基于無線網絡的物聯網數據傳輸質量監控系統設計

嚴 智，鄒鑫灝，潘 偉

（湖北中煙工業有限責任公司，湖北武漢 430030）

數據中心是物聯網數據流和數據存儲的重要組成部分，而信息中心的正常運作是保證互聯網高效傳輸的關鍵[1]。隨著網絡數據中心規模的不斷擴大，物聯網數據監控和管理面臨著更大的挑戰[2]。但是，目前物聯網數據傳輸質量監控都是基于傳輸環境進行的，不能滿足網絡數據中心統一處理的要求。在此基礎上，需要建立一個符合網絡數據中心統一處理要求的監控系統[3]。目前，已有采用傳感器網絡的物聯網數據傳輸質量監控系統，該系統通過傳感器采集物聯網數據，并與網絡數據中心統一處理機制相結合，在網絡上進行數據匯合處理，剔除不合格數據。然而，在不同的情況下，系統需要配置不同的傳感器來采集網絡節點，這一過程耗時較長，無法對不同環境下的物聯網數據進行實時監控；以協議轉換單元為基礎的物聯網數據傳輸質量監測系統，通過電力線耦合單元與物聯網連接的通信調制，實現協議轉換單元與物聯網之間的轉換和互聯，通過轉換接口采集物聯網數據，進而監控物聯網數據傳輸質量。然而，該系統缺少對超出預設正常范圍數據的判斷，導致監控精準度較低。基于上述問題，提出了基于無線網絡的物聯網數據傳輸質量監控系統的設計方案。

1 系統硬件結構設計

根據云計算思想，設計了系統的硬件結構，如圖1所示，在滿足無線網絡功能要求的前提下，實現服務器的主要功能[4]。以云計算終端取代操作站和管理員站的計算機，簡化操作站和管理員站的硬件設備，同時極大地提高了系統的安全可靠性，有利于擴大系統功能和規模[5]。

圖1 系統硬件結構

由圖1 可知，在以網絡為中心的接入網絡上使用已部署的探頭進行質量監測和服務模擬測試[6]。通過監控IP 網絡運行狀態，在發現網絡質量問題或網絡故障時，系統能及時預警，迅速準確地定位故障并及時處理，實現24 h 實時在線綜合監控[7-9]。有效監控視頻傳輸、網站服務可以為未來網絡中心業務的擴展和網絡擴展提供了數據優化支持，有助于減少平均恢復時間，降低成本[10]。

1.1 主控單元

主控單元負責采集終端監控單元上載的各種監測數據，數據可能是一定的開關量，如0 代表正常，1代表報警，也可能是部署到網絡數據中心的每個組件中的傳感器數據或某些智能終端監控單元的數據[11]。主控單元從網絡端接收控制指令，一方面完成網絡數據中心后期數據分析和操作參數挖掘工作，另一方面負責接收傳輸指令，并將該指令傳輸到管理控制器[12]。

主控單元結構框圖如圖2 所示。

圖2 主控單元結構框圖

供電模塊完成主電源的供電功能，內置溫濕度模塊可采集主控板溫度，精度為1 ℃，溫度區間為-40～+85 ℃[13]。

DDR 模塊作為主控單元的主存，又稱為SDRAM模塊，Flash 模塊是主控模塊。直徑256 m 的晶體振蕩器與外置石英晶體或諧振器連接，為主控單元提供基準時鐘信號[14]。地址標識模塊是一個6 位撥號開關，用于識別不同的主機。主機上的CANID 繼電器輸出裝置主要作為網絡數據中心的電子鎖[15]。RS485 模塊以通信接口實現數據收發器的功能。CAN 模塊主要連接由CAN 總線和傳感器網絡組成的輸入輸出單元，用于數據傳輸。SD 卡模塊主要用于數據的存儲和輸出。USB 模塊既能實現數據存儲，又能與藍牙等模塊相連，實現有線無線靈活組網。設置連接內網和外網的兩個以太網模塊，方便相關人員隨時查看網絡數據中心監控狀態[16]。

1.2 I/O單元

I∕O 單元負責實現數字信號輸入與輸出，其結構框圖如圖3 所示。

圖3 I∕O單元的結構框圖

由圖3 可知，I∕O 單元包括供電模塊、晶振模塊、異步收發模塊、CAN 模塊、數字輸入模塊等。STM32微控制器模塊的設計目標是用盡可能少的CPU 負載處理盡可能多的分組，同時支持分組的優先處理。監控系統的STM32 微控制器模塊包含了大量寄存器，分別為控制寄存器、狀態寄存器、配置寄存器等。這些工具可用于配置波特率、發送和接收消息以及處理接收到的消息等CAN 參數，同時負責各種CAN 中斷管理，獲取CAN 接收或發送錯誤處理過程中的重要診斷信息。

1.3 CAN總線

CAN 總線通過收發器接口芯片的兩個輸出端直接連接到物理總線，CAN 總線節點構成的硬件如圖4 所示。

圖4 CAN總線節點構成的硬件

由圖4 可知，針對CAN 總線節點的硬件設計采用了兩種不同的設計方案，一種是分別將各種獨立的CAN 控制器、CAN 收發器、MCU 控制器與數據總線相連。另一種是將帶有CAN 控制器的MCU 與CAN 收發器相結合，在主控臺配置一個局域網和一個收發器。上述方法開發的CAN 程序適用于獨立CAN 控制器，移植性好。

