一种基于物联网的灾害检测数据通信系统的制作方法

一种基于物联网的灾害检测数据通信系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于物联网的灾害检测数据通信系统，包括现场数据采集和处理子系统、GPRS数传子系统和远程监测服务端，其中现场数据采集和处理子系统，包含压缩处理模块，以及一个以上的检测探头、摄像头，检测探头、摄像头获取所在位置的相应数据、图像，压缩处理模块首先对采集到的数据、图像的模拟信号转换成数字信号，然后进行压缩处理成数据包，最后将数据包发送至GPRS数传子系统；GPRS数传子系统，包含信源编码模块和信道编码模块，信源编码模块和信道编码模块对数据包进行编码，调整格式后载入彩信或短信包中，发送给远程监测服务端。本实用新型的系统，利用物联网的优势能同时监控多个监测点，降低了人力成本。
【专利说明】一种基于物联网的灾害检测数据通信系统

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及灾害检测领域，特别涉及一种基于物联网的灾害检测数据通信系 统。

【背景技术】
[0002] 随着工艺技术的不断更新，新设备、新材料、新型催化剂及高效节能设备越来越多 地被用于石油化工生产中，使得石油化工装置的规模越来越大，自动化程度越来越高，而且 石油化工生产大都在高温、高压、低温或负压等条件下进行，涉及的易燃易爆物质多，极易 发生各种火灾、爆炸、泄露、烟雾等事故。上述火灾、爆炸、泄露、烟雾等事故现场有以下特 点：①爆炸性火灾现场多，生产装置破坏严重。石油化工生产中所采用的设备以压力容器 为多，且工艺流程中各个设备互相串通，一旦某一设备发生爆炸，由于冲击波、碎片冲击、震 荡作用易产生连锁效应，极易迅速波及相邻设备而导致系统性的连锁式爆炸。②现场勘验 面积大，事故涉及的设备多由于石化装置规模具有占地面积广、空间体积大，工艺流程长的 特点，使用设备的种类和数量相当多，如某厂年产30万吨乙烯装置含有裂解炉、加热炉、反 应器、换热器、塔、槽、泵、压缩机等设备500多台，管道上千根，还有各种仪表等。因此，发生 火灾或爆炸后，火势蔓延扩大进一步加大了火灾后现场勘验的范围。③生产工艺过程复杂， 分析排查事故起因难。比如石油化工典型工艺单元有加热、分馏、精馏、裂化、裂解、聚合、萃 取、冷却、分离等，一个生产过程包括其中若干个工艺单元及大量的操作环节和控制参数， 为排查事故起因带来较大难度。④引火源多。石油化工生产使用的动力能源较多，如炼化 厂的常减压装置、加氢裂化装置、乙烯裂解装置等具有火源、电源、热源交织使用的特点，它 们可以直接成为火灾爆炸的引发源。同时，静电、电气火花、临时动火、撞击摩擦火花都是引 起火灾爆炸的火源。
[0003] 在石油化工生产中，安全隐患的排查目前主要依赖于人工巡视、排查，通过人工对 各种测量仪表的观测与检查，来排除隐患，需要投入大量的人力，而且当事故发生时，人员 不能很快地知晓相关情况，也无法对其做出针对性的处理。
[0004] 而在日常生活领域，这种情况也要引起足够重视，如千家万户的煤气管道、火灾、 烟雾检测等，基本上没有一个统一的平台来进行监管，当火灾等灾害发生在深夜人们熟睡 时，即使家中安装有火灾报警装置，人察觉时火势常常已经很大，而在火势非常大时才会引 起周围人的注意，然后报警，延误了灭火的宝贵时间。 实用新型内容
[0005] 本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于物联网的灾害 检测数据通信系统。
[0006] 本实用新型的目的通过以下的技术方案实现：
[0007] -种基于物联网的灾害检测数据通信系统，包括
[0008] 现场数据采集和处理子系统，包含压缩处理模块，以及一个以上的检测探头、摄像 头，检测探头、摄像头获取所在位置的相应数据、图像，压缩处理模块首先对采集到的数据、 图像的模拟信号转换成数字信号，然后进行压缩处理成数据包，最后将数据包发送至GPRS 数传子系统；
[0009] GPRS数传子系统，包含信源编码模块和信道编码模块，信源编码模块和信道编码 模块对数据包进行编码，调整格式后载入彩信或短信包中，发送给远程监测服务端；
