楊 帆，車現(xiàn)法，陳 波，孫建軍

(1.廣東省南粵交通云湛高速公路管理中心，廣州 510100；2.中國公路工程咨詢集團有限公司，北京 100070；3.廣東華咨圣泰科技有限公司，廣州 510530)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)在現(xiàn)代交通、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸、車聯(lián)網(wǎng)等方面的應(yīng)用越來越廣泛和深入，按照廣東省交通運輸行業(yè)建設(shè)目標，到2025年，基本形成數(shù)字化采集體系和網(wǎng)絡(luò)化傳輸體系。作為物聯(lián)網(wǎng)組成部分的傳感器，集數(shù)據(jù)采集、傳輸、融合分析等功能于一體，在物聯(lián)網(wǎng)體系中扮演著關(guān)鍵角色，其中數(shù)據(jù)傳輸控制是保證數(shù)據(jù)高效傳輸、有效獲取的關(guān)鍵。

傳感器網(wǎng)絡(luò)作為分布式系統(tǒng)，節(jié)點資源有限，包括有限的數(shù)據(jù)處理能力、有限的存儲空間和有限的數(shù)據(jù)帶寬。由于不同行業(yè)的應(yīng)用具有不同的特點，基于傳感器和遠程服務(wù)器之間應(yīng)用層通訊控制協(xié)議很難具有統(tǒng)一標準，這就給不同行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸控制帶來了較大的挑戰(zhàn)。

1 高速公路物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議現(xiàn)狀

高速公路機電系統(tǒng)(監(jiān)控系統(tǒng)、收費系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)等)由大量的機電設(shè)備構(gòu)成，及時、有效地獲取設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)，是建設(shè)數(shù)字化采集體系和網(wǎng)絡(luò)化傳輸體系的目標和要求。機電系統(tǒng)設(shè)備運行狀態(tài)具有其自身特點，表現(xiàn)為：運行狀態(tài)正?；驙顟B(tài)變化在允許范圍屬于常態(tài)化現(xiàn)象，而狀態(tài)異?；驙顟B(tài)變化超出允許范圍屬于極小概率事件，因此，狀態(tài)數(shù)據(jù)在長時間基本保持不變或微小變化，狀態(tài)數(shù)據(jù)冗余度很大。

高速公路機電設(shè)備運行狀態(tài)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的傳輸控制普遍采用以下兩種模式，一種是傳感器作為客戶端，主動周期性獲取數(shù)據(jù)上傳遠程服務(wù)器端；另外一種是傳感器作為服務(wù)器端，接收遠程或本地客戶端查詢并進行數(shù)據(jù)反饋。這兩種模式存在共同的特點，傳感器無論作為客戶端或服務(wù)器端，利用底層傳輸協(xié)議(如TCP、UDP或GPRS等)上傳數(shù)據(jù)，其應(yīng)用層不進行傳輸控制，即所謂的透明傳輸，應(yīng)用層傳輸控制均交由上位機進行。采用以上兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，雖然傳感器運行負荷大大減小，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂?、處理、存儲等交由上位機進行，勢必會造成以下問題的出現(xiàn)：

(1)有悖于分布式系統(tǒng)策略，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點運行負荷不均衡，系統(tǒng)穩(wěn)定性存在潛在隱患。

(2)加重了上位機運行負荷，對其軟硬件性能提出了更高要求。

(3)在傳感器節(jié)點軟硬件性能較大提高的情況下，沒有充分挖掘和利用其資源，是對資源的浪費。

(4)固定周期數(shù)據(jù)查詢，難以兼顧既要能夠及時獲取異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，又要減少數(shù)據(jù)冗余度。

2 高速公路物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議方案

基于分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)策略，利用傳感器節(jié)點軟件件資源，在充分研究高速公路防雷設(shè)備運行狀態(tài)特點的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于UDP/IP協(xié)議的應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議，較好地解決了當前高速公路普遍采用的數(shù)據(jù)傳輸模式帶來的諸多問題，即兼顧及時獲取異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，又大大降低了數(shù)據(jù)冗余度，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點運行負荷更加均衡，系統(tǒng)性能顯著提高。

2.1 協(xié)議要點

將數(shù)據(jù)輪詢、分析判斷功能前移致傳感器，減小輪詢周期，以保障異常狀態(tài)數(shù)據(jù)及時獲取。異常狀態(tài)數(shù)據(jù)在一個輪詢周期內(nèi)能夠及時獲取并上傳，而相鄰2個周期狀態(tài)數(shù)據(jù)未變化或狀態(tài)數(shù)據(jù)變化在允許范圍內(nèi)的，可以不進行上傳，即所謂“及時上傳”和“定時上傳”機制。

及時上傳：傳感器依照輪詢周期進行數(shù)據(jù)查詢，當本次狀態(tài)數(shù)據(jù)與前次發(fā)生變化或超出閾值，則立即上傳；數(shù)據(jù)未變化或未超出閾值，不上傳。

定時上傳：在定時上傳時間，無論數(shù)據(jù)是否變化都須上傳。

2.2 協(xié)議說明

2.2.1 協(xié)議初始化

傳感器運行參數(shù)(輪詢周期、定時上傳周期、數(shù)據(jù)判斷門限等)由服務(wù)器端配置，傳感器啟動運行連接服務(wù)器，服務(wù)器下發(fā)傳感器配置信息(參見2.2.3節(jié))。