2 軟件部分設計

2.1 數據庫查詢

監控系統中軟件部分的登錄模塊主要負責認證用戶身份，實現用戶名與密碼的匹配，只有用戶名和密碼匹配的用戶才有權限進入系統。由此可知，數據庫查詢主要是查詢用戶名和密碼，詳細操作步驟為：

Step1：輸入開發板的IP地址，自動載入文件索引，HTML 是lighttpd 的根，是網絡數據中心的主界面。

Step2：當該頁面的基本元素被裝入后，將調用下載方法執行初始化操作。該方法負責執行某些初始化代碼，例如啟用登錄按鈕。

Step3：用戶直接在界面上輸入用戶名和密碼，單擊確定鍵后，觸發會話操作模塊，由此也建立一個安全會話框。在每個登錄過程中執行的所有操作可以被會話標識作為一個單元記錄。

Step4：該操作以JSON 格式將用戶名和密碼打包為數據，并使用POST 方法將其傳輸給服務器端CGI 程序。

Step5：輸入標準的CGI 程序，讀取相關數據，并使用正確表達式解析CreateSession 內容，由此確定用戶名和密碼數據。

Step6：調用對應的代碼，根據服務類型和參數進行匹配，匹配成功后返回成功狀態碼，匹配失敗返回錯誤狀態碼。

2.2 物聯網傳輸數據處理

針對監控系統受到噪聲干擾后出現異常數據的情況，需對數據進行抗干擾處理，利用平均算子對數據進行降噪處理。

基于無線網絡的濾波器模型為：

式（1）中，n為無線網絡下物聯網數據傳輸通道；Oi、Oj分別為濾波窗口中心點、濾波窗口拓撲數據；d(Oj)為濾波窗口拓撲數據對應的窗口灰度值；λij為降噪評價值，ηj為無線網絡尺度參數。

如果無線網絡中存在某個干擾數據，那么該數據在物聯網環境下進行數據傳輸時，使用自適應處理技術處理干擾數據所需的模型如式（2）所示：

式（2）中，t為處理干擾數據所需的時間；kα為待處理的數據；v為數據傳輸速度。通過式（2）能夠剔除異常數據，為數據傳輸質量監控提供精準數據。

2.3 監控流程設計

基于無線網絡的物聯網數據傳輸質量監控系統具有網絡報警、郵件報警和短信報警3 種報警模式。在上述3 種模式下，搭建包括一個狀態位status的數據庫，該狀態位中存在一個守護進程，以此掃描物聯網數據傳輸質量。如果數據庫狀態位status 正常，表明物聯網數據傳輸質量正常，反之，則不正常。以此為依據設計監控報警模塊實現流程，如圖5所示。

圖5 監控報警模塊流程圖

由圖5 可知，以數據庫狀態位status 為基礎判斷數據傳輸質量。當物聯網數據傳輸質量正常時，查看設備列表是否遍歷完畢，如果是，則執行空操作，反之，則需重新判斷status 值。如果status=1，則需調用過高提醒分發接口函數；如果status=2，則需調用過高報警分發接口函數。通過查看設備列表遍歷結果，執行相應操作，由此完成物聯網數據傳輸質量監控。

3 實 驗

3.1 實驗環境

以天津高速路網管理中心為研究對象進行實驗，該中心網主要分為專用局域網和外網兩種。其中，專用局域網核心交換機與公司局域網視頻網絡、數據網絡連接，實現視頻監控和數據傳輸的業務。天津高速濱灘還租用了聯通VPN 鏈路作為視頻和數據傳輸及網絡中心備用通道接入，作為網絡業務終端，實現視頻監控和數據傳輸的業務。外網服務采用路由器與運營商網絡對接方式，分別將外網核心交換機和內網核心交換機與一個外網服務器相連接，再由外網服務終端通過接入交換機和無線網絡進行連接。從各個分區到管理中心，需經過24 h 的實時在線物聯網數據傳輸質量監控。對外網服務時，需直接與運營商對接，以此保證物聯網數據傳輸具有較高質量。

3.2 實驗結果與分析

基于上述實驗環境，分別使用基于傳感器網絡、協議轉換單元和基于無線網絡的監控系統，對數據傳輸完整性進行對比分析，理想情況下，數據傳輸拆包時，拆解的數據包個數在0～50 個范圍內，拆包處理后剩余的數據包在0～2 個范圍內，以此為依據判斷數據傳輸質量。3 種系統數據傳輸拆包情況對比分析如圖6 所示。

圖6 3種系統數據傳輸拆包情況對比分析

由圖6可知，使用3種系統在數據傳輸拆包前，拆解的數據包個數均在0～50 個范圍內；而拆包處理后，使用基于傳感器網絡剩余的數據包個數在0～3.5 個范圍內，超出理想拆解數量范圍；使用協議轉換單元的包長在0～4.5 個范圍內，超出理想拆解數量范圍；使用基于無線網絡剩余的數據包個數在0～0.5 個范圍內，在理想拆解數量范圍內，說明使用該系統數據傳輸質量較高。

4 結束語

以無線網絡為基礎設計的互聯網數據傳輸質量監控系統，實現了網絡質量監測系統在線實時監測網絡服務質量，及時向工作人員提供異常數據，從而實現對物聯網數據采集和傳輸質量的分析。因此，此次設計的網絡數據傳輸質量監控系統不僅能實時監測網絡數據中心的運行狀況，而且能更科學地分析和管理傳輸數據。