[0010] 远程监测服务端，接收GPRS数传子系统发送的数据包，并对数据包进行解码、分 析、处理，并发出指令通过GPRS数传子系统传输给现场数据采集和处理子系统，控制下一 步的动作。
[0011] 所述的GPRS数传子系统，采用TCP协议进行通信。由于TCP协议对于丢包采用反 馈重传的机制，所以在理想的网络状况下，这种结构是可靠的。
[0012] 所述的GPRS数传子系统，采用UDP协议进行通信，信道编码模块采用LT喷泉码对 数据包进行编码。当GPRS网络拥挤，或者无线信道恶劣的时候，一方面丢包概率高、数据包 的传输时延大，另一方面反馈重传机制所占用的信道资源会恶化这种情况；此时，通信系统 的性能会变得很差。而本实用新型采用的技术方案：一方面利用了 UDP协议数据包传输时 延小，数据包的效率高的优点，另一方面利用喷泉码的编码方法弥补了 UDP协议可靠性差 的缺点。这种结构使得通信系统的有效性和可靠性同时得到保证。
[0013] 所述的检测探头根据需要而设置，为压力传感器、温度传感器、烟雾探测器、气体 浓度探测器的一种以上。
[0014] 所述的基于物联网的灾害检测数据通信系统，还包括移动终端，GPRS数传子系统 同时将数据发送至移动终端，移动终端为智能手机或PDA。
[0015] 本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0016] 1、依托物联网，一人在远程检测服务端就可以实时对多个监测点进行立体监测， 包括各个监测点的各种数据、图像、地理位置等，能建立起石油化工生产企业安全的生产环 境和与之相匹配运行的安全监控体系，统一对各个监测点监控，减少了人力成本，且出现异 常情况，能迅速响应。
[0017] 2、所有监测点的监测项数据、地理位置数据、图像数据均存储在远程监测服务端， 为石油化工关键生产装置中重大危险源辨识与火灾、爆炸、泄露、烟雾等事故调查反演分析 提供最科学和最直接及最有效的技术手段。

【专利附图】

【附图说明】
[0018] 图1为本实用新型所述的一种基于物联网的灾害检测数据通信系统的结构示意 图；
[0019] 图2为图1所述系统的压缩处理模块的处理流程图；
[0020] 图3为图1所述系统的彩信组装方式示意图；
[0021] 图4为图1所述系统的无连接循环服务器的示意图；
[0022] 图5为图1所述系统的面向连接并发服务器的示意图；
[0023] 图6为图1所述系统的应用进程、Socket、网络协议找及0S的之间关系不意图；
[0024] 图7为图1所述系统的套接字调用流程图；
[0025] 图8为图1所述系统的自适配通信环境ACE的主要框架图；
[0026] 图9为图1所述系统的图像文件通过GPRS模块的发送流程图；
[0027] 图10为图1所述系统的喷泉编码的包删除信道机制图；
[0028] 图11为图1所述系统的数字喷泉码的编译码过程示意图；
[0029] 图12为图1所述系统的基于物联网的灾害检测数据通信系统的数据传输过程示 意图；
[0030] 图13为图1所述系统的采用联合度分布的LT码译码成功概率图。

【具体实施方式】
[0031] 下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0032] 如图1，一种基于物联网的灾害检测数据通信系统，包括
[0033] 现场数据采集和处理子系统，包含压缩处理模块，以及一个以上的检测探头、摄像 头，检测探头、摄像头获取所在位置的相应数据、图像，压缩处理模块首先对采集到的数据、 图像的模拟信号转换成数字信号，然后进行压缩处理成数据包，最后将数据包发送至GPRS 数传子系统；所述的检测探头根据需要而设置，为压力传感器、温度传感器、烟雾探测器、气 体浓度探测器的一种以上；其中摄像头使用的是带有0V511芯片的V2000摄像头，Linux系 统自带了 0V511的驱动程序，所以无需另外安装驱动，只需在编译内核时加载进去，在视频 流中提取图像帧，形成拍摄图像；发送端对外提供一个USB接口，接0V511摄像头，视频图像 都由此接口传送到嵌入式中央处理代码，并抓取图像放在配置路径。GPRS Modem接口采取 USB接口，外接GPRS网络，用于将已经编辑好带有图像的MMS图像由此口发送至中央MMS彩 信接收系统；同时，本接口还负责接收来自远程监测服务端的控制管理指令；
