可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

摘 要：文中研究了面向復雜環(huán)境感知的傳感器系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)，并提出了具體的系統(tǒng)實現(xiàn)方案。該論文的主要工作包括：提出了面向環(huán)境參數(shù)動態(tài)感知的任務(wù)需求，設(shè)計了“協(xié)議轉(zhuǎn)換單元+傳感器管理服務(wù)平臺”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，針對傳感器系統(tǒng)設(shè)備動態(tài)識別與驅(qū)動/設(shè)備加載、感知設(shè)備硬件接口優(yōu)化配置、感知數(shù)據(jù)解析與標準化轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)做出相應(yīng)解決方案，并基于這些技術(shù)研制了面向復雜環(huán)境感知的可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)，進行了詳細測試驗證。文中的研究成果有效提升了在突發(fā)情況下，面對復雜環(huán)境傳感器的部署效率，為研究具備動態(tài)適配、快速重構(gòu)典型特征的傳感器系統(tǒng)提供了理論支持和工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：復雜環(huán)境感知；傳感器系統(tǒng)；可重構(gòu)技術(shù)；多傳感器；協(xié)議轉(zhuǎn)換單元；傳感器管理服務(wù)平臺

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）06-00-06

0 引 言

自20世紀70年代美國首次建立了第一個水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)以來，各個國家都在大力研發(fā)、部署各種類型的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)：以信息化技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運用各類傳感器，實現(xiàn)對自然環(huán)境的探測、環(huán)境參數(shù)信息的實時傳輸，保障對作業(yè)時空信息的及時掌控。

進入21世紀之后，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能相關(guān)新興信息技術(shù)的快速發(fā)展及物聯(lián)網(wǎng)理論依據(jù)的涌現(xiàn)，各個國家都更加重視災難環(huán)境的提前預測和智能預警。特別的，在現(xiàn)代科技條件下，面對因意外因素引發(fā)的災難對環(huán)境參數(shù)探測、搜集提出了更高要求：環(huán)境參數(shù)傳感器系統(tǒng)需能夠快速適配環(huán)境探測需求，而面向復雜環(huán)境感知的傳感器系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)為實現(xiàn)該目標提供了技術(shù)支撐。

面向復雜環(huán)境感知的傳感器系統(tǒng)可重構(gòu)技術(shù)涉及相應(yīng)的分層模型、傳感器動態(tài)加載、傳感器優(yōu)化配置、接口協(xié)議轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)。對這些關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的分析有助于理清技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)、探究未來的演進方向。

1 可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)層次模型及體系架構(gòu)

1.1 層次模型的研究

綜合參考美國ORS計劃的SPA模型、物聯(lián)網(wǎng)層次模型及計算機網(wǎng)絡(luò)的OSI參考模型等典型層次模型，特別是PnP技術(shù)從軟件層面形成對接口驅(qū)動的統(tǒng)一規(guī)劃、以消息形式進行數(shù)據(jù)傳遞的設(shè)計思想[1]，項目通過采用協(xié)議轉(zhuǎn)換單元+傳感器管理服務(wù)平臺的方式解決傳感系統(tǒng)耦合度高的問題，同時也提升了傳感器的可擴展性。

根據(jù)復雜環(huán)境條件下對快速動態(tài)構(gòu)建環(huán)境狀態(tài)傳感系統(tǒng)的要求[2]，參考SPA、RSPA、SWE及物聯(lián)網(wǎng)層次模型提出基于多總線復用的三層可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)層次模型，如圖1所示。

數(shù)據(jù)從傳感器到上位機，其中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化與上傳主要由可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)，系統(tǒng)包含協(xié)議轉(zhuǎn)換單元以及傳感器管理服務(wù)平臺兩大部分。

感知層主要包含各類直接感知環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的傳感器，它們具有各異的物理接口、電氣接口以及通信協(xié)議等功能性能參數(shù)。為了方便接入系統(tǒng)，需要提前根據(jù)其通信協(xié)議對其物理接口做出相應(yīng)改造。

