劉 杰 常興山 孫 鋒 石 好 周建輝

(1.武漢理工大學船海與能源動力工程學院 湖北武漢 430063；2.中國艦船研究設計中心 湖北武漢 430064)

油液分析在船舶動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷中得到廣泛的應用[1]，通過油液分析儀器獲取相關檢測樣品的分析數(shù)據(jù)是油液分析的基礎。油液分析儀器按數(shù)據(jù)接口和控制方法可以分為接口型儀器和自帶計算機類儀器。接口型儀器的接口主要包括RS232/RS485等串行傳輸接口、網(wǎng)絡接口、USB接口等類型；自帶計算機類儀器是指油液分析儀器設備硬件和軟件系統(tǒng)集成在一起。為了將油液分析儀器數(shù)據(jù)進行采集和傳輸，對于接口型儀器多采用串口協(xié)議轉(zhuǎn)換、設備聯(lián)網(wǎng)等方式。如劉杰等人[2]針對油液監(jiān)測等儀器構(gòu)建基于協(xié)議轉(zhuǎn)換的設備聯(lián)網(wǎng)方案，實現(xiàn)對儀器數(shù)據(jù)集中管理和設備監(jiān)控；唐勇等人[3]利用NPort 5110系列的串口設備服務器實現(xiàn)對顆粒計數(shù)器自動測控和數(shù)據(jù)傳輸。而自帶計算機儀器則通過配置化方法、文件內(nèi)容解析方法等實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸。如劉杰等人[4]提出基于配置信息方法，實現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)的來源格式變動、數(shù)據(jù)的精度位數(shù)調(diào)整等情況下的自動適配采集數(shù)據(jù)；吳煒等人[5]根據(jù)浮點數(shù)與英文字母在儀器數(shù)據(jù)文件中的存儲特征，利用API函數(shù)等實現(xiàn)從儀器數(shù)據(jù)文件中自動獲取需要的數(shù)據(jù)信息。

上述方案多是針對簡單的文本類型分析數(shù)據(jù)采集、傳輸與集成，且只能采集當前檢測樣品的分析數(shù)據(jù)內(nèi)容，缺乏對油液分析儀器歷史數(shù)據(jù)、其他輔助性文件等復雜數(shù)據(jù)內(nèi)容的采集與傳輸處理方法；且對于涉密場景下的油液分析儀器采用現(xiàn)有方案存在一定信息安全問題；同時，現(xiàn)有解決方法還未形成平臺化的解決方法，需要大量的定向開發(fā)。而二維碼因其具有數(shù)據(jù)密度高、編解碼速度快、無附加協(xié)議、獨立于操作系統(tǒng)和應用環(huán)境等特征，使其成為一種安全、高效的信息傳輸方式[6-7]，且滿足涉密信息安全傳輸所要求的中斷直接連接、不依賴通用傳輸協(xié)議、僅支持原始數(shù)據(jù)交互等條件[8]。二維碼的研究在身份信息標示[9]、物品朔源[10]等多個領域得到了廣泛應用，研究人員利用二維碼進行數(shù)據(jù)交換，取得了一些典型的研究成果。如韓林等人[11]提出使用二維碼來解決內(nèi)外網(wǎng)物理隔離環(huán)境下的數(shù)據(jù)交換；陶孫杰和余濤[12]基于二維碼技術構(gòu)建了面向涉密場景的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)涉密與非涉密信息系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)雙向傳輸；WANG等[13]提出將二維碼隱藏在視頻中用以傳輸大信息量數(shù)據(jù)并驗證了其可行性。大量應用證明二維碼進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣萚14-15]與可靠性[16-18]滿足工程需要。