[0034] GPRS数传子系统，包含信源编码模块和信道编码模块，信源编码模块和信道编码 模块对数据包进行编码，调整格式后载入彩信或短信包中，发送给远程监测服务端；所述的 GPRS数传子系统，采用TCP协议或UDP协议进行通信，采用UDP协议进行通信时，信道编码 模块采用LT喷泉码对数据包进行编码；
[0035] 远程监测服务端，接收GPRS数传子系统发送的数据包，并对数据包进行解码、分 析、处理，并发出指令通过GPRS数传子系统传输给现场数据采集和处理子系统，控制下一 步的动作；
[0036] 移动终端，GPRS数传子系统同时将数据发送至移动终端，移动终端为智能手机或 PDA。
[0037] 对于报警信号、违规操作、异常参数等数据）的采集流程，由于通常情况下的储油 罐、液化气罐、输油管线、裂解装置、裂化装置、裂解炉、加热炉、反应器、换热器、塔、槽、泵、 压缩机等关键生产装置中重大危险源的监测点分布在较广阔的范围内，并且与企业安全管 理部门的距离较远，利用传统的有线通信方式，线路铺设成本高昂，而且施工周期长，或者 因为物理因素难以架设线缆。我们提出用搭载短信模块的标准嵌入式终端(例如脉冲表、 代码式直读表、摄像式直读表、带远传功能的数码表、网络摄像头等）与在上述关键生产装 置上或周边部署的设备(例如，企业已有的闭路电视监控系统、可燃气体报警系统、有毒气 体探测系统、火灾自动报警系统、闪电定位系统、集散控制系统或中央控制室系统的存储设 备）相联接，实时和动态地获取重大危险源的视频图像和报警信号。对于关键生产装置(例 如集散控制系统）中生产工艺过程的违规操作记录和异常参数均可以实时地保存和记录在 硬盘中，而且可以很方便地将硬盘设置成网络硬盘或通过共享技术来随时访问和调用，从 而记录和保存生产过程的违规操作和异常参数等。
[0038] 关于图像压缩处理模块信源编码模块和信道编码模块
[0039] 压缩处理模块的主要工作是对采集得到的数据进行压缩处理，同时调用信源编码 模块和信道编码模块，调整压缩处理后的格式并将其载入彩信包中，用于发送给远程监测 服务端，其处理流程如图2所示。中国移动MMS彩信支持多页显示或多元素的显示能力、终 端UTF-8或中文编码支持能力、JPG/GIF等不同的图片格式支持能力、对过大的MMS信息转 发时的处理能力、MMS发送报告、图文混排显示能力、DRM的转发限制、3GPPQCIF的视频发送 及接收、3GPP2不同格式的音视频编解码支持能力、超长的MMS标题显示能力等。本实用新 型专利采取的彩信组装方式为application/vnd. Wap. multipart, related方式，其形式如 图3所示。
[0040] 关于本实施例中远程监测服务端的网络通信接口
[0041] 1) Socket套接字。火灾、爆炸、泄露、烟雾等监测是基于网络开发平台的，应用 程序需要通过网络编程接口访问TCP/IP网络通信协议来实现监控端与远程监测服务端 之间的通信。在现有的应用中，应用进程之间的通信普遍采用客户/服务器交互模式 (Client-Server Paradigm of Interaction),简称C/S模式。在该模式下，远程监测服务端 的应用程序要首先启动，并根据客户的主动请求提供相应服务。远程监测服务端有循环和 并发两种工作方式：循环方式下，计算机中一次只运行一个服务器进程，当有多个客户进程 请求服务时，服务器进程就按请求的先后顺序依次做出响应；并发方式下，计算机中同时运 行多个服务器进程，每一个服务器进程都对某个特定的客户进程做出响应。
[0042] 而服务器的设计方式由采用的传输层协议和工作方式决定，最常见的就是无连接 循环服务器和面向连接并发服务器。使用无连接的UDP的服务器通常都工作在循环方式 即一服务器在同一时间只能向一个客户提供服务，服务器在收到客户的请求后，就发送UDP 用户数据报响应该客户，但对其他客户发来的请求则暂时不予理睬，这些请求都在服务器 端的队列中排队等候服务器的处理，当服务器进程处理完一个请求后，就从等候队列中读 取下一个客户的请求，然后继续处理。无连接循环服务器的工作方式如图4所示，服务器只 使用一个熟知端口，每一个客户端则使用自己创建的临时端口，一次一个客户地处理。