異構(gòu)數(shù)據(jù)與設(shè)備接入層主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成，實現(xiàn)統(tǒng)一的外部物理層接口、傳感器類型標識與自動識別、傳感器驅(qū)動適配與動態(tài)加載、異構(gòu)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)解析等。在傳感器首次連接轉(zhuǎn)換單元時需要通過傳感器管理服務(wù)平臺對轉(zhuǎn)換單元進行傳感器類型標定，以提升驅(qū)動加載的效率。圖2所示為協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的上報數(shù)據(jù)狀態(tài)機。

動態(tài)適配支撐層由傳感器管理服務(wù)平臺構(gòu)成，主要實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的接口歸一化、驅(qū)動、數(shù)據(jù)、交互命令的管理等功能。通過傳感器管理服務(wù)平臺向上與數(shù)據(jù)處理控制中心、向下與協(xié)議轉(zhuǎn)換單元通信，起到數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)集中、數(shù)據(jù)處理的樞紐作用。圖3所示為傳感器管理服務(wù)平臺接收數(shù)據(jù)狀態(tài)機。

應(yīng)用層主要包括數(shù)據(jù)存儲、回調(diào)、分析與展示、人機交互、系統(tǒng)管理等功能。

1.2 體系架構(gòu)的研究

參考歐洲航天局根據(jù)國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會制定的SOIS標準[3]，結(jié)合我國在總線架構(gòu)方面的設(shè)計思想，將各種傳感器協(xié)議轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一格式并通過以太網(wǎng)上傳至上位機。圖4所示為本課題設(shè)計的系統(tǒng)硬件資源架構(gòu)示意圖。

系統(tǒng)核心由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元MCU、以太網(wǎng)交換機以及傳感器管理服務(wù)平臺MCU組成。其中，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元MCU為協(xié)議轉(zhuǎn)換單元核心部件，以太網(wǎng)交換機以及主控MCU組成傳感器管理服務(wù)平臺核心部件。

擴展電路主要位于傳感器管理服務(wù)平臺，包括以太網(wǎng)交換接口電路、HDMI接口電路、USB HUB擴展電路、下載調(diào)試接口電路等。以太網(wǎng)交換接口主要負責傳感器管理服務(wù)平臺與上位機之間對數(shù)據(jù)訪問、驅(qū)動管理、系統(tǒng)升級等操作。HDMI接口電路與USB HUB擴展電路結(jié)合后外接屏幕、鍵盤、硬盤等設(shè)備，方便調(diào)試、維護等。下載調(diào)試接口主要用于對設(shè)備進行系統(tǒng)安裝、測試等相關(guān)操作。

從整體架構(gòu)來看，可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)基本統(tǒng)一了物理、電氣以及協(xié)議接口，現(xiàn)階段傳感器管理服務(wù)平臺設(shè)置了6個網(wǎng)口形式的數(shù)據(jù)輸入接口，最多支持6種協(xié)議形式的傳感器數(shù)據(jù)同時上傳。采用PoE供電的形式，由傳感器管理服務(wù)平臺對協(xié)議轉(zhuǎn)換單元以及傳感器供電。其中，對于傳感器的物理接口、電氣接口以及協(xié)議接口的統(tǒng)一以及傳感器數(shù)據(jù)上報由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元實現(xiàn)。

2 傳感器接口優(yōu)化配置策略研究

2.1 傳感器接口優(yōu)化技術(shù)研究

根據(jù)上述設(shè)計方案，傳感器接口優(yōu)化需要考慮物理接口、電氣接口以及協(xié)議接口三方面的接口優(yōu)化問題[4]。

2.1.1 物理接口

針對傳感器物理接口，需要對待轉(zhuǎn)換的傳感器進行物理接口改造，這里主要將CAN、RS 232、RS 485、USB以及網(wǎng)口五類傳感器的信號接口根據(jù)自定義接口標準改造為航空插頭形式的物理接口，具體接口標準見表1所列。

目前基于RJ 45網(wǎng)口類型的傳感器僅考慮百兆以太網(wǎng)，因此采用4芯航空接插件。后續(xù)若采用千兆以太網(wǎng)或需給傳感器供電，此處更改為8芯以太網(wǎng)即可。

供電引腳主要由傳感器自身決定，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元底板提供5 V、12 V供電電壓。

