一种易于配置的物联网监测系统快速构建方法与流程

本发明涉及物联网监测系统领域，具体是一种易于配置的物联网监测系统快速构建方法。

背景技术：

目前，依赖物联网技术构建相关领域的监测系统得到了学术界和工程界的广泛关注，越来越多的领域出现了大量的物联网监测系统，如工业环境监测、高压电网线路监测、交通流量监测、农业物联网监测、建筑结构健康监测、矿山矿井环境监测等等。物联网监测系统主要包括感知层、传输层、应用层三个部分，感知层负责采集相关数据，传输层通过无线、有线、有线无线混合等方式将数据传输至数据中心，应用层根据相关需求以各种可视化方式呈现监测数据并提供数据分析。

但现有物联网监测系统在开发过程中也面临一些问题：

1)物联网技术主要利用无线传感网络的多跳自组织、自适应、高灵活性、动态性、可靠性等特征，相对于传统技术，物联网技术给监测系统的构建带来众多便捷，但同时也给开发和调试工作带来困难。监测系统一般布置在恶劣环境下，人员不易到达，而监测系统开发过程中需要进行交互调试、部署、测试，一般开发方法和过程不适宜于该系统的开发。

2)监测系统具有众多类型的传感器，如电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力等等，同时不同监测区域内的监测类型、监测关注点、影响因素也各不相同，而常规的计算机监测系统构建过程中采取需求定制、现场定标、人员定维的方式，直接采用传统方式进行平台设计、建设与维护费时费力，缺乏可移植性与灵活性。

3)在系统开发方法方面，现有的快速模型、螺旋模型、V模型等软件工程开发方法，从宏观角度给出了系统开发的框架，而细节方面在物联网监测系统适用度上存在不足。物联网监测系统的开发需要满足敏捷、高灵活、可配置、快速搭建等要求。

4)针对同一监测系统，不同用户的应用需求和应用场景也有差别，现有方法在同一系统部署到不同应用场景下也存在不足，缺乏灵活性和可配置性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种易于配置的物联网监测系统快速构建方法，以解决现有技术存在的问题，实现快速构建物联网监测系统的目的。本领域人员按照本发明提出的方法结合相应的工程开发方法即可完成对物联网监测系统的快速构建。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种易于配置的物联网监测系统快速构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)、基于自然语言的用户需求描述：针对正在实施的物联网监测系统，开发者与用户进行需求分析，并形成用户需求描述文档；

(2)、基于半形式化或形式化的需求描述：由于自然语言存在二义性，由步骤(1)得到的文档可能存在错误或矛盾，开发者根据步骤(1)得到的用户需求描述文档通过半形式化或形式化语言重新进行需求描述和验证，以确保所得到的用户描述的正确性；若开发者可确定步骤(1)所得到的用户需求描述，则可跳过步骤(2)进入步骤(3)；

(3)、应用层构造物联网监测系统项目的配置表和解析表：通过步骤(1)、(2)所确认的用户需求描述文档，可构造所开发系统的配置表，通过提取需求描述中的被监测对象特征、监测数量及位置、监测精度及报警条件、所需安装的传感器类型、采集和采样频率描述，进行配置表构造；构造配置表的主旨思想是通过通道抽象、配置表、数值变换实现程序与数据完全分离、下位机统一处理、无需知道所监测对象的物理意义，从而方便配置和移植；针对需求描述，按照如下子过程构造物联网监测系统的配置表和解析表，建立数值转换映射关系：

(3.1)、将多路监测信号抽象为多路通道，以便后面进行统一处理，感知层布置有N个监测采集节点，每个监测采集节点含有n个传感器，则每个监测采集节点含有n路通道；通道类型分为模拟量、数字量、开关量、线性、非线性、脉冲、混合、其他；每个通道定义一个端口，端口类型表示从电路角度出发该通道信号的来源；端口地址是虚拟地址，一般记录电路图中与该端口相连接的信号线序号；

(3.2)、构造配置表：配置表是供感知层监测节点使用的，主要思想是通过配置表实现对任意数量传感器、任意类型传感器、任意采集逻辑进行配置，配置表将通过传输层下载至感知层监测节点，按照配置表中的规则，可实现对监测值进行统一处理，既满足了高灵活可配置、代码易维护易移植又实现了低功耗；