[0043] 面向连接并发服务器则可以在同一时间向多个客户提供服务。由于TCP是面向连 接的，因此在服务器和多个客户之间必须建立多条TCP连接，而每一条TCP连接要在其数据 传送完毕后才能释放。主服务器只能有一个熟知端口，仅用于接受服务请求，一旦收到客 户的请求，就立即创建一个从属服务器，并指明从属服务器使用临时接口与该客户建立TCP 连接，然后主服务器继续在原来的熟知端口等待其他用户提供服务，其工作方式如图5所 /_J、1 〇
[0044] Socket是对网络中不同主机上应用进程之间进行双向通信的端点的抽象，是建立 在传输层协议(主要是TCP和UDP)上的一种套接字规范，定义了两台PC机之间的通信规范， 最初由美国加利福尼亚大学Berkley分校提出，是为Unix平台开发的网络通信接口。随着 Unix的广泛应用，Socket套接字成为TCP/IP网络中最为通用的应用程序编程接口（API)， 也是在Internet上进行应用开发最为通用的API。它屏蔽了网络底层通信软件和具体操 作系统的差异，程序员只需要在通信两端各自创建一个Socket，然后通过调用套接字相关 API进行数据的传输，就能实现两台PC机之间的相互通信。应用进程、Socket、网络协议栈 及0S的之间关系如图6所示。
[0045] 在Windows网络编程中，常用的Socket类型有三种：流式套接字、数据报套接字以 及原始式套接字。它们之间的区别主要有以下几点：①流式套接字提供双向、有序、无重复、 无边界记录的可靠的数据流传输服务。在Internet通信域中，流式套接字使用TCP协议形 成的进程间通路，具有TCP协议为上层所提供服务的所有特点，在使用流式套接字传输数 据前，必须在数据发送端和数据接收端间建立连接，是一种面向连接的服务。②数据报套接 字提供无连接的、不保证可靠的、独立的数据报传输服务。在Internet通信域中，数据报套 接字使用UDP数据报协议形成的进程间的通路，具有UDP协议为上层所提供服务的所有特 点。③原始式套接字允许对较低层次的协议，如IP、ICMP直接访问，用于检验新的协议的实 现。例如，用于探测主机和主机之间是否可以通信的ping程序就是通过ICMP实现的。
[0046] 面向连接协议下，套接字调用流程如图7所示。具体实现过程中，服务器端首先在 约定端口开启一个用作监听的Socket,负责监听来自客户的请求，并用Accept ()循环依次 取出各个客户连接请求进程，建立连接后通过Fork ()函数生成子进程产生新的Socket与 客户交换信息。父进程则关闭新的Socket，继续对下一个客户连接请求进行处理。由于服 务器的监听Socket对fork出的子进程没有用处，所以在子进程中应该将其关闭。
[0047] 2)ACE中间件技术。直接使用Sockets API进行网络编程很麻烦，原因主要有以 下几点：①原始的Sockets API通过弱类型化的整数或指针实现Socket句柄标识，编译时 也没有对这些句柄是否正确使用进行确认，因而会在运行时引发微妙的错误。比如，如果 将一个被动侦听句柄传给send〇或recvO函数，这种情况是编译器无法检测的。②原始 Sockets API通过一个借口支持多个协议簇和通信模式，过于复杂。比如主动连接建立、被 动连接建立和数据传输等功能都是通过一个API接口实现，要诊断不适当的用法，编译器 无法提供帮助。③尽管Sockets API已经普遍存在，但不具有可移植性。比如，对于socket句 柄，不同的平台采用不同的表示法，在Win32平台上，socket句柄使用的是指针，但在Unix 中，它们使用的则是整数。
[0048] ACE 自适配通信环境（Adaptive Communication Environment)是面向对象的框 架和工具包，封装了许多形式的进程间通信(简称IPC)，为通信软件实现了核心的并发 和分布式模式，是一种广泛使用的主机基础设施中间件。它提供了一组丰富的可复用的 C++Wrapper Facade (包装外观)和框架组件，可跨越多种平台完成通用的通信软件任务，其 中包括：并发执行和同步、进程间通信、共享内存管理、信号处理、消息路由、事件多路分离 和事件处理器分派、服务初始化、分布式服务动态(重配置)、并发执行和同步，等等。
