基于无线网络的物联网数据传输质量监控系统设计

严 智，邹鑫灏，潘 伟

（湖北中烟工业有限责任公司，湖北武汉 430030）

数据中心是物联网数据流和数据存储的重要组成部分，而信息中心的正常运作是保证互联网高效传输的关键[1]。随着网络数据中心规模的不断扩大，物联网数据监控和管理面临着更大的挑战[2]。但是，目前物联网数据传输质量监控都是基于传输环境进行的，不能满足网络数据中心统一处理的要求。在此基础上，需要建立一个符合网络数据中心统一处理要求的监控系统[3]。目前，已有采用传感器网络的物联网数据传输质量监控系统，该系统通过传感器采集物联网数据，并与网络数据中心统一处理机制相结合，在网络上进行数据汇合处理，剔除不合格数据。然而，在不同的情况下，系统需要配置不同的传感器来采集网络节点，这一过程耗时较长，无法对不同环境下的物联网数据进行实时监控；以协议转换单元为基础的物联网数据传输质量监测系统，通过电力线耦合单元与物联网连接的通信调制，实现协议转换单元与物联网之间的转换和互联，通过转换接口采集物联网数据，进而监控物联网数据传输质量。然而，该系统缺少对超出预设正常范围数据的判断，导致监控精准度较低。基于上述问题，提出了基于无线网络的物联网数据传输质量监控系统的设计方案。

1 系统硬件结构设计

根据云计算思想，设计了系统的硬件结构，如图1所示，在满足无线网络功能要求的前提下，实现服务器的主要功能[4]。以云计算终端取代操作站和管理员站的计算机，简化操作站和管理员站的硬件设备，同时极大地提高了系统的安全可靠性，有利于扩大系统功能和规模[5]。

图1 系统硬件结构

由图1 可知，在以网络为中心的接入网络上使用已部署的探头进行质量监测和服务模拟测试[6]。通过监控IP 网络运行状态，在发现网络质量问题或网络故障时，系统能及时预警，迅速准确地定位故障并及时处理，实现24 h 实时在线综合监控[7-9]。有效监控视频传输、网站服务可以为未来网络中心业务的扩展和网络扩展提供了数据优化支持，有助于减少平均恢复时间，降低成本[10]。

1.1 主控单元

主控单元负责采集终端监控单元上载的各种监测数据，数据可能是一定的开关量，如0 代表正常，1代表报警，也可能是部署到网络数据中心的每个组件中的传感器数据或某些智能终端监控单元的数据[11]。主控单元从网络端接收控制指令，一方面完成网络数据中心后期数据分析和操作参数挖掘工作，另一方面负责接收传输指令，并将该指令传输到管理控制器[12]。

主控单元结构框图如图2 所示。

图2 主控单元结构框图

供电模块完成主电源的供电功能，内置温湿度模块可采集主控板温度，精度为1 ℃，温度区间为-40～+85 ℃[13]。

DDR 模块作为主控单元的主存，又称为SDRAM模块，Flash 模块是主控模块。直径256 m 的晶体振荡器与外置石英晶体或谐振器连接，为主控单元提供基准时钟信号[14]。地址标识模块是一个6 位拨号开关，用于识别不同的主机。主机上的CANID 继电器输出装置主要作为网络数据中心的电子锁[15]。RS485 模块以通信接口实现数据收发器的功能。CAN 模块主要连接由CAN 总线和传感器网络组成的输入输出单元，用于数据传输。SD 卡模块主要用于数据的存储和输出。USB 模块既能实现数据存储，又能与蓝牙等模块相连，实现有线无线灵活组网。设置连接内网和外网的两个以太网模块，方便相关人员随时查看网络数据中心监控状态[16]。

1.2 I/O单元

I∕O 单元负责实现数字信号输入与输出，其结构框图如图3 所示。

图3 I∕O单元的结构框图

由图3 可知，I∕O 单元包括供电模块、晶振模块、异步收发模块、CAN 模块、数字输入模块等。STM32微控制器模块的设计目标是用尽可能少的CPU 负载处理尽可能多的分组，同时支持分组的优先处理。监控系统的STM32 微控制器模块包含了大量寄存器，分别为控制寄存器、状态寄存器、配置寄存器等。这些工具可用于配置波特率、发送和接收消息以及处理接收到的消息等CAN 参数，同时负责各种CAN 中断管理，获取CAN 接收或发送错误处理过程中的重要诊断信息。

1.3 CAN总线

CAN 总线通过收发器接口芯片的两个输出端直接连接到物理总线，CAN 总线节点构成的硬件如图4 所示。

图4 CAN总线节点构成的硬件

由图4 可知，针对CAN 总线节点的硬件设计采用了两种不同的设计方案，一种是分别将各种独立的CAN 控制器、CAN 收发器、MCU 控制器与数据总线相连。另一种是将带有CAN 控制器的MCU 与CAN 收发器相结合，在主控台配置一个局域网和一个收发器。上述方法开发的CAN 程序适用于独立CAN 控制器，移植性好。