配置表结构为n行m列的二维关系表，其中n为通道数目，为叙述方便，将m列分为基本属性、通道特性、监测要求三个组，基本属性组包括检测量名称、传感器标识、物理量单位基本信息；通道特性组包括通道类型、端口类型、端口地址、单次采集时长、采集数值字长、无效低位、上报字长、测量上界值、测量下界值、通道精度这些通道信息；监测要求组包括监测最高值、监测最低值、上限报警值、下限报警值、最小保留差值、最小发送差值、精度、正常采集频度、报警采集频度、采样次数、睡眠间隔；

(3.3)、构造解析表：解析表是供应用层解析所采集数据使用的，从感知层传回的数据是经过配置表变换的数据，需要进行反变换解析才能得到真实物理量，解析表主要记录了反变换中的相关参数；

解析表结构为n行m列的二维关系表，其中n为通道数目，为叙述方便，将m列分为计算基数和计算样本两个组，计算基数组主要包括当量值、基本底数、上报警数、下报警数、最小记差、最小发差、正常采集频数、报警采集频数、采样间隔数；计算样本组主要包括采样数、上报数、检测量；

(3.4)、建立数值变换映射，有了配置表和解析表，还需要对其中的数值关系进行变换映射，变换分为基于配置表的感知层监测节点数据变换处理和基于解析表的应用层数据反变换处理两部分，以下计算过程的变量都可从配置表和解析表中获得：

基于配置表的感知层监测节点数据变换处理按照如下公式依次求得感知层监测节点某通道最终上报数值X：

d＝(Ah-Al)/2^N1-N2 (1)

X_min＝Bl/d (2)

X₂＝X₁ (3)

$X_3=\stackrel{\‾}{X_2}---\left(4\right)$

X₄＝X₃/2^N2 (5)

X_B＝X₄-X_min (6)

X＝X_B (7)

其中，公式(1)为计算某通道精度d，其中Ah和Al分别表示通道可测量的物理量最大值和最小值，N1、N2分别表示采集数值的字长和无效低位数；公式(2)为计算基本底数，为32位二进制补码，Bl为需要测量物理量的最小值；公式(3)为将通道采样的原始值转化为统一字长；公式(4)为多次采样值的平均值，由于求平均值需要用到除法，考虑到芯片计算采用二进制，故一般采样次数为2的指数次方；公式(5)为去除无效低位，通过该公式可以去除不稳定、不需要的低位；公式(6)为减去基本底数，通过该公式可将上报数所在区间移动到最小正数区间；公式(7)为将数值统一成16位无符号数，这样既保留了数据的精度又保证去除了无用字长；X1、X2、X3、X4、X5分别代表通道采样原始值、转换统一字长后的值、求得的平均值、去除无效低位后的值、减去基本底数后的值；

基于解析表的应用层数据反变换处理根据公式(8)进行数据解析，E是最终物理量值即为感知层监测节点某通道采集的真实数值，X为从感知层传上来的数据：

E＝X·d+Bl (8)

(3.5)、生成配置下载文件，该配置下载文件将通过传输层下载到感知层的传感器监测节点中；配置下载文件由配置表按照某种数据结构转换得到，可使用数组、二维数组、自定义结构体、优先队列等这些数据结构，可根据监测节点需要进行设计；

(4)、传输层无线或有线下载协议设计：为实现系统快速构建和远程调试，降低开发人员驻场实地开发的困难，传输层需提供程序下载功能，应用层根据需要可将程序、配置表下载至感知层监测节点，这就需要相关下载协议，下载过程可以通过无线或有线方式进行；

(5)、感知层监测节点设计：感知层监测节点完成对数据的采集和简单处理，采集和处理过程开发者可通过一般性开发方法完成开发；

本发明提出了一种易于配置的物联网监测系统快速构建方法，工程人员可以通过本方法进行物联网监测系统的快速搭建和开发，可迅速生成软硬件原型系统以适用于不同的监测对象，大大提高了开发效率和适用性。该方法具体是将物联网监测系统中的监测类型抽象为通道类型，采用“配置参数与程序分离”思想，提供通用文本环境下的“用户描述”接口，所生成的传感节点配置表信息能够直接通过机器翻译方式，转换为嵌入式程序，并可结合IAP(In Application Programming，应用编程)技术随时随地更新服务需求。

