戴詠梅
(南京大學(xué) 招標辦公室,南京 210046)
當前網(wǎng)絡(luò)終端信息安全與否受到了用戶密切關(guān)注。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正逐漸融入人們生活,智能網(wǎng)絡(luò)概念恰好符合網(wǎng)絡(luò)終端信息安全監(jiān)測發(fā)展方向[1]。利用通信技術(shù)和處理信息方式來提高智能監(jiān)測精準度,其中有效防御突發(fā)信息對網(wǎng)絡(luò)終端造成的影響是智能監(jiān)測重要特征[2]。傳統(tǒng)信息監(jiān)測系統(tǒng)僅僅是對用戶個別信息進行監(jiān)測,沒有考慮到節(jié)點信息遺漏的問題,存在監(jiān)測精準度低的問題,無法對網(wǎng)絡(luò)終端信息進行準確監(jiān)測[3]。為了解決傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題,設(shè)計了一種基于粒子濾波的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。利用TCP傳輸協(xié)議將不同節(jié)點處的信息控制模塊按照一定網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)連接起來,結(jié)合傳感器及多種數(shù)據(jù)傳輸方式,構(gòu)建硬件框圖,利用ZigBee無線傳感設(shè)備網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對節(jié)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā),優(yōu)化軟件部分的無線通信技術(shù)協(xié)調(diào)器功能、服務(wù)器程序功能、通信功能以及客戶端展示功能,完成監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。實驗證明,該系統(tǒng)有效解決了節(jié)點信息遺漏問題,監(jiān)測精度高。
根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境特征,對基于粒子濾波的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)進行設(shè)計,給出物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖
由圖1可知:物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)主要劃分為終端感知單元、監(jiān)控開關(guān)單元和客戶端單元三部分,終端感知單元主要負責(zé)對信息參數(shù)進行監(jiān)測和對監(jiān)測開關(guān)的智能控制;監(jiān)控開關(guān)主要負責(zé)向監(jiān)測服務(wù)器傳送所有節(jié)點采集到的網(wǎng)絡(luò)終端參數(shù),并向相關(guān)節(jié)點服務(wù)器發(fā)出指令信號;客戶端主要負責(zé)實時查看網(wǎng)絡(luò)終端信息監(jiān)測結(jié)果,并進行遠程監(jiān)控,對智能控制優(yōu)先級監(jiān)控開關(guān)中的服務(wù)器進行自動控制。
依據(jù)以上系統(tǒng)整體架構(gòu),對系統(tǒng)各部分的組成硬件及相應(yīng)的軟件功能進行改進,使改進的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)具體合理性和有效性。
依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計,分析其功能需求,將系統(tǒng)終端感知單元、監(jiān)控開關(guān)單元和客戶端單元三部分的組成硬件進行改進,配置更高的硬件環(huán)境,以便提升物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精準度。具體改進過程描述如下:
終端感知單元主要負責(zé)對信息參數(shù)進行監(jiān)測和對監(jiān)測開關(guān)智能控制,該部分采用低功耗、大容量的無線通信自組網(wǎng)方式實現(xiàn)穩(wěn)定性強的雙向信息智能通信[4]。不同信息終端感知單元主要包括5個節(jié)點,分別是電源總開關(guān)節(jié)點、傳感器節(jié)點、采集器節(jié)點、處理器節(jié)點和接收器節(jié)點,改進設(shè)計的終端感知單元如圖2所示。
圖2 終端感知單元設(shè)計