本文作者針對目前油液分析儀器數(shù)據(jù)采集和傳輸方案所存在的問題，構(gòu)建基于二維碼的油液分析儀器數(shù)據(jù)采集與傳輸方法，實現(xiàn)油液分析儀器復雜數(shù)據(jù)內(nèi)容的采集與傳輸，同時支持涉密場景下的應用。該方法利用操作系統(tǒng)API函數(shù)、Hook等技術，應用平臺化的理念開發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端程序，通過所開發(fā)的程序與油液分析儀器原有軟件相互協(xié)作，完成油液分析儀器數(shù)據(jù)采集并進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、壓縮、加密、切片、編排等預處理操作；然后對預處理后的數(shù)據(jù)信息進行二維碼編碼，生成分析數(shù)據(jù)二維碼以承載數(shù)據(jù)，由二維碼掃描器和數(shù)據(jù)接收端程序?qū)崿F(xiàn)分析數(shù)據(jù)傳輸。通過一套整體性的基于二維碼的油液分析儀器數(shù)據(jù)采集與傳輸解決方法，為油液分析儀器數(shù)據(jù)采集與安全傳輸提供新的方案。

1 方法模型

基于二維碼的油液分析儀器數(shù)據(jù)采集與傳輸方法，使用二維碼圖像作為分析數(shù)據(jù)的編碼和承載方式，通過二維碼圖像編碼、掃描與解碼實現(xiàn)分析數(shù)據(jù)的采集與傳輸。該方法模型由數(shù)據(jù)發(fā)送端、拍攝掃描和數(shù)據(jù)接收端3部分組成，如圖1所示。

圖1 基于二維碼的油液分析儀器數(shù)據(jù)采集與傳輸方法模型

圖1中，數(shù)據(jù)發(fā)送端由油液分析儀器硬件設備和操作系統(tǒng)軟件、油液分析專業(yè)軟件和數(shù)據(jù)發(fā)送端程序(即儀器端軟件)構(gòu)成，可完成數(shù)據(jù)采集、自定義預處理和二維碼編碼等工作。其中對于串口型儀器，數(shù)據(jù)發(fā)送端程序安裝在與油液分析儀器通過串口相連接的計算機操作系統(tǒng)中，而對于自帶計算機儀器，數(shù)據(jù)發(fā)送端程序則直接安裝在儀器自帶的計算機操作系統(tǒng)中。拍攝掃描設備由二維碼掃描器或攝像頭構(gòu)成，完成對監(jiān)測數(shù)據(jù)二維碼圖像的采集，并傳輸至數(shù)據(jù)接收端。數(shù)據(jù)接收端程序(即接收端軟件)完成二維碼譯碼、數(shù)據(jù)分析處理等操作。數(shù)據(jù)接收端包括工作站、計算機、智能手機等設備及相應的數(shù)據(jù)接收端程序。此外，二維碼掃碼器可以集成到數(shù)據(jù)接收端，如智能手機作為數(shù)據(jù)接收端時，可以通過調(diào)用智能手機的攝像頭完成油液分析儀器數(shù)據(jù)二維碼的拍攝掃描工作。

2 方案設計與關鍵技術

2.1 方案設計

采用二維碼作為數(shù)據(jù)的承載方式，實現(xiàn)通過光學圖像完成油液分析儀器數(shù)據(jù)采集與傳輸，其流程可劃分為數(shù)據(jù)準備、二維碼編碼、圖像掃描、二維碼解碼、數(shù)據(jù)接收5個階段。其中，數(shù)據(jù)準備階段通過對油液分析儀器數(shù)據(jù)的采集、預處理等步驟獲得二維碼編碼數(shù)據(jù)對象(即二維碼所承載的數(shù)據(jù)信息)。二維碼編碼階段完成數(shù)據(jù)準備階段獲得的二維碼編碼數(shù)據(jù)對象的二維碼編碼，包括確定所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字符類型，選擇二維碼糾錯級別，將字符轉(zhuǎn)換為位流并構(gòu)成碼字序列，生成糾錯碼，將碼字序列和糾錯碼合并，構(gòu)造二維碼矩陣、掩膜、格式和版本信息設置等操作。圖像掃描階段采用攝像頭或二維碼掃描器等圖像掃描設備拍攝掃描二維碼圖像，并將拍攝掃描得到的二維碼圖像傳輸至計算設備。二維碼解碼階段通過對二維碼圖像進行圖像預處理、定位與校正、讀取數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)糾錯、數(shù)據(jù)碼字譯碼等解碼算法處理，獲得二維碼所承載的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收階段首先將二維碼所承載的數(shù)據(jù)內(nèi)容進行解壓縮、解密等操作，然后按照所定義的數(shù)據(jù)傳輸格式協(xié)議進行格式解析，最后得到所采集傳輸?shù)挠鸵悍治鰯?shù)據(jù)。