本发明提供的方法可以实现远程调试、部署、测试，适用于系统的开发和部署；通过抽象通道统一处理结合配置表解析表的模式，解决了不同类型传感器、不同监测区域、监测需求不同等实际问题，较传统方法有较大提高；通过本方法与现有软件工程开发方法结合可以实现对物联网监测系统的高灵活、可配置、快速搭建；同时也方便简捷地实现了同一系统部署到不同应用场景下的高灵活性和可配置性。

附图说明

图1为本发明中步骤(3.2)所述配置表样式图。

图2为本发明中步骤(3.2)所述监测要求组原则示意图。

图3为本发明中步骤(3.3)所述解析表样式图。

图4为本发明中步骤(4)所设计的下载交互过程图。

具体实施方式

一种易于配置的物联网监测系统快速构建方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)基于自然语言的用户需求描述。针对正在实施的物联网监测系统，开发者与用户进行需求分析，主要涉及规模、监测类型、监测点部署、监测需求等方面，形成用户需求描述文档；

(2)基于半形式化或形式化的需求描述。由于自然语言存在二义性，由步骤(1)得到的文档可能存在错误或矛盾，开发者根据步骤(1)得到的用户需求描述通过UML等半形式化语言或Event-B等形式化语言进行需求描述和验证，以确保所得到的用户描述的正确性。若开发者可确定步骤(1)所得到的用户需求描述的正确性，则可跳过步骤(2)进入步骤(3)。

(3)应用层构造物联网监测系统项目的配置表和解析表。通过步骤(1)(2)所确认的需求描述，可构造所开发系统的配置表，通过提取需求描述中的被监测对象特征、监测数量及位置、监测精度及报警条件、所需安装的传感器类型、采集和采样频率等描述，按照步骤(3)进行配置表构造。构造配置表的主旨思想是通过通道抽象、配置表、数值变换实现程序与数据完全分离、下位机统一处理、无需知道所监测对象的物理意义，从而方便移植和配置。针对需求描述，按照如下子过程构造物联网监测系统的配置表和解析表，建立数值转换映射关系。

(3.1)将多路监测信号抽象为多路通道，以便后面进行统一处理。感知层布置有N个监测采集节点，每个监测采集节点含有n个传感器，则每个监测采集节点含有n路通道；通道类型主要分为模拟量、数字量、开关量、线性、非线性、脉冲、混合、其他；每个通道定义一个端口，端口类型表示从电路角度出发该通道信号的来源(如A/D芯片、I2C芯片等各类总线或信号线)；端口地址是虚拟地址，一般记录电路图中与该端口相连接的信号线序号。

(3.2)构造配置表：配置表是供感知层监测节点使用的，主要思想是通过配置表实现对任意数量的传感器、任意类型的传感器、任意采集逻辑进行配置，配置表将通过传输层下载至感知层监测节点，按照配置表中的规则，可实现对监测值进行统一处理，既满足了高灵活可配置、代码易维护易移植的需求又实现了低功耗。

配置表结构为n行m列的二维关系表，其中n为通道数目，为叙述方便，将m列分为基本属性、通道特性、监测要求三个组，基本属性组包括检测量名称、传感器标识、物理量单位等基本信息；通道特性组包括通道类型、端口类型、端口地址、单次采集时长、采集数值字长(多少个二进制位)、无效低位(采集信号量的低位无效部分)、上报字长(最终上报的二进制位数)、测量上界值、测量下界值、通道精度等通道信息；监测要求组包括监测最高值、监测最低值、上限报警值、下限报警值、最小保留差值、最小发送差值(相邻两次数据的差值的最小值)、精度、正常采集频度、报警采集频度、采样次数、睡眠间隔。