圖2中,5個節(jié)點除了包含信息監(jiān)測傳感器、可讀信息監(jiān)測傳感器、不可讀信息監(jiān)測傳感器、破損信息監(jiān)測傳感器之外,還包括不同受控信息監(jiān)測設(shè)備。傳感器節(jié)點監(jiān)測包括:可讀網(wǎng)絡(luò)終端信息狀態(tài)監(jiān)測模塊和不可讀信息狀態(tài)監(jiān)測模塊;采集器節(jié)點監(jiān)測包括:信息采集運行狀態(tài)監(jiān)測模塊、監(jiān)控開關(guān)控制模塊;處理器節(jié)點監(jiān)測包括:繼電器模塊;接收器節(jié)點監(jiān)測包括:開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測模塊、破損信息重新接收監(jiān)測模塊[5]。
監(jiān)控開關(guān)主要包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器兩部分,通過射頻收發(fā)器串口進行實時相互通信,信息協(xié)調(diào)器負責(zé)向監(jiān)測服務(wù)器傳送所有節(jié)點采集到的網(wǎng)絡(luò)終端參數(shù),并向相關(guān)節(jié)點服務(wù)器發(fā)出指令信號。監(jiān)控服務(wù)器的主要控制芯片采用半導(dǎo)體STM32f107VC開發(fā)板進行研發(fā),該芯片具有互聯(lián)型屬性,支持物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下使用,集成ARM處理器32位指令集計算機內(nèi)核,其最高工作頻率為36MHz,擁有325 KB的Flash和128 KB的靜態(tài)隨機存取存儲器(SRAM),共同連接在2條外圍總線(APB)上,具有性價比高、消耗功率低等優(yōu)勢,完全滿足目前監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的需求[6]。
在客戶端單元設(shè)計了Windows 8客戶端和物聯(lián)網(wǎng)移動客戶端,用戶可通過客戶端界面實時查看網(wǎng)絡(luò)終端信息監(jiān)測結(jié)果,還可進行遠程監(jiān)控,對智能控制的優(yōu)先級監(jiān)控開關(guān)中的服務(wù)器進行自動控制[7]。
在硬件部分設(shè)計中,系統(tǒng)監(jiān)控開關(guān)是整個融合網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵所在,整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)需借助協(xié)調(diào)器的收發(fā)模塊與網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點進行通信,同時利用系統(tǒng)服務(wù)器通過物聯(lián)網(wǎng)使用數(shù)據(jù)進行無差錯、不重復(fù)信息監(jiān)測,按照序列完成TCP協(xié)議的客戶端傳達,并進行遠程實時交互[8]。由于不同信息收發(fā)器處的節(jié)點較多,應(yīng)充分考慮無線信號的傳遞情況,利用ZigBee無線傳感設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對節(jié)點進行信息轉(zhuǎn)發(fā),可確保信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
節(jié)點與其它部分的連接設(shè)計如圖3所示。
圖3 節(jié)點與其他部分連接圖
圖3節(jié)點中的可讀信息、不可讀信息、破損信息等監(jiān)測傳感器的使用更適合熱釋電開關(guān),而普通信息傳遞監(jiān)測的傳感器更適合紅外線熱釋電傳感器。
根據(jù)以上步驟,選用性能較高的芯片,分別對終端感知單元、監(jiān)控開關(guān)單元和客戶端單元的組成節(jié)點電路進行改進設(shè)計,完成聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計,為系統(tǒng)軟件設(shè)計提供最優(yōu)的硬件環(huán)境。
聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)軟件部分主要包括四個功能模塊,分別是無線通信技術(shù)(ZigBee)協(xié)調(diào)器功能、服務(wù)器程序功能、通信功能、客戶端展示功能。
采用粒子濾波算法,通過對信息權(quán)值和信息概率密度進行計算[9],采用PAN標識標記信息,進行全面掃描,處理節(jié)點信息遺漏問題,實現(xiàn)軟件各功能的優(yōu)化開發(fā)。無線通信技術(shù)協(xié)調(diào)器可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與管理;監(jiān)控服務(wù)器程序可實現(xiàn)對接收結(jié)果的智能處理,利用TCP/IP協(xié)議向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令;通信功能可實現(xiàn)超文本傳輸協(xié)議Http通信和Socket通信;客戶端展示功能可實現(xiàn)用戶對網(wǎng)絡(luò)終端信息傳輸狀態(tài)的實時監(jiān)測。