[0049] ACE中包含的主要框架如图8所示，ACE框架有三个基本层次：操作系统（0S)适 配层、C++包装层以及框架和模式层。0S适配层直接驻留在用C写成的本地OS API之上， 隐藏了和平台相关细节，提供了统一的0S机制接口，方便更高级的ACE层使用。0S接口的 C++包装层通过将现有的"非面向对象"API所提供的函数和数据封装到了简明、健壮、可移 植、可维护、一致的"面向对象"类接口，可以直接在ACE0S适配层上编写高度可移植的C++ 应用。有效地解决了传统Sockets API的偶发复杂性，使得程序开发者不必纠结于低级网 络编程细节，而将注意力集中到以应用为中心的问题上。ACE框架层集成并增强了较低层次 的C++包装外观，是一个高级的网络编程框架，开发者可以对其进行实例化和定制，以提供 完整的网络化应用和服务组件。
[0050] ACE Reactor 和 Proactor 框架。ACE Reactor (反应器）和 Proactor (前摄器）是 可扩展的面向对象多路分离器，它们使"为响应多种类型的基于I/O、定时器、信号和同步的 事件而进行检测、多路分离，以及应用定义的处理器分派"得以自动化。
[0051] ACE Service Configurator 框架。ACE Service Configurator (服务配置器）允许应 用在运行时重新配置其服务，而无需修改、重新编译或重新链接程序自身，也不需要关闭和 重启应用。
[0052] ACE Task框架。ACE Task (任务器)提供强大而可扩展的面向对象并发能力，比如 可实现在对象的上下文中派生线程，以及在执行的不同线程中的对象之间传送消息和对消 息进行排队。
[0053] ACE Acceptor-Connector 框架。ACE 提供的 Connector (连接器)和 Acceptor (接 收器），用于降低连接和初始化活动与连接建立后应用所执行的实际处理之间的耦合。在接 受大量连接请求的应用服务器中，连接首先以应用特有的方式初始化，然后每一连接被相 应处理例程分别处理。这种耦合是的开发者能够单独考虑连接的处理和初始化。
[0054] ACE Streams框架。ACE Streams (流）用来简化分层式/模块化应用的开发。这 些应用可以通过双向处理模块进行通信。
[0055] 这些框架使得程序开发者可以通过C++语言特性来定制其具体应用。本实用新型 专利就大量使用了 ACE中间件技术。
[0056] 关于GPRS数传子系统
[0057] 1)无线通信模块。无线通讯模块使用WAVEC0M公司的Q2406A模块，它嵌入了可选 tcp/ip协议栈以及UDP协议栈，主要的AT指令如下所示：
[0058] AT+CGREG=1 ;// 设定 GPRS 注册情况
[0059] AT+CGATY=1 ;//GPRS 网依附
[0060] AT#APNSERV=" CMNET" ;//设定 GPRS 接入点
[0061] AT#APNUN="" ;//身份检验证实用户名设为空
[0062] AT#APNPW="" 身份检验证实密码设为空
[0063] AT#ConnectionStart ;// 连接 GPRS 网登录因特网
[0064] AT#TCPSERV=" 125. 216. 243. 31" // 置服务器 IP 地址
[0065] AT#TCPP0RT=" 8080" //设定服务器与客户端通信的Socket端口
[0066] 特定时间下，通用分组无线服务技术模块进入信息数据传输，可经由串口向GPRS 模块发送视频截图信息数据，模块经由Socket发送到服务器。信息数据传完后图像后， Q2406A又回到AT指令等待状态。图像文件通过GPRS模块的发送过程如图9所示。
[0067] 现场数据采集和处理子系统与远程监测服务端通过GPRS网络建立连接来传输数 据，指令采用以下方式：现场视频采集和处理子系统通过GPRS数传子系统与通信基站通 信，GPRS分组数据包从GSM基站发送到GPRS服务支持节点（Serving GPRS SUPPORT NODE即 SGSN)，再由SGSN送到网关GPRS支持节点（GatewayGSN即GGSN)，GGSN处理分组数据包，转 换为可在因特网中传送的格式，最终送给远程监测服务端。远程监测服务端接入因特网，并 拥有一个固定的实IP地址，现场视频采集和处理子系统被设定在上电后定时自动发送图 像数据包。
[0068] 2)基于GPRS的灾害检测数据通信系统