如图1所示为某一种配置表的样式，包含上述信息的配置表样式可根据实际情况构造。

这里重点解释监测要求组的相关设计思想。物联网监测系统周期性或非周期性采集监测数据并将数据进行上报，在大多数情况下，被监测对象处于稳态，其物理量值变化不大，大量的监测数据存在冗余，此时按照常规方法进行上传则会导致通信开销过大，尤其使用无线传感网络时会导致节点过早死亡，因此需要进行低功耗设计。在感知层采用“采而不记、记而不传、超限即发，攒起来发”的原则来进行监测数据的预处理，如图2所示，“采而不记”指的是当相邻监测数据差值在一定范围内，则认为数据稳态，不需记录和发送；“记而不传”指的是当数据超出范围但可以接受(即大于最小保留差值且小于最小发送差值)则进行记录而不发送；“超限即发”指的是当数据超出范围且不可接受(即大于最小发送差值)则立即发送该异常报警数据；“攒起来发”指的是在一段时间内无异常报警数据，则将这一段时间所记录下的数据一次性全部打包上传。

(3.3)构造解析表：解析表是供应用层解析采集数据使用的，从感知层传回的数据是经过配置表变换的数据，需要进行反变换解析才能得到真实物理量，解析表主要记录了反变换中的相关参数。

解析表结构为n行m列的二维关系表，其中n为通道数目，为叙述方便，将m列分为计算基数和计算样本两个组，计算基数组主要包括当量值、基本底数、上报警数、下报警数、最小记差、最小发差、正常采集频数、报警采集频数、采样间隔数等；计算样本组主要包括采样数、上报数、检测量等。

如图3所示为某一种解析表的样式，包含上述信息的解析表样式可根据实际情况构造。

(3.4)建立数值变换映射，有了配置表和解析表，还需要对其中的数值关系进行变换映射，变换主要分为基于配置表的感知层监测节点数据变换处理和基于解析表的应用层数据反变换处理两部分，以下计算过程的变量都可从配置表和解析表中获得。

基于配置表的感知层监测节点数据变换处理主要按照如下公式依次求得感知层监测节点某通道最终上报数值X。

d＝(Ah-Al)/2^N1-N2 (1)

X_min＝Bl/d (2)

X₂＝X₁ (3)

$X_3=\stackrel{\‾}{X_2}---\left(4\right)$

X₄＝X₃/2^N2 (5)

X_B＝X₄-X_min (6)

X＝X_B (7)

其中，公式(1)为计算某通道精度d，其中Ah和Al分别表示通道可测量的物理量最大值和最小值，N1、N2分别表示采集数值的字长和无效低位数；公式(2)为计算基本底数，为32位二进制补码，Bl为需要测量物理量的最小值；公式(3)为将通道采样的原始值转化为统一字长；公式(4)为多次采样值的平均值，由于求平均值需要用到除法，考虑到芯片计算采用二进制，故一般采样次数为2的指数次方；公式(5)为去除无效低位，通过该公式可以去除不稳定、不需要的低位；公式(6)为减去基本底数，通过该公式可将上报数所在区间移动到最小正数区间；公式(7)为将数值统一成16位无符号数，这样既保留了数据的精度又保证去除了无用字长；X1、X2、X3、X4、X5分别代表通道采样原始值(N1位的二进制补码)、转换统一字长后的值、求得的平均值、去除无效低位后的值、减去基本底数后的值。

基于解析表的应用层数据反变换处理根据公式(8)进行数据解析，E是最终物理量值即为感知层监测节点某通道采集的真实数值，X为从感知层传上来的数据：

E＝X·d+Bl (8)

(3.5)生成配置下载文件，该配置下载文件将通过传输层下载到感知层的传感器监测节点中，一般采用HEX文件格式进行存储，也可采用其他文件结构。配置下载文件由配置表按照某种数据结构转换得到，可使用数组、二维数组、自定义结构体、优先队列等多种数据结构，可根据监测节点需要进行设计。

(4)传输层无线或有线下载协议设计。为实现系统快速构建和远程调试，降低开发人员驻场实地开发的困难，传输层需提供程序下载功能，应用层根据需要可将程序、配置表下载至感知层监测节点，这就需要相关下载协议，下载过程可以通过无线或有线方式进行。如图4为传输层无线或有线下载交互流程示意图。