(1)若傳感器未收到配置信息，則以“延遲重發(fā)周期”循環(huán)發(fā)送“請求配置信息”，直至獲取到配置信息。

(2)若傳感器收到服務(wù)器下發(fā)的“無配置信息”(參見2.2.6節(jié))，傳感器停止數(shù)據(jù)查詢，依照(1)進行。

圖1 協(xié)議初始化

2.2.2 協(xié)議實現(xiàn)

(1)傳感器首次數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)本地保存，并上傳服務(wù)器。

(2)傳感器依照“輪詢周期”查詢數(shù)據(jù)。

開關(guān)量查詢：若前后兩次數(shù)據(jù)有變化，則上傳，否則不上傳，本地保存。

模擬量查詢：若任意一路模擬量數(shù)據(jù)超出門限值，則上傳，否則不上傳，本地保存。

開關(guān)量和模擬量查詢：判斷開關(guān)量是否有變化，有變化則上傳；若無變化，判斷任意一路模擬量數(shù)據(jù)是否超出門限值，若超出則上傳，否則不上傳，本地保存。

(3)“定時上傳”時不進行數(shù)據(jù)判斷，數(shù)據(jù)直接上傳，并本地保存。

(4)若查詢數(shù)據(jù)，采集器未反饋，則清除本地數(shù)據(jù)，不上傳數(shù)據(jù)，依照步驟(1)進行。

(5)網(wǎng)關(guān)解析配置信息成功后，上傳“解析成功”數(shù)據(jù)包，依照最新配置信息運行；網(wǎng)關(guān)解析配置信息失敗后，上傳“解析失敗”數(shù)據(jù)包，繼續(xù)依照前次配置信息運行。

(6)服務(wù)器在運行過程中會主動下發(fā)配置信息，網(wǎng)關(guān)接收到下發(fā)的配置信息后，覆蓋原配置信息，然后依照步驟(1)進行。

圖2 協(xié)議實現(xiàn)

2.2.3配置信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

報頭輪詢周期定時周期門限1門限2門限3心跳周期重發(fā)周期數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)報尾1Byte2Byte2Byte1Byte1Byte1Byte1Byte1Byte2ByteNByte1ByteF2xx xxxx xxxxxxxxxxxxxx xxxx ……DD

報頭標識：0xF2，長度1字節(jié)。

輪詢周期：傳感器數(shù)據(jù)查詢時間周期，長度2字節(jié)。

定時周期：傳感器固定數(shù)據(jù)查詢并上傳周期，長度2字節(jié)。

門限1、門限2、門限3：模擬量及時上傳數(shù)值門限，長度1字節(jié)。

重發(fā)周期：傳感器未收到配置信息，重新發(fā)送“請求配置信息”時間周期，長度1字節(jié)。

數(shù)據(jù)長度：數(shù)據(jù)段字節(jié)數(shù)量，長度2字節(jié)。

報尾標識：0xDD，長度1字節(jié)。

2.2.4 狀態(tài)信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

報頭模塊地址數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)報尾1Byte2Byte1byteNByte1ByteFFxx xxxxxx xx ……DD

報頭標識：0xFF，長度1字節(jié)。

模塊地址：傳感器模塊標識，系統(tǒng)范圍內(nèi)數(shù)值唯一，長度2字節(jié)。

數(shù)據(jù)長度：數(shù)據(jù)段字節(jié)數(shù)量，長度1字節(jié)。

報尾標識：0xDD，長度1字節(jié)。

2.2.5 申請配置信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

報頭模塊地址報尾1Byte2Byte1ByteF1xx xxDD

報頭標識：0xF1，長度1字節(jié)。

模塊地址：傳感器模塊標識，系統(tǒng)范圍內(nèi)數(shù)值唯一，長度2字節(jié)。

報尾標識：0xDD，長度1字節(jié)。

2.2.6 無配置信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

報頭模塊地址標識報尾1Byte2Byte1Byte1ByteF2xx xxEEDD

報頭標識：0xF1，長度1字節(jié)。

模塊地址：傳感器模塊標識，系統(tǒng)范圍內(nèi)數(shù)值唯一，長度2字節(jié)。

標識：固定“EE”，表示該傳感器模塊無配置信息。

報尾標識：0xDD，長度1字節(jié)。

2.2.7 配置信息解析成功數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

報頭數(shù)據(jù)報尾1Byte(N)·Byte1ByteFA配置信息去除報頭(F2)和報尾(DD)DD

報頭標識：0xFA，長度1字節(jié)。

數(shù)據(jù)：配置信息去除報頭(F2)和報尾(DD)后的數(shù)據(jù)。

報尾標識：0xDD，長度1字節(jié)。

2.2.8 配置信息解析失敗數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

報頭數(shù)據(jù)報尾1Byte(N)·Byte1ByteFB配置信息去除報頭(F2)和報尾(DD)DD

報頭標識：0xFB，長度1字節(jié)。

數(shù)據(jù)：配置信息去除報頭(F2)和報尾(DD)后的數(shù)據(jù)。

報尾標識：0xDD，長度1字節(jié)。

3 結(jié)語

針對高速公路防雷設(shè)備運行特點，在研究當前機電狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸控制模式的基礎(chǔ)上，充分利用傳感器軟件資源，提出了一種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議。該協(xié)議已在云湛高速公路防雷監(jiān)測系統(tǒng)等多個項目得到實踐應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明，該協(xié)議既均衡了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負荷，又兼顧了數(shù)據(jù)及時獲取和數(shù)據(jù)冗余度問題，使系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性得到較大提高，達到了應(yīng)用要求。