2 软件部分设计

2.1 数据库查询

监控系统中软件部分的登录模块主要负责认证用户身份，实现用户名与密码的匹配，只有用户名和密码匹配的用户才有权限进入系统。由此可知，数据库查询主要是查询用户名和密码，详细操作步骤为：

Step1：输入开发板的IP地址，自动载入文件索引，HTML 是lighttpd 的根，是网络数据中心的主界面。

Step2：当该页面的基本元素被装入后，将调用下载方法执行初始化操作。该方法负责执行某些初始化代码，例如启用登录按钮。

Step3：用户直接在界面上输入用户名和密码，单击确定键后，触发会话操作模块，由此也建立一个安全会话框。在每个登录过程中执行的所有操作可以被会话标识作为一个单元记录。

Step4：该操作以JSON 格式将用户名和密码打包为数据，并使用POST 方法将其传输给服务器端CGI 程序。

Step5：输入标准的CGI 程序，读取相关数据，并使用正确表达式解析CreateSession 内容，由此确定用户名和密码数据。

Step6：调用对应的代码，根据服务类型和参数进行匹配，匹配成功后返回成功状态码，匹配失败返回错误状态码。

2.2 物联网传输数据处理

针对监控系统受到噪声干扰后出现异常数据的情况，需对数据进行抗干扰处理，利用平均算子对数据进行降噪处理。

基于无线网络的滤波器模型为：

式（1）中，n为无线网络下物联网数据传输通道；Oi、Oj分别为滤波窗口中心点、滤波窗口拓扑数据；d(Oj)为滤波窗口拓扑数据对应的窗口灰度值；λij为降噪评价值，ηj为无线网络尺度参数。

如果无线网络中存在某个干扰数据，那么该数据在物联网环境下进行数据传输时，使用自适应处理技术处理干扰数据所需的模型如式（2）所示：

式（2）中，t为处理干扰数据所需的时间；kα为待处理的数据；v为数据传输速度。通过式（2）能够剔除异常数据，为数据传输质量监控提供精准数据。

2.3 监控流程设计

基于无线网络的物联网数据传输质量监控系统具有网络报警、邮件报警和短信报警3 种报警模式。在上述3 种模式下，搭建包括一个状态位status的数据库，该状态位中存在一个守护进程，以此扫描物联网数据传输质量。如果数据库状态位status 正常，表明物联网数据传输质量正常，反之，则不正常。以此为依据设计监控报警模块实现流程，如图5所示。

图5 监控报警模块流程图

由图5 可知，以数据库状态位status 为基础判断数据传输质量。当物联网数据传输质量正常时，查看设备列表是否遍历完毕，如果是，则执行空操作，反之，则需重新判断status 值。如果status=1，则需调用过高提醒分发接口函数；如果status=2，则需调用过高报警分发接口函数。通过查看设备列表遍历结果，执行相应操作，由此完成物联网数据传输质量监控。

3 实 验

3.1 实验环境

以天津高速路网管理中心为研究对象进行实验，该中心网主要分为专用局域网和外网两种。其中，专用局域网核心交换机与公司局域网视频网络、数据网络连接，实现视频监控和数据传输的业务。天津高速滨滩还租用了联通VPN 链路作为视频和数据传输及网络中心备用通道接入，作为网络业务终端，实现视频监控和数据传输的业务。外网服务采用路由器与运营商网络对接方式，分别将外网核心交换机和内网核心交换机与一个外网服务器相连接，再由外网服务终端通过接入交换机和无线网络进行连接。从各个分区到管理中心，需经过24 h 的实时在线物联网数据传输质量监控。对外网服务时，需直接与运营商对接，以此保证物联网数据传输具有较高质量。

3.2 实验结果与分析

基于上述实验环境，分别使用基于传感器网络、协议转换单元和基于无线网络的监控系统，对数据传输完整性进行对比分析，理想情况下，数据传输拆包时，拆解的数据包个数在0～50 个范围内，拆包处理后剩余的数据包在0～2 个范围内，以此为依据判断数据传输质量。3 种系统数据传输拆包情况对比分析如图6 所示。

图6 3种系统数据传输拆包情况对比分析

由图6可知，使用3种系统在数据传输拆包前，拆解的数据包个数均在0～50 个范围内；而拆包处理后，使用基于传感器网络剩余的数据包个数在0～3.5 个范围内，超出理想拆解数量范围；使用协议转换单元的包长在0～4.5 个范围内，超出理想拆解数量范围；使用基于无线网络剩余的数据包个数在0～0.5 个范围内，在理想拆解数量范围内，说明使用该系统数据传输质量较高。

4 结束语

以无线网络为基础设计的互联网数据传输质量监控系统，实现了网络质量监测系统在线实时监测网络服务质量，及时向工作人员提供异常数据，从而实现对物联网数据采集和传输质量的分析。因此，此次设计的网络数据传输质量监控系统不仅能实时监测网络数据中心的运行状况，而且能更科学地分析和管理传输数据。