無線通信技術(shù)(ZigBee)協(xié)調(diào)器節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的核心部分,主要負責(zé)對網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與管理。對系統(tǒng)供電,首先對協(xié)議棧進行初始化處理;然后選擇空閑信道構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境;最后查找信道,如果找到合適信道,協(xié)調(diào)器就會具有PAN標識,該標識可表示整個網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)測情況,為此選擇PAN標識是具有必要性的。如果節(jié)點處有信息遺漏,那么首先應(yīng)進行智能掃描,查找周圍環(huán)境是否具有協(xié)調(diào)器;然后在掃描限制范圍內(nèi)對信標進行監(jiān)測,由此獲取協(xié)調(diào)器的相關(guān)信息,并發(fā)出連接請求;最后對協(xié)調(diào)器節(jié)點進行短地址分配,其中包含新地址與連接成功狀態(tài)的指令,由此可進行信息通信,具體流程如圖4所示。
圖4 ZigBee程序流程圖
作為物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)主控節(jié)點,無線通信技術(shù)(ZigBee)協(xié)調(diào)器節(jié)點的加入可將網(wǎng)絡(luò)舊地址與新地址進行實時交換,同時可與服務(wù)器進行智能通信。
對無線通信技術(shù)(ZigBee)協(xié)調(diào)器供電,并對系統(tǒng)進行初始化處理,可在某個空閑信道構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。經(jīng)過節(jié)點認證后,可加入網(wǎng)絡(luò)進行信息判斷。正常情況下,協(xié)調(diào)器可分配ZigBee一個地址,并對地址信息進行記錄;如果有異常情況發(fā)生,需對發(fā)生事件種類進行判斷。通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的監(jiān)測信息,進行格式化處理,并發(fā)送至服務(wù)器進行分析。
監(jiān)控服務(wù)器程序設(shè)計主要包括兩部分:客戶端連接和程序控制。服務(wù)器不僅僅能夠接收協(xié)調(diào)器發(fā)送的信息,還可對接收的結(jié)果進行智能處理,即為控制信息[10]。將相關(guān)數(shù)據(jù)信息利用TCP/IP協(xié)議傳輸?shù)絎indows 8客戶端和物聯(lián)網(wǎng)筆記本網(wǎng)頁客戶端,通過接收到的客戶端指令,向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制命令,具體流程如圖5所示。
圖5 服務(wù)器程序流程
由圖5可知:對系統(tǒng)進行初始化處理之后,進入函數(shù)主循環(huán),判斷其中是否出現(xiàn)中斷情況。如果出現(xiàn)中斷情況,判斷中斷發(fā)生的類型,主要包括三種:系統(tǒng)所有客戶端連接請求發(fā)生中斷、射頻收發(fā)器對網(wǎng)絡(luò)終端接收發(fā)生中斷、各個客戶端發(fā)送的控制命令發(fā)生中斷。如果客戶端出現(xiàn)不同連接請求,需要接受并響應(yīng);如果是射頻收發(fā)器出現(xiàn)中斷,則需協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)終端信息,依次對信息進行處理與判斷,并將控制指令發(fā)送給協(xié)調(diào)器,由協(xié)調(diào)器進行信息分配,并以分配實時狀態(tài)發(fā)送給客戶端;如果客戶端使用了TCP協(xié)議進行信息發(fā)送,那么信息監(jiān)測控制開關(guān)命令會受到協(xié)調(diào)器控制,響應(yīng)協(xié)調(diào)器安排。
物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境應(yīng)用與服務(wù)器通信功能主要體現(xiàn)在兩個方面,分別是超文本傳輸協(xié)議Http通信和Socket通信。其中Http通信使用的是請求響應(yīng)模式,只有當客戶端發(fā)出請求命令時才能建立通信連接;而Socket通信使用的是直接傳輸方式,即在信息傳輸之前就已連接好,之后可直接進行網(wǎng)絡(luò)終端信息的傳輸[11]。
