學意義(P>0.05)，由此說明喜遼妥可有效延緩預防機械性靜脈炎。

應用層為交互地圖用戶界面，該界面通過JavaScript 編寫了一套映射規則，對傳感器進行可視化顯示。用戶在交互地圖用戶界面，可通過點擊傳感器符號，遠程控制傳感器工作狀態。

2.2 基于交互地圖的傳感器監控方法實現流程

在基于交互地圖的傳感器監控方法實現流程中（圖2），數據的傳輸有兩個流向。

圖2 基于MINA框架的監控方法實現流程

在采集數據的過程中，傳感器端的數據采集模塊會定時采集數據并通過數據傳輸模塊發送至面向傳感器的MINA 數據轉發框架。面向傳感器的MINA 數據轉發框架由于其多線程性，在其監聽到傳感器的建立請求命令后，立刻監聽傳感器數據，并將數據發布（publish）到Redis 數據庫。傳感器數據會暫存于Redis數據庫。面向交互地圖的MINA 數據轉發框架將訂閱（subscribe）Redis 數據庫中的數據，并使用WebSocket協議將Socket 數據包裝為WebSocket 數據，發送至交互地圖。交互地圖前端使用JavaScript 編寫了一套完整的映射規則，根據傳輸信息的不同，以相應的Scalable Vector Graphics（SVG）符號表示傳感器狀態，實現傳感器數據的可視化顯示。

在控制傳感器工作狀態的過程中，用戶在交互地圖界面通過點擊傳感器圖標，可以產生鼠標點擊事件，這個命令以WebSocket 格式發送至面向交互地圖的MINA 數據轉發框架。面向交互地圖的MINA 數據轉發框架監聽到數據后，將其轉換為Socket 數據發布到Redis 數據庫。面向傳感器的MINA 數據轉發框架訂閱數據，并反饋給傳感器，控制傳感器的工作狀態。

3 詳細設計

3.1 基于訂閱發布的數據轉發機制

基于交互地圖的傳感器監控方法中傳輸的數據分為兩種格式：Socket 和WebSocket。MINA 服務器和傳感器之間傳輸的是Socket 數據，而交互地圖和MINA服務器之間傳輸的是WebSocket 數據，所以必須要有兩套編解碼方式。為了連接兩種編解碼方式，本文選取Redis 數據庫，使用其特有的訂閱和發布功能，將兩種數據存儲在緩存數據庫中，再使用WebSocket 協議進行數據轉換，以此建立傳感器設備和交互地圖網頁的數據傳輸通道。

3.2 交互地圖端的設計

GeoServer 是目前較為流行的地圖服務發布工具，其地圖服務發布滿足OGC 規范[13]，因此被廣泛的用于WebGIS 系統。GeoServer 可以將空間數據發布成JPG、SVG、GML、KML 等格式的地圖數據，由于SVG 能夠較好地支持JavaScript，所以本研究采用GeoServer 發布的SVG 格式的地圖數據作為交互地圖的底圖。每個傳感器抽象成SVG 圖形塊（Block）與底圖疊加顯示，不同的傳感器數據對應不同的圖標（SVG 圖形塊），其中，使用矩形代表傳感器的主板部分，天線代表傳感器的數據采集和傳輸模塊。該對應關系通過映射規則的方式描述。例如，當接收到的傳感器溫度數據小于25℃時，生成的傳感器SVG 符號輪廓為黑色；溫度大于25℃時，其輪廓為紅色。傳感器數據傳輸至交互地圖后，GeoServer 服務端會根據映射規則，設計出相應的SVG 符號，JavaScript 編寫的網頁腳本可以獲取該SVG符號的ID，替換當前交互地圖上的SVG，達到實時更新傳感器SVG 符號的效果。

交互地圖端具有響應用戶操作的功能。當用戶通過鼠標點擊傳感器SVG 符號時，SVG 符號會響應鼠標點擊事件，生成控制（開啟或關閉）命令，發送至傳感器端控制其工作狀態。接受到“開啟”命令時，傳感器端的傳感器開始采集數據，交互地圖端傳感器SVG 符號主板部分（傳感器符號中的矩形）替換為白色；接受到“關閉”命令時，傳感器端的傳感器停止采集數據，交互地圖端傳感器SVG 符號主板部分替換為黑色。

4 測試與分析

本文以南京市玄武區為實驗區，進一步驗證基于交互地圖的傳感器監控方法的可行性和映射規則的準確性。我們分別在研究區的不同位置放置了8 個傳感器，每個傳感器的dht11 模塊每隔1h 采集一次數據，并將數據通過esp8266Wifi 模塊發送至面向傳感器的MINA 數據轉發框架。本次實驗僅觀察3 個傳感器所監視的地區在交互地圖上的變化情況（圖3），共采集7時-18 時的12 組數據（表1）來驗證傳感器符號的狀態變化與測試數據的映射情況。

7-10 時及14 時-18 時，傳感器采集到的溫度低于26℃，傳感器SVG 的輪廓為黑色；11 時-12 時，傳感器采集到的溫度高于26℃，傳感器SVG 的輪廓為紅色（圖4）。

12 時45 分，點擊交互地圖上的傳感器圖標，產生“關閉”命令，傳感器停止采集數據。13 時，交互地圖后端沒有接收到溫度信息，且交互地圖上的傳感器SVG主板顏色被替換為黑色（圖5）。13 時45 分，再次點擊交互地圖上的傳感器圖標，開啟傳感器。14 時，交互地圖上的傳感器主板恢復為白色，并且，交互地圖后端重新接收到溫度信息。

圖3 初始交互地圖界面圖

圖4 傳感器溫度發生變化

圖5 傳感器關閉

通過實驗證明：交互地圖會根據傳感器實時發送的溫度信息，相應地改變傳感器符號輪廓的填充顏色，反映監視地區溫度的高低變化。用戶可以在交互地圖網頁上通過點擊傳感器符號，達到對傳感器設備進行遠程控制的功能。

5 結語

本文研究了在地圖上進行數據交互的方法，并在數據的交互過程中實現傳感器設備的監控。為了滿足設備監控對穩定性、實時性和多線程性的需求，我們設計了相應的方法，通過Redis 的訂閱和發布功能建立Socket 和WebSocket 的數據傳輸通道，實現了在交互地圖上監控傳感器設備的功能。這種方法為遠程設備的監控與維護提供了一個直觀方便、經濟有效的手段。維護人員可以通過交互地圖了解到傳感器設備的狀態，快速確定傳感器設備的位置，對傳感器設備產生的故障進行初步排查，實現快速、高效、準確的維護工作。但該方法尚存在一些不足，例如用戶權限問題，所有用戶均可以在交互地圖界面中控制傳感器工作狀態。可是在實際應用中，傳感器的控制具有很嚴格的要求。因此，給傳感器的控制加上管理員權限，成為我們未來的改進方向。