[0069] 基于GPRS的灾害检测数据通信系统通过摄像头将光信号转化为电信号，并以数 字的形式保存起来；信源编码模块完成视频信号的压缩；信道编码模块将压缩后的视频信 号转换为适合在GPRS网络信道上传输的数据包行驶；GPRS数传子系统主要完成GPRS网络 连接、Socket数据传输等任务；远程监测服务端完成对数据的接收、解码、存储工作。
[0070] 当前应用广泛的系统结构在信道编码方面没有做特殊处理，在GPRS数传子系统 采用TCP协议进行通信。由于TCP协议对于丢包采用反馈重传的机制，所以在理想的网络 状况下，这种结构是可靠的。但是当GPRS网络拥挤，或者无线信道恶劣的时候，一方面丢包 概率高、数据包的传输时延大，另一方面反馈重传机制所占用的信道资源会恶化这种情况。 在这种情况下，基于GPRS的灾害检测数据通信系统的性能会变得很差。本实用新型专利提 出在信道编码模块采用LT喷泉码对数据包进行编码，在GPRS数传子系统采用UDP协议进 行数据传输的视频数据通信方法。这种方法一方面利用了 UDP协议数据包传输时延小，数 据包的效率高的有点，另一方面喷泉码的编码方法弥补了 UDP协议可靠性差的缺点。这种 结构使得基于GPRS的灾害检测数据通信系统的有效性和可靠性同时得到保证。
[0071] 关于信源编码模块和信道编码模块(喷泉码概述及其度量，喷泉码结合UDP协议 的GPRS传输仿真）
[0072] (1)应用喷泉码的原因。GPRS成熟的网络拓扑与基础设施使得高速分组业务得以 实施，但在广播或多播传输时，由于存在反馈信息，大延时及网络广播风暴问题日益凸显。 用户数据报协议（User Data Protocol，UDP)在网络中与TCP协议一样用于处理数据包，在 网络传输中不需要建立连接才能通话，实时性高。UDP协议的优点是单数据包标题短(仅有 8个字节)，相对于TCP的20字节额外开销而言很小；UDP传输数据速度只受应用程序生成 数据速率和传输带宽的限制，可以广播和组播且没有反馈重传机制。因此不受到拥挤控制 算法的控制，数据包的传输时延也远小于TCP。但由于UDP协议不能反馈重传，即发端无法 确知收端收到数据，且无从保证数据包到达顺序。因此在上述GPRS数传子系统中结合喷泉 编码传输可增强UDP协议的可靠性。
[0073] GRPS数传子系统的传输信道可视为删除信道，其中欲传输的数据包通过此类信道 传输时存在丢失概率即：丢包率。在包含喷泉编码的GPRS数传子系统接收端，数据包要么 被正确接收，要么被丢弃，其信道为基于二进制删除信道基础上的包删除信道，其示意图如 下图10所示。在图中，"000"到"111"表示8种可能输入。当GPRS网络拥挤时，信道的丢 包概率可能会很高，在某些极端的状况下可能会达到30%以上。此时这种情况下基于TCP 协议的传输方式会造成大量反馈重传请求，甚至会加重信道的阻塞；普通的UDP协议传输 方式没有反馈重传，但是收端会基本上无法有效的解出数据。但若采用喷泉码对信息进行 编码，则可以在接收端收集到一定数目的数据包后依旧可将数据有效解算出来。
[0074] 数字喷泉码是继Tornado码后，由John Byers及Michael Luby等人于1998年首 次提出和证明的接近最优编码性能的无比率编码（Rate-less Codes)。其基本思想是信源 像喷泉一样将数据分包撒到信道上，而信宿接收到足够的数据包(水滴）就可将信源发送的 信息完全恢复出来，且不需考虑接收数据包的序号，也避免了信宿对信源的大量ARQ请求， 大大节省了信道资源。
[0075] 1)数字喷泉码的基本原理。喷泉码的编码过程是编码器将一定数量的原始数据生 成任意数量的编码数据包，这些数据包再经信道部分到达接收端，接收端译码器通过接收 到的部分数据包就可以将原始数据解算出来，这一过程译码器接收足够数量的编码分组， 即成功译码。数字喷泉码的编码器由K个原始数据包生成任意N个编码数据包（N>K)，接收 端只要接收到任意K'个编码数据包，就可以"译码冗余ε =Γ /K-1"相关的可控概率恢复 出原始数据。译码冗余ε越大，则恢复的概率就越高。但对于高效译码，希望ε尽可能趋 于0,而恢复出原始数据的概率尽可能的大。典型的喷泉码包括Tornado码、LT码和Raptor 码三种。由于LT码是实用的成熟喷泉码，所以本实用新型专利选择在GPRS信道上采用LT 喷泉码对视频信号进行编码并传输的处理方法。