2.1.2 電氣接口

CAN、RS 232、RS 485、USB、RJ 45各自的電氣特性相差甚遠，具體的電氣指標及邏輯特性見表2所列。

針對以上5種協(xié)議的電氣接口特性，對每種協(xié)議的電路進行局部設(shè)計。

上面詳細討論了CAN、RS 232、RS 485、USB以及網(wǎng)口5種類型的傳感器在硬件層次電氣接口轉(zhuǎn)換的解決方案。下面將從軟件角度分析協(xié)議接口的轉(zhuǎn)換過程。

2.1.3 協(xié)議接口

協(xié)議接口的統(tǒng)一主要由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元完成，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將CAN、RS 232、RS 485、USB、TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的MQTT協(xié)議[5]，協(xié)議定義如下：

res={

\"state\"：\"1\"，

\"FN\"：\"0\"，

\"senderId\"：senderId，

\"reciverId\"：reciverId，

\"type\"：\"request\"，

\"order\"：order，

\"sign\"：\"None\"，

\"msg\"：\"success\"，

\"data\"：data}

標準協(xié)議以字典的形式存儲于轉(zhuǎn)換單元中，傳輸時通過MQTT協(xié)議轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的Json格式以消息的形式進行數(shù)據(jù)收發(fā)。其中，data為傳感器的探測感知數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

{\"DATA1\"：X1，

\"DATA2\"：X2，

…，

DATAn：Xn，

\"error\"：0/1}

2.2 傳感器接口適配技術(shù)研究

借鑒基于FPGA設(shè)計CAN協(xié)議適配卡方案[6]，本項目采用ARM主控芯片設(shè)計RJ 45適配接口。相對于FPGA設(shè)計方案而言，通過ARM芯片先轉(zhuǎn)換再采集的方式不僅避免了更換不同協(xié)議接口傳感器時需要重新為其分配總線結(jié)構(gòu)以及硬件資源的弊端。而且相比于FPGA設(shè)計方案，本方案增加了可轉(zhuǎn)換協(xié)議的種類、完善了錯誤檢測和故障界定等機制，以保障設(shè)備穩(wěn)定運行。

項目采用的ARM主控+MQTT協(xié)議的接口適配方案主要由異構(gòu)數(shù)據(jù)與設(shè)備接入層完成，包含以下兩部分功能：

（1）協(xié)議轉(zhuǎn)換單元主要實現(xiàn)傳感器接入與標識、傳感器驅(qū)動加載及環(huán)境狀態(tài)參數(shù)探測數(shù)據(jù)的采集與解析。項目設(shè)計實現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、CAN設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、RS 232設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、RS 485設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、USB設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元。協(xié)議轉(zhuǎn)換單元輸入輸出接口采用防水型航空接插件，同時配備指示燈指示傳感器通信狀態(tài)。

（2）傳感器管理服務(wù)平臺由核心處理單元、外部接口以及交換單元構(gòu)成。處理單元主要實現(xiàn)傳感設(shè)備驅(qū)動存儲、適配、更新以及對協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的驅(qū)動選擇、參數(shù)設(shè)定等。外部接口主要由PoE網(wǎng)口輸入、網(wǎng)口輸出電路、USB接口電路組成。交換單元主要由以太網(wǎng)交換機組成，實現(xiàn)以太網(wǎng)設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、CAN設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、

RS 232設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、RS 485設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元、USB設(shè)備協(xié)議轉(zhuǎn)換單元的數(shù)據(jù)通信。

2.3 傳感器接口拓展技術(shù)研究

FT311D接口芯片擴展協(xié)議接口方案可以將USB接口擴展為外部UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等硬件接口[7]，雖然可以有效解決設(shè)備硬件接口的擴展難題，但是在適配的協(xié)議類型上不夠全面。比如常用的USB協(xié)議、TCP/IP協(xié)議以及RS 485協(xié)議沒有得到相應(yīng)的適配。