基于二維碼的數(shù)據(jù)采集與傳輸過程中，二維碼編碼、圖像掃描、二維碼解碼3個階段目前已有成熟的技術方案，而考慮到油液分析儀器數(shù)據(jù)的存儲、結(jié)構(gòu)、類型等特征，需要對數(shù)據(jù)準備階段和數(shù)據(jù)接收階段進行針對性的研究。其中數(shù)據(jù)準備階段需要重點解決油液分析儀器數(shù)據(jù)獲取、預處理，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、壓縮、加密、切片、編排等工作；而數(shù)據(jù)接收階段則根據(jù)數(shù)據(jù)采集階段所定義的各種協(xié)議，進行相應的算法設計并完成軟件開發(fā)即可，關鍵技術集中在由數(shù)據(jù)發(fā)送端程序?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)采集階段，其技術原理如圖2所示。

如圖2所示，數(shù)據(jù)采集階段通過采用API函數(shù)、文件夾監(jiān)控等技術，獲取分析儀器數(shù)據(jù)內(nèi)容，并進行用戶自定義預處理、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義、數(shù)據(jù)壓縮與加密等操作，得到被傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容；然后進行數(shù)據(jù)拆分與編排，得到數(shù)據(jù)切片并對每個切片附加上數(shù)據(jù)編排序號；最后將每一個數(shù)據(jù)切片經(jīng)二維碼編碼轉(zhuǎn)換成二維碼圖像并在儀器的屏幕上顯示。

2.2 關鍵技術

2.2.1 被傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容獲取及預處理

被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)信息和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)兩方面。數(shù)據(jù)信息包括分析儀器數(shù)據(jù)內(nèi)容和自定義預處理操作帶來的數(shù)據(jù)變化；數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指的是廣義上的結(jié)構(gòu)，包括數(shù)據(jù)組織形式、加密協(xié)議、壓縮協(xié)議等內(nèi)容。

(1) 獲取分析儀器數(shù)據(jù)內(nèi)容

不同型號的油液分析儀器其數(shù)據(jù)傳輸方式相異，串口型儀器的數(shù)據(jù)傳輸方式分為主動向串口發(fā)送數(shù)據(jù)和響應串口指令請求發(fā)送數(shù)據(jù)；自帶計算機儀器的分析數(shù)據(jù)文件保存方式包括分散式和集中式2種，前者的分析數(shù)據(jù)分散保存在軟件系統(tǒng)或采用特殊文件格式保存，后者則采用常規(guī)格式文件類型集中保存在特定文件夾中。

數(shù)據(jù)發(fā)送端程序根據(jù)不同型號的油液分析儀器采用相應的技術方案實現(xiàn)對指定數(shù)據(jù)內(nèi)容的獲取，如采用網(wǎng)絡異步Socket技術監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)，采用操作系統(tǒng)API函數(shù)獲取油液分析專業(yè)軟件界面控件中的分析結(jié)果數(shù)據(jù)，基于文件夾監(jiān)控手段獲取油液分析儀器產(chǎn)生的樣本測試數(shù)據(jù)文件等方案。所獲取的數(shù)據(jù)內(nèi)容除簡單的文本數(shù)據(jù)內(nèi)容之外，還包括復雜數(shù)據(jù)對象，如圖片等特殊格式文件內(nèi)容等。