[0076] 2) LT数字喷泉码的编码。经Luby证明，选取合适度分布得非正则儿粪土的喷泉 编码，可以实现最优纠删码。维度分布是指任意编码输出符号具有维度d(即有d个邻居节 点)的概率分布，它决定了编译码的性能。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。具 体编码过程如图11所示。图中的编码过程为：根据维度分布μ (d)随机地选取K个编码符 号的度数d ;再从K个输入符号中均匀随机选取d个不同输入符号做为编码符号的邻居节 点；再对这d个输入符号做异或运算，得到一个编码符号值；译码过程采用经典的置信传播 (BP)算法，图中下半部分给出了 K=3, N=4的迭代译码过程。
[0077] (2)在GPRS信道下应用喷泉码。本实用新型专利对基于GPRS的灾害检测数据通 信系统的数据传输过程进行了改进，即将数字喷泉码结合UDP协议在GPRS信道中进行数据 传输，充分考虑到了网络的覆盖性及数据的可靠与持续性传输两方面，如图12所示。图中 经过压缩的视频图像数据经过喷泉吗编码后，再以UDP协议进行传输。
[0078] 1)改进的数字喷泉编码结构。基于RSD分布的喷泉编码，维度d的值随机产生，以 码长K=1000为例，根据相关公式可计算得到度为1的编码分组概率为0. 001。这样的纠删 码正确解码变得困难，译码器需要接收更多的编码分组才能完全译码，这严重影响了 LT码 的译码性能。因此考虑对LT编码进行改进，其改进思路是在LT编码器之后添加自适应编 码器，编码中，自适应编码器检查编码器的输出编码分组，如果连续Μ个编码分组的度均不 为1，则将组成最后一个编码分组的任意一个数据分组作为一个新的度为1的编码分组插 入最后一个编码分组之后。通过这种插值的方法来增大度为1的编码分组的概率、改进度 分布，以保证LT码的译码性能。
[0079] 2) LT喷泉码译码方法。基于度分布的数字喷泉码是一种无码率且具有线性编译 码复杂度的随机编码，适用于任何信道，且在包通信系统中有接近理想的纠删性能。本实用 新型专利中数字喷泉码采用置信传播（Belief Propagation, ΒΡ)迭代译码算法与高斯消元 法(简称GE算法）相结合的译码方式。喷泉码先采用BP迭代译码算法，用这种译码方式的 相对于其他的喷泉码的优势是可大大降低算法复杂度。译码算法步骤如下：
[0080] 步骤1、接收一定数量的编码符号，根据编码符号与输入符号的对应关系建立双向 图；
[0081] 步骤2、任意选取一个度为1的编码符号，若不存在这样编码符号则译码停止；若 存在，即可恢复与该编码符号相连的唯一输入符号；
[0082] 步骤3、对于已恢复的输入符号，将与其相连的所有编码符号分别异或，并将计算 结果取代原编码符号的值，然后在双向图中删除它们之间的连接关系，从而使得这些编码 符号的度数减1 ;
[0083] 步骤4、重复步骤2和3,直至译码停止。若所有输入符号都已恢复，则译码成功； 否则，译码失败。
[0084] 当数字喷泉码译码遇到停止集的情况时，BP译码过程结束，继续采用高斯消元 (GE)法，利用生成矩阵G、数据矩阵Μ和编码矩阵E之间的关系E=G*M错误！未找到引用 源。，在已知E和G的条件下通过解线性方程求出M。发送端生成的Ν'个编码分组经信道传 输丢失了一部分，接收端在收到包含Ν'个编码分组的矩阵Ε'时重建对应的编码矩阵G'（根 据分组序号和产生位置向量的随机数种子)。这时有等式关系E'=G'*Μ'错误！未找到引 用源。成立"当且仅当G'的秩为Κ时，即收到Ν'个向量线性无关时，Μ'有且唯一解Μ' =Μ 解码完成；否则需接收更多的编码分组。
[0085] 3)联合度分布的应用。弱度分布QWD在ΒΡ算法下的完全解码冗余度非常高，且 不具有随数据长度增加的渐近性。从数据长度κ=1000到Κ=10000,平均冗余度不但不减小， 反而呈现增长的趋势。这是由于弱度分布的每一个概率项都是固定的，且项数不会随数据 长度改变，当数据长度增加时，平均每个编码分组的度数为一个固定值(约5. 87)。因为缺乏 足够的平均度数，在解码的过程中1度结点的释放很容易出现中断，导致解码失败。