因此，將接口擴展芯片替換為ARM處理芯片，在滿足UART、GPIO、PWM、I2C、SPI等協(xié)議接口的同時還支持USB協(xié)議、TCP/IP協(xié)議以及RS 485協(xié)議。按照要求，項目先期實現(xiàn)USB協(xié)議、RS 232協(xié)議、RS 485協(xié)議、CAN協(xié)議以及以太網(wǎng)協(xié)議，后續(xù)可以根據(jù)需要靈活擴展到I2C、SPI、UART等其他協(xié)議。其實現(xiàn)的前提為ARM芯片（本課題采用全志H3芯片）支持如USB、TCP/IP、串口、I2C等常用協(xié)議。根據(jù)這些協(xié)議設(shè)計硬件接口電路，接入傳感器。通過協(xié)議解析獲取傳感器數(shù)據(jù)后，對這些數(shù)據(jù)進行下一步處理。而對于RS 232、RS 485以及RS 422等串口協(xié)議，因芯片僅支持TTL形式的串口協(xié)議，所以需要利用電平轉(zhuǎn)換芯片進行電平轉(zhuǎn)換步驟，而對于全志H3不支持的CAN芯片，則需利用CAN轉(zhuǎn)串口協(xié)議模塊進行間接轉(zhuǎn)換。

采取此折中的方案，雖然成本上有所增加，但從通用性角度來看，基本上滿足了市面上大部分協(xié)議的需求，并且其軟件協(xié)議可根據(jù)需求自由定制，解決了不同廠家傳感器相同而協(xié)議存在差異的問題。

3 傳感器動態(tài)加載技術(shù)研究

3.1 傳感器自動識別技術(shù)研究

動態(tài)識別技術(shù)最具代表性的是操作系統(tǒng)以枚舉法來識別USB設(shè)備[8]，即讓HOST識別USB設(shè)備，并為其準備相應(yīng)資源來建立主機與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳遞機制。但使用枚舉法識別效率低，且僅僅能識別USB HID設(shè)備。

出于效率、穩(wěn)定性考慮，設(shè)備基于雙核心結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)換單元+傳感器管理服務(wù)平臺）采用主動上報的方式，各類型協(xié)議轉(zhuǎn)換單元上電后，進行各類資源的初始化，將設(shè)置的傳感器標識主動上報給傳感器管理服務(wù)平臺，等待傳感器管理服務(wù)平臺下發(fā)與識別碼相匹配的傳感器驅(qū)動后，轉(zhuǎn)換單元開始工作。

轉(zhuǎn)換單元向傳感器管理服務(wù)平臺發(fā)送握手指令，得到傳感器管理服務(wù)平臺的應(yīng)答信號后，轉(zhuǎn)換單元向傳感器管理服務(wù)平臺發(fā)送線纜類型，以便傳感器管理服務(wù)平臺存儲相關(guān)信息到結(jié)構(gòu)體中，待傳感器管理服務(wù)平臺回復應(yīng)答信號后，即完成轉(zhuǎn)換單元的動態(tài)識別部分[9]。

傳感器管理服務(wù)平臺上電啟動后基于6個轉(zhuǎn)換單元的IP地址建立相應(yīng)的MQTT鏈接，傳感器管理服務(wù)平臺通過解析轉(zhuǎn)換單元推送的自描述消息后，得到相應(yīng)接口的傳感器信

息[10]；同時傳感器管理服務(wù)平臺根據(jù)接口依次對轉(zhuǎn)換單元推送應(yīng)答消息，轉(zhuǎn)換單元訂閱到傳感器管理服務(wù)平臺推送的應(yīng)答消息即代表通信建立成功。傳感器管理服務(wù)平臺訂閱得到轉(zhuǎn)換單元的自描述信息存儲在結(jié)構(gòu)體變量中。

3.2 傳感器驅(qū)動動態(tài)加載技術(shù)研究

從整體上驅(qū)動動態(tài)加載流程如下：

首先，將相關(guān)傳感器驅(qū)動存儲于傳感器管理服務(wù)平臺的驅(qū)動文件夾內(nèi)，然后將帶有“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標識的轉(zhuǎn)換單元通過網(wǎng)口連接至傳感器管理服務(wù)平臺；傳感器管理服務(wù)平臺通過PoE網(wǎng)口為轉(zhuǎn)換單元供電，轉(zhuǎn)換單元上電啟動后，首先完成系統(tǒng)自檢，接著進行內(nèi)核初始化，然后啟動系統(tǒng)與協(xié)議轉(zhuǎn)換單元程序。之后，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元通過硬件自檢獲取傳感器協(xié)議類別信息，在獲得傳感器的類別后將獲取的傳感器協(xié)議類別信息與存儲的“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標識比對，檢測是否匹配，檢測結(jié)果將放入隨后上報的MQTT握手消息中。此過程同時完成了與傳感器管理服務(wù)平臺握手和“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標識上報。隨后傳感器管理服務(wù)平臺通過握手信息獲取傳感器型號與線纜協(xié)議類型，并將結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中。然后傳感器管理服務(wù)平臺根據(jù)“傳感器-協(xié)議轉(zhuǎn)換單元”標識從存儲的傳感器驅(qū)動中為協(xié)議轉(zhuǎn)換單元加載相應(yīng)驅(qū)動；最后協(xié)議轉(zhuǎn)換單元接收驅(qū)動，解壓并加載驅(qū)動即可完成驅(qū)動動態(tài)加載流程。