通信部分的設(shè)計可使用戶能夠在移動端對信息各種參數(shù)進行監(jiān)測,并且每隔3分鐘就可刷新一次,因此,為了節(jié)省資源利用情況,選擇Http作為主要通信技術(shù),在移動端每隔3分鐘發(fā)送一次 “allow”請求,其核心代碼如下所示:
String path=http://112.74.81.226:8080/JsonWeb/Json-Servlet
URL url=new URL(path);
HttpGet httpGet=new HttpGet(url);
HttpClient he=new DefaultHttpClient();
HttpResponse ht=hc.execute(httpGet);
if(ht.getStatusLine( ).getStatusCode( )= =HttpStatus.SC_OK){
HttpEntity he=ht.getEntity();
InputStream is=he.getContent();
BufferedReader br=new Buff'eredReader(new InputStream-Reader(is));while((readLine=br.readLine())!=null){
response=response+readLine;
}
return sponse;
移動端如果訪問網(wǎng)絡(luò)資源情況,需要經(jīng)過授權(quán)才可進行網(wǎng)絡(luò)的訪問。在授權(quán)時,需在移動Manifest.xml文件中添加如下語句可進行客戶端訪問。
該系統(tǒng)的設(shè)計了支持兩種客戶端,分別是Windows 8客戶端和物聯(lián)網(wǎng)移動客戶端。在不同客戶端都可查看網(wǎng)絡(luò)終端信息的傳輸狀態(tài),并通過客戶端的UI界面控制按鈕,控制信息智能監(jiān)測開關(guān)。其中計算機和移動客戶端都可適用Qt5開發(fā)環(huán)境,Qt5可編寫圖形用戶界面,既簡單又方便,Web網(wǎng)頁客戶端可使用可編寫圖形用戶環(huán)境進行系統(tǒng)設(shè)計,并對網(wǎng)頁展示進行控制。
綜上所述,以監(jiān)測需求為理論依據(jù),對物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)進行設(shè)計,將整體架構(gòu)劃分為終端感知單元、監(jiān)控開關(guān)單元和客戶端單元,選用性能精良的芯片重新組建各單元硬件;用PAN標識節(jié)點信息,智能掃描信息結(jié)合粒子濾波算法統(tǒng)計節(jié)點遺漏信息,發(fā)出遺漏信息連接請求,重新分配其地址,實現(xiàn)軟件各監(jiān)測功能的優(yōu)化,完成基于粒子濾波的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。
為了驗證基于粒子濾波的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的合理性進行了實驗。分別對監(jiān)測相關(guān)標準進行系統(tǒng)的構(gòu)建,完成硬件與軟件功能的測試,并對結(jié)果進行了適當分析。在實際測試中,選擇距離相對較遠的網(wǎng)絡(luò)終端信息智能監(jiān)測代替整個網(wǎng)絡(luò)終端的信息智能監(jiān)測。在不同網(wǎng)絡(luò)用戶所監(jiān)測的終端信息有1條重要信息、10條普通信息和該信息智能控制的導(dǎo)火索信息。
首先對信息智能運行狀態(tài)的電路進行檢測,各個無線通信技術(shù)模塊與信息智能連接,針對不同信息需要調(diào)整監(jiān)控器的擊穿狀態(tài),否則會造成系統(tǒng)監(jiān)測效果不準確。在對每個無線通信技術(shù)模塊進行程序編寫時,需要修改協(xié)議棧中分析程序下的MYID變量值,實現(xiàn)不同設(shè)備具有統(tǒng)一規(guī)律編號,方便客戶端快速區(qū)分不同信息狀態(tài)下的無線通訊情況,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中處理。
利用STM32f107VC作為遠程監(jiān)控的開發(fā)板,將開發(fā)板與無線調(diào)節(jié)器通過通用異步收發(fā)傳輸器串口接收,并在該串口的修改信息傳送的IP地址,由于在STM32f107VC開發(fā)板上無法簡單的對IP地址進行驗證,因此,可先將網(wǎng)絡(luò)連接到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的電腦中對IP地址進行修改,并驗證是否可用。對程序進行編譯,并下載至STM32f107VC開發(fā)板上,接入網(wǎng)線啟動電源之后,開發(fā)板可顯示為:
IP地址:101.101.84.221
路由地址:101.101.834.1
完成!