(2) 自定義預處理

對所獲取的分析儀器數(shù)據(jù)自定義預處理包括增添、刪除、修改、壓縮、加密等操作。其中數(shù)據(jù)增添實現(xiàn)對油液分析儀器數(shù)據(jù)補充工作，如附加標識編碼，將油液分析儀器編碼、樣本編碼等附加到數(shù)據(jù)中。數(shù)據(jù)刪減，一方面完成剔除油液分析儀器數(shù)據(jù)中非用戶所需數(shù)據(jù)內(nèi)容；另一方面可以實現(xiàn)對分析儀器的敏感數(shù)據(jù)刪除，避免在數(shù)據(jù)傳輸過程中泄露隱私數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)修改，油液分析儀器的數(shù)據(jù)不直接傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接收端，而是通過將配置化數(shù)據(jù)監(jiān)測、配置化數(shù)據(jù)提取等算法集成到數(shù)據(jù)發(fā)送端程序，實現(xiàn)類似邊緣計算操作。對所采集到的分析數(shù)據(jù)先通過計算處理獲取需要的數(shù)據(jù)信息，然后再通過二維碼進行封裝傳輸，如可以通過集成文獻中報道的基于配置思想的油液分析儀器數(shù)據(jù)提取方式方法，實現(xiàn)從儀器的分析數(shù)據(jù)字符串中提取出有意義的分析數(shù)據(jù)值。

(3) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式

包括被傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容的組織形式、數(shù)據(jù)加密與解密協(xié)議、壓縮與解壓協(xié)議等。該部分需要數(shù)據(jù)接收端程序配合實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)形式的定義，同時也保證了二維碼數(shù)據(jù)的安全性，只有具備數(shù)據(jù)接收端程序的二維碼掃描設備才可能識別所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容、確定數(shù)據(jù)所代表的含義。

2.2.2 基于二維碼組合的數(shù)據(jù)表示與傳輸

當被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容信息量經(jīng)壓縮處理后大于單張二維碼所能承載的最大信息量時，需要采用二維碼組合實現(xiàn)數(shù)據(jù)表示與傳輸，其關鍵技術點是數(shù)據(jù)的拆分與編排。

如圖2所示，將被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容根據(jù)設定的信息量大小進行切片處理，然后給每一個切片按切片順序進行編排標號處理，要求每一個數(shù)據(jù)切片的信息量控制在單張二維碼所能承載最大信息量之內(nèi)。對于每一個帶有編排序號的數(shù)據(jù)切片，經(jīng)二維碼編碼處理后生成二維碼，從而所有切片構(gòu)成二維碼組合。同時需要將生成的數(shù)據(jù)二維碼在分析儀器顯示屏上顯示并保持顯示狀態(tài)(如位置、大小等)最優(yōu)化。數(shù)據(jù)接收端掃描二維碼組合，對二維碼組合中的每一張二維碼進行編譯，從而獲得被傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)切片；根據(jù)數(shù)據(jù)切片的編排序號對數(shù)據(jù)切片進行重組，構(gòu)成切片前的被傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而完成基于二維碼組合的數(shù)據(jù)表示與傳輸。

油液分析儀器啟動后，數(shù)據(jù)發(fā)送端程序自啟動并在后臺運行，可以通過快捷鍵調(diào)出進行參數(shù)設置或調(diào)試；在檢測到所需的油液分析數(shù)據(jù)后自動彈出二維碼顯示窗體及相應的數(shù)據(jù)二維碼，二維碼顯示窗體也可以通過快捷鍵調(diào)出。其中關于二維碼顯示界面的設計，支持以下內(nèi)容：(1) 二維碼的掃描順序不做限定，由數(shù)據(jù)接收端程序自動完成接收到的數(shù)據(jù)編排工作；(2) 二維碼顯示窗體位置及尺寸優(yōu)化，保持對油液分析儀器操作界面的遮擋和影響最?。?3) 二維碼顯示時長優(yōu)化，對于二維碼組合的掃描，需要一定的掃描時長，根據(jù)二維碼數(shù)量優(yōu)化二維碼切換時長，同時具備歷史二維碼查看功能；(4) 快捷鍵設置，通過快捷鍵來控制二維碼窗體界面的顯示、關閉等操作。

3 工程應用

3.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸

在檢測分析一批樣本時，光譜儀上會逐個產(chǎn)生檢測數(shù)據(jù)信息，要求光譜儀在每產(chǎn)生一條檢測數(shù)據(jù)時，在儀器的顯示屏上產(chǎn)生一個二維碼，然后操作人員在實驗室局域網(wǎng)外的計算機上，通過掃描槍識讀二維碼所承載的數(shù)據(jù)，完成對光譜儀數(shù)據(jù)的采集。