驅(qū)動動態(tài)加載狀態(tài)機如圖5所示。

4 軟件協(xié)議動態(tài)適配技術(shù)研究

4.1 傳感器接口協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

項目采用異構(gòu)數(shù)據(jù)定向轉(zhuǎn)換的方法來實現(xiàn)傳感器接口協(xié)議轉(zhuǎn)換，該方案在可靠性、穩(wěn)定性以及通用性方面都得到了大幅提升，但是其硬件復雜度、成本也相應(yīng)有所增加。與異構(gòu)數(shù)據(jù)不定向轉(zhuǎn)換相比，此舉大幅減少了傳感器驅(qū)動數(shù)量，便于管理傳感器驅(qū)動的同時也提高了驅(qū)動開發(fā)效率。

傳感器接口協(xié)議轉(zhuǎn)換方案選擇MQTT協(xié)議作為異構(gòu)數(shù)據(jù)定向轉(zhuǎn)換的協(xié)議，共分為以下4種接口協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)：

（1）串口協(xié)議（包含RS 232及RS 485）轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議；

（2）USB協(xié)議轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議；

（3）CAN協(xié)議轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議；

（4）以太網(wǎng)相關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)MQTT協(xié)議。

以上4種協(xié)議的轉(zhuǎn)換操作都由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元中的ARM主控芯片完成。

4.1.1 定制驅(qū)動

為傳感器設(shè)計相應(yīng)的驅(qū)動，此過程又分為兩種情況：

（1）主動上報型傳感器：主動上報類型傳感器的上報數(shù)據(jù)較為單一，其協(xié)議結(jié)構(gòu)也往往較為簡單。因此，這類傳感器的驅(qū)動只需先將傳感器主動上報的數(shù)據(jù)接收到協(xié)議轉(zhuǎn)換單元中，然后根據(jù)傳感器協(xié)議即可解析出具有物理含義的探測數(shù)據(jù)。

（2）被動查詢型傳感器：以ModBus為通信協(xié)議傳感器，其上報的往往是多種類型的復合數(shù)據(jù)，其協(xié)議構(gòu)成也較為復雜，包含查詢指令、修改參數(shù)指令以及恢復出廠設(shè)置等指令。針對這一類型的傳感器驅(qū)動，首先需要根據(jù)其通信協(xié)議為其制定專用操作指令，用于訪問、修改、初始化傳感器等操作；然后以輪詢的方式不斷獲取傳感器探測數(shù)據(jù)，之后將獲取的探測數(shù)據(jù)存儲于協(xié)議轉(zhuǎn)換單元；最后根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)語義定義解析出具有物理含義的探測數(shù)據(jù)。

4.1.2 數(shù)據(jù)采集

對于接入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換單元的傳感器，在定制驅(qū)動后協(xié)議轉(zhuǎn)換單元即可完成對傳感器數(shù)據(jù)的解析、采集，將目標數(shù)據(jù)存儲到轉(zhuǎn)換單元寄存器內(nèi)。數(shù)據(jù)采集包含以下3部分：

（1）數(shù)據(jù)校驗：對于傳感器上報的數(shù)據(jù)首先需要經(jīng)過數(shù)據(jù)校驗來避免數(shù)據(jù)受元器件質(zhì)量、電路故障或噪音干擾等因素的影響以及處理、傳輸、存儲過程中出現(xiàn)錯誤。當校驗未通過時，轉(zhuǎn)換單元將對傳感器重發(fā)采集指令。