(5)感知层监测节点设计：感知层监测节点主要完成对数据的采集和简单处理，这个过程，开发者可通过一般性开发方法完成开发。

具体实施例：

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

以基于物联网的建筑结构健康监测系统为例，从机场到剧院，从桥梁到高楼，建筑结构形态各异导致不同建筑结构健康的关注点和影响因素各不相同。这就需要建筑结构健康监测系统能够根据不同的建筑、不同监测需求、不同监测目标来自适应，按照本专利提出的方法进行设计和开发可实现自适应、易移植的物联网监测系统。

按照本发明步骤进行构建：

(1)基于自然语言的用户需求描述。针对正在实施的某建筑结构健康监测系统，开发者与用户进行需求分析，主要涉及规模、监测类型、监测点部署、监测需求等方面，形成用户需求描述文档。该结构包括两个监测点，一个监测点需要监测结构的温度、应变、节点的充电电压、电池电压，另一个监测点需要监测结构的温度、应变、电池电压。

(2)可确定步骤(1)所得到的用户需求描述正确，不需要进行形式化验证，故而直接进入步骤(3)。

(3)应用层构造物联网监测系统项目的配置表和解析表。

(3.1)将多路监测信号抽象为多路通道，以便后面进行统一处理。感知层布置有2个监测采集节点，一个监测节点含有4个传感器(4个通道)，另一个监测节点含有3个传感器(3个通道)；

(3.2)构造配置表，配置表是供感知层监测节点使用的。如表1、2所示为该监测系统两个监测节点的配置表。

表1监测节点1的配置表

表2监测节点2的配置表

(3.3)构造解析表：解析表是供应用层解析所采集数据使用的。如表3、4所示为两个监测节点的解析表的样式，包含上述信息的解析表样式可根据实际情况构造。

表3监测节点1的解析表

表4监测节点2的解析表

(3.4)建立数值变换映射，有了配置表和解析表，还需要对其中的数值关系进行变换映射，变换主要分为基于配置表的感知层监测节点数据变换处理和基于解析表的应用层数据反变换处理两部分，以下计算过程的变量都可从配置表和解析表中获得。

基于配置表的感知层监测节点数据变换处理主要按照如下公式依次求得感知层监测节点某通道最终上报数值X。

d＝(Ah-Al)/2^N1-N2 (1)

x_min＝Bl/d (2)

X₂＝X₁ (3)

$X_3=\stackrel{\‾}{X_2}---\left(4\right)$

X₄＝X₃/2^N2 (5)

X_B＝X₄-X_min (6)

X＝X_B (7)

其中，公式(1)为计算某通道精度d，其中Ah和Al分别表示通道可测量的物理量最大值和最小值，N1、N2分别表示采集数值的字长和无效低位数；公式(2)为计算基本底数，为32位二进制补码，Bl为需要测量物理量的最小值；公式(3)为将通道采样的原始值转化为统一字长；公式(4)为多次采样值的平均值，由于求平均值需要用到除法，考虑到芯片计算采用二进制，故一般采样次数为2的指数次方；公式(5)为去除无效低位，通过该公式可以去除不稳定、不需要的低位；公式(6)为减去基本底数，通过该公式可将上报数所在区间移动到最小正数区间；公式(7)为将数值统一成16位无符号数，这样既保留了数据的精度又保证去除了无用字长；X1、X2、X3、X4、X5分别代表通道采样原始值(N1位的二进制补码)、转换统一字长后的值、求得的平均值、去除无效低位后的值、减去基本底数后的值。

基于解析表的应用层数据反变换处理根据公式(8)进行数据解析，表5、6为监测节点的数据解析，E是最终物理量值即为感知层监测节点某通道采集的真实数值，X为从感知层传输上来的数据：

E＝X·d+Bl (8)

表5监测点1的数据解析

表6监测点2的数据解析

(3.5)生成配置下载文件，该配置下载文件将通过传输层下载到感知层的传感器监测节点中，这里采用HEX文件格式进行存储，使用二维数组数据结构。

(4)传输层无线或有线下载协议设计。在该实施例中本发明采用无线下载的方式进行，所采用的无线通信模块为ZigBee模块，按照图4所示的交互流程进行下载。

(5)感知层监测节点设计。感知层监测节点主要完成对数据的采集和简单处理，这个过程，开发者可通过一般性开发方法完成开发。