為此設計基于二維碼的光譜儀數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)，數(shù)據(jù)發(fā)送端軟件在儀器的Windows7系統(tǒng)后臺運行，監(jiān)視每次樣本檢測的數(shù)據(jù)；同時按照指定的規(guī)則獲取用戶需要的分析數(shù)據(jù)，將采集到的數(shù)據(jù)進行預處理操作并轉(zhuǎn)換成二維碼，然后在儀器的屏幕上顯示。數(shù)據(jù)接收端通過二維碼掃描器拍攝掃描二維碼，經(jīng)數(shù)據(jù)接收端程序處理后，獲得分析數(shù)據(jù)內(nèi)容。其中數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端的二維碼數(shù)據(jù)傳輸效果如圖3所示。

3.2 數(shù)據(jù)的自定義預處理

3.2.1 數(shù)據(jù)加密與壓縮處理

對于分析儀器數(shù)據(jù)涉密或安全級別較高的情況，為避免二維碼圖像所傳輸?shù)姆治鰯?shù)據(jù)泄露，可以將所需要傳輸?shù)姆治鰯?shù)據(jù)加密后再生成二維碼，在數(shù)據(jù)接收端用相應的解密程序解密即可。此外對于所要傳輸?shù)姆治鰯?shù)據(jù)也可以進行壓縮處理，以提高單張二維碼所傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)信息量。二維碼數(shù)據(jù)的加密處理實現(xiàn)效果如圖4所示，其所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容為二維碼圖片下方字符所示。另外對比圖3(a)，二維碼呈現(xiàn)方式支持顯示所承載的數(shù)據(jù)內(nèi)容與不顯示所承載的數(shù)據(jù)內(nèi)容2種形式。

圖4 二維碼數(shù)據(jù)的加密與壓縮處理示例

3.2.2 基于多個二維碼組合的復雜數(shù)據(jù)組織與傳輸

當所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量經(jīng)壓縮處理后仍大于單張二維碼所能承載最大信息量時，可以將所傳輸數(shù)據(jù)進行切片操作，并保證每一個數(shù)據(jù)切片的信息量控制在單張二維碼所能承載最大信息量之內(nèi)，然后通過二維碼組合實現(xiàn)數(shù)據(jù)表示與傳輸。該方法可以實現(xiàn)大量文本數(shù)據(jù)、復雜文件類型數(shù)據(jù)等內(nèi)容的采集與傳輸工作，基于多個二維碼組合實現(xiàn)的磨粒分析圖像數(shù)據(jù)組織與傳輸實現(xiàn)效果如圖5所示，同樣，采用該方法所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也可以進行前文所述的加密、壓縮處理。

圖5 基于多個二維碼組合的復雜數(shù)據(jù)組織與傳輸

4 結(jié)論

(1)提出了基于二維碼的油液分析儀器數(shù)據(jù)采集與傳輸方法。該方法利用操作系統(tǒng)API函數(shù)、Hook等技術，采用平臺化的理念設計并開發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送端程序和數(shù)據(jù)接收端程序；通過集成的數(shù)據(jù)格式解析等算法，實現(xiàn)油液分析儀器指定數(shù)據(jù)內(nèi)容獲取并進行增添、刪除、修改、壓縮、加密等處理操作；再通過二維碼編碼技術生成相應的二維碼圖像從而實現(xiàn)油液分析儀器的分析數(shù)據(jù)傳輸。對于所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息量大于單張二維碼圖像所能承載的最大信息量的情況，提出數(shù)據(jù)切片和編排處理方法，實現(xiàn)通過二維碼組合來傳輸復雜類型數(shù)據(jù)內(nèi)容。

(2)以光譜檢測數(shù)據(jù)、磨粒分析圖像等復雜數(shù)據(jù)的采集與內(nèi)外網(wǎng)之間傳輸為例進行了工程應用可行性驗證。該研究可以作為一種通用性的功能模塊，由油液分析儀器廠商集成到新設計的設備中，提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)導出交換功能。