（2）數(shù)據(jù)解析：對于采集的一幀數(shù)據(jù)往往包含幀頭、數(shù)據(jù)長度、指令信息、數(shù)據(jù)、校驗碼以及幀尾等信息，而數(shù)據(jù)解析就是在通過數(shù)據(jù)校驗后，根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)幀格式獲取傳感器上報的目標數(shù)據(jù)幀，然后通過計算將數(shù)據(jù)解析為具有實際物理含義的可用數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)存儲：得到具有實際物理含義的數(shù)據(jù)后，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元將這些數(shù)據(jù)存儲到FLASH內(nèi)存以便后續(xù)使用。

4.1.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換

協(xié)議轉(zhuǎn)換單元在得到傳感器數(shù)據(jù)后需要將數(shù)據(jù)以MQTT消息的方式上傳給傳感器管理服務(wù)平臺，此時需要將探測數(shù)據(jù)、傳感器協(xié)議類型、轉(zhuǎn)換單元MAC地址等填入MQTT協(xié)議字典的相應(yīng)鍵值內(nèi)以封裝成一個MQTT消息，然后通過MQTT協(xié)議上傳給傳感器管理服務(wù)平臺完成各傳感器協(xié)議對MQTT協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。具體流程如圖6所示。

4.2 感知數(shù)據(jù)解析與標準化轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

項目針對復雜環(huán)境下的特殊需求設(shè)計了一套基于Web端的桌面訪問控制平臺。Web端服務(wù)器主要負責采集數(shù)據(jù)的展示以及驅(qū)動管理。與現(xiàn)有Web端服務(wù)器參與數(shù)據(jù)處理的方案相比[11]，其優(yōu)勢在于：

（1）Web端服務(wù)器任務(wù)量小，運行效率高；

（2）數(shù)據(jù)解析在數(shù)據(jù)采集階段由協(xié)議轉(zhuǎn)換單元完成，以多異構(gòu)數(shù)據(jù)并行的方式進行，解析效率高；

（3）數(shù)據(jù)以消息的形式代替幀數(shù)據(jù)進行MQTT通信，解決了復雜度高的復合型傳感器數(shù)據(jù)接入效果不理想的問題。

數(shù)據(jù)傳輸延時方面，本次研究內(nèi)容針對小型、低速傳感器，在實時性上得益于百兆以太網(wǎng)以及MQTT協(xié)議可以實現(xiàn)毫秒級低延時。

在數(shù)據(jù)吞吐量方面，百兆以太網(wǎng)理論傳輸速度為12 800 KB/s，理論上每個協(xié)議轉(zhuǎn)換單元每秒可以傳輸2 133 KB，這對于小型傳感器數(shù)據(jù)而言，其吞吐量方面有足夠的冗余度。

數(shù)據(jù)協(xié)議標準化由自定的針對異構(gòu)數(shù)據(jù)可重構(gòu)MQTT通信協(xié)議標準決定，異構(gòu)數(shù)據(jù)可重構(gòu)MQTT通信協(xié)議標準規(guī)定了通信雙方的通信規(guī)則、內(nèi)容以及通信指令，根據(jù)標準生成一個標準化協(xié)議通信字典，最后將通信字典轉(zhuǎn)換為JSON標準格式進行MQTT消息的推送、訂閱。

5 結(jié) 語

文中總結(jié)了課題針對可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計方案及研究內(nèi)容，分別概述了本課題關(guān)于可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)層次模型及體系架構(gòu)設(shè)計、傳感器優(yōu)化配置策略研究、傳感器動態(tài)加載研究與實現(xiàn)以及軟件協(xié)議動態(tài)適配技術(shù)研究與實現(xiàn)。研究以硬件可行性、軟件可靠性為原則，以可重構(gòu)技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)方案為導向，完成了可重構(gòu)傳感器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。為接下來系統(tǒng)架構(gòu)、芯片選型、軟件平臺的搭建奠定了基礎(chǔ)。

注：本文通訊作者為張會兵。

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作者簡介：劉明政（1981—），男，高級工程師，研究方向為無人智能化裝備技術(shù)、裝備保障、模式識別等。

張盛煜（1997—），男，碩士研究生，研究方向為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)。

張會兵（1976—），男，博士，教授，研究方向為人工智能與大數(shù)據(jù)、社交網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域。