[0086] 但是另一方面，对于只要求尽量恢复的场合，弱度分布具良好的表现。设定一个冗 余度ε，定义错误！未找到引用源。，弱度分布可以以小于错误！未找到引用源。（c是一个 取决于ε的正实数)的失败概率从任意错误！未找到引用源。个收到的编码分组中恢复出 错误！未找到引用源。个数据分组。这对本实用新型专利所设计的联合度分布编解码方案 具有重要意义。在这个方案中，弱度分布并不用于完全恢复数据分组，只是恢复其中的一部 分错误！未找到引用源。，剩下的数据分组由Modified Soliton分布进行后续恢复，以完成 整个解码过程。
[0087] (3)喷泉码结合UDP协议的GPRS传输实验。针对图12中虚线框部分内容进行蒙 特卡洛仿真。基于GPRS的灾害检测数据通信系统采用UDP协议进行数据传输，数据使用采 用鲁棒孤子分布的LT喷泉码进行编解码。每帧图像为8KB，以256字节为一个数据包进行 拆分，经过LT编码后在删除信道上进行传输，信道中丢包概率为40%?50%。实验结果如图 13所示。根据实验结果，可得出结论：在信道质量很差的时候，通过UDP协议+LT喷泉码编 译码的方式可以在信道状况很差的情况下通过较小的冗余度获取可靠的性能，而且考虑到 UDP协议数据包报头体积远小于TCP协议数据包报头体积，这种冗余是可以忽略的。因此， UDP协议+LT喷泉码的通信方式对于基于GPRS的灾害检测数据通信系统设计具有很高的参 考价值。
[0088] 本实施例在传统的基于TCP协议的GPRS数据传输方式基础上，提出了一种基于 Μ)Ρ协议+LT喷泉码的数据传输方式。这种方式克服了 TCP协议在信道状况较差情况时，信 道被反馈重传请求阻塞的问题；同时这种方法通过使用喷泉码弥补了 UDP协议不可靠的问 题，并且通过实验验证了在GPRS信道状况很差的时候通过较小的译码冗余可以将数据正 确解算，而这些译码冗余相对于TCP协议中数据报头的体积和反馈重传所占用的信道资源 而言是可以接受的。本实用新型专利的系统结构为多个监控节点通过GPRS网络连接到一 个远程监测服务端节点上。下一代的基于GPRS的灾害检测数据通信系统可能存在多个服 务器节点，且每个监控节点的数据需要分别发送到每个服务器，以提高整个系统的可靠性。 在这种情况下，基于UDP协议+LT喷泉码的通信方式的优势会更加明显：不必像TCP协议 下，每个监控节点需要向每个服务器发送视频数据，每个监控节点只需要向GPRS信道上发 送经过编码后的数据包，各个服务器收集到足够的数据包后即可解码，从而大大的节省了 信道带宽。
[〇〇89] 上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种基于物联网的灾害检测数据通信系统，其特征在于：包括 现场数据采集和处理子系统，包含压缩处理模块，以及一个以上的检测探头、摄像头， 检测探头、摄像头获取所在位置的相应数据、图像，压缩处理模块首先对采集到的数据、图 像的模拟信号转换成数字信号，然后进行压缩处理成数据包，最后将数据包发送至GPRS数 传子系统； GPRS数传子系统，包含信源编码模块和信道编码模块，信源编码模块和信道编码模块 对数据包进行编码，调整格式后载入彩信或短信包中，发送给远程监测服务端； 远程监测服务端，接收GPRS数传子系统发送的数据包，并对数据包进行解码、分析、处 理，并发出指令通过GPRS数传子系统传输给现场数据采集和处理子系统，控制下一步的动 作。
2. 根据权利要求1所述的基于物联网的灾害检测数据通信系统，其特征在于：所述的 GPRS数传子系统，采用TCP协议进行通信。
3. 根据权利要求1所述的基于物联网的灾害检测数据通信系统，其特征在于：所述的 GPRS数传子系统，采用UDP协议进行通信，信道编码模块采用LT喷泉码对数据包进行编码。
4. 根据权利要求1所述的基于物联网的灾害检测数据通信系统，其特征在于：所述的 检测探头根据需要而设置，为压力传感器、温度传感器、烟雾探测器、气体浓度探测器的一 种以上。
5. 根据权利要求1所述的基于物联网的灾害检测数据通信系统，其特征在于：所述的 基于物联网的灾害检测数据通信系统，还包括移动终端，GPRS数传子系统同时将数据发送 至移动终端，移动终端为智能手机或PDA。
【文档编号】G08C17/02GK203870785SQ201320851976
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】肖南峰 申请人:华南理工大学