通過開發(fā)板顯示情況可知,該網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成功接入設(shè)備已經(jīng)完成初始化準備。
由于在物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)中信息傳送的波長系數(shù)標定準確性在較大程度上決定了監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測精準度。在實驗中,綜合整體信息波長系數(shù),盡量縮小系統(tǒng)誤差,以便快速提高監(jiān)測系統(tǒng)對信息智能監(jiān)測精準度,確保監(jiān)測準確性,促使監(jiān)測效果更高、系統(tǒng)也趨于穩(wěn)定。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,取得一條信息傳輸波長為1444.487,設(shè)置在5分鐘內(nèi)收集系統(tǒng)穩(wěn)定時的信息波長,并記錄于表中,不斷重復(fù)此操作,以此類推,獲取在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下,不同信息數(shù)量實時波長與一條信息波長的數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)信息波長數(shù)據(jù)
為了確保信息監(jiān)測在整個測試范圍內(nèi)都具有可靠性,結(jié)合表獲取信息波長系數(shù),并計算平均值。根據(jù)《信息無線通信傳感通用規(guī)范》監(jiān)測方法,對信息監(jiān)測的準確性進行檢驗,指標如下所示:
信息監(jiān)測范圍:1~100 kB;
信息監(jiān)測精度誤差:±1 kB;
監(jiān)測分辨率:0.1 kB。
監(jiān)測具體方法如下所示:保證監(jiān)測條件不變的情況下,進行6次重復(fù)實驗,將傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)與改進監(jiān)測系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)終端信息進行監(jiān)測,整體監(jiān)測精準度進行對比,結(jié)果如圖6所示。
圖6 兩種不同系統(tǒng)整體監(jiān)測精準度對比結(jié)果
由圖6可知:傳統(tǒng)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)終端信息進行監(jiān)測時,隨著實驗次數(shù)的增加,整體監(jiān)測精準度穩(wěn)定在48%左右,且實時波長逐漸減?。欢倪M設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測時,隨著實驗次數(shù)的增加,監(jiān)測精準度穩(wěn)定在90%左右,且實時波長趨于穩(wěn)定狀態(tài)。對比改進系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的整體監(jiān)測精準度可得,改進系統(tǒng)的整體監(jiān)測精準度遠遠高于傳統(tǒng)系統(tǒng)的整體監(jiān)測精準度。
根據(jù)上述實驗驗證結(jié)果可知,隨著實驗次數(shù)增加,傳統(tǒng)系統(tǒng)信息監(jiān)測實時波長逐漸減小,改進系統(tǒng)實時波長趨于穩(wěn)定狀態(tài),實時波長直接反映出監(jiān)測精確度的高低,實時波長變化越穩(wěn)定,表示監(jiān)測精確度越高。對比改進系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的實時波長,改進系統(tǒng)的實時波長變化更穩(wěn)定,說明改進系統(tǒng)的監(jiān)測精確度更高。
顯示結(jié)果的清晰程度間接反映了監(jiān)測的精確度,分別對改進系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)的顯示結(jié)果清晰度進行測試,測得結(jié)果進行對比,如圖7所示。
圖7 兩種不同系統(tǒng)顯示結(jié)果清晰度對比
由圖7可知:傳統(tǒng)系統(tǒng)信息監(jiān)測結(jié)果顯示比較混亂,實時波長長度不一,顯示結(jié)果不準確;而改進設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)對信息監(jiān)測結(jié)果顯示規(guī)律性較強,且實時波長顯示準確。對比兩種系統(tǒng)的實驗結(jié)果可得,改進系統(tǒng)的顯示結(jié)果清晰度更高,顯示結(jié)果更準確,說明改進系統(tǒng)的監(jiān)測精確度更高。
根據(jù)上述實驗內(nèi)容,可得出實驗結(jié)論:使用傳統(tǒng)系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)終端信息進行監(jiān)測時,隨著實驗次數(shù)的增加,監(jiān)測精準率穩(wěn)定在48%左右,且實時波長變化幅度大,顯示結(jié)果清晰度較差;而改進設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng),隨著實
驗次數(shù)的增加,監(jiān)測精準率穩(wěn)定在90%左右,實時波長趨于穩(wěn)定狀態(tài),顯示結(jié)果清晰度更好。
基于粒子濾波的物聯(lián)網(wǎng)通信終端信息智能監(jiān)測系統(tǒng)運用目前最流行的客戶端開發(fā)平臺,利用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器作為客戶端與數(shù)據(jù)庫之間的紐帶,使系統(tǒng)具有先進性和實用性。通過實驗結(jié)果可知,該系統(tǒng)監(jiān)測精準度高、實時顯示信息波長較為穩(wěn)定,顯示結(jié)果清晰度高,可實現(xiàn)信息智能監(jiān)測。用戶不但可以隨時登錄客戶端查看信息智能監(jiān)測結(jié)果,且信息智能監(jiān)測的準確性高,使得信息利用價值更高,具有良好的交互性。未來將在系統(tǒng)的監(jiān)測效率方面進行深入研究,為信息監(jiān)測提供了良好解決途徑。
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