物联网数据统一模型的实现与应用
2016-05-31王帅帅刘扬
王帅帅 刘扬
摘 要：针对当前暴雨积水、雪情数据采集信息量大，结构不同，格式不一致，呈现方式多样，质量问题等现象，增加了处理与分析的困难程度。文章以北京市西城区为例，结合全区的水雨雪传感器设备现状，进行了数据采集终端统一数据模型的建立，实现了数据的有效统一接入和数据访问接口的应用，形成了水雨雪灾情信息库。提高了获取数据的效率和数据质量，从而为城市灾害预警提供了数据支持和信息保障。
关键词：水雨雪数据；数据采集终端统一数据模型；数据应用；灾情信息库
中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）05-00-03
0 引 言
物联网通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照相关约定协议，将物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1-3]。在物联网中，因为数据的多源异构性，对物联网数据的处理将成为重要技术之一。
近年来，城市暴雨积水、雪灾等自然灾害频发，及时准确地获取高质量的气象数据，能够为保障城市正常运行提供重要的数据支撑。目前利用雨量计、OTT Pluvio2雪量计和无线电子水尺，使用GPRS无线网路技术，依据监测设备传感器的工作原理和监测数据的传输机制实现数据分组发送与接收。鉴于三种监测设备所采集的数据结构格式不同、信息量大且存在质量问题，增加了工作人员处理与分析的难度[4，5]。本文研究将三种数据进行统一接入和数据访问接口的设计，最终以XML数据格式进行数据的交互，并对相关数据质量问题进行处理，实现了数据获取的效率，保障了数据质量，使水雨雪数据在保障城市运行中更好的发挥作用。
XML即可扩展标志语言，是一种具有数据描述功能、高度结构性及可验证性的置标语言，它可以用来标记数据、定义数据类型[6，7]。XML允许用户自行定义标记和属性，并且可以依照所定义的标记和属性的语法来开发应用程序，通过标记来描述数据，因此，可以借助验证规则来规范一个XML文件的内容和结构，便于数据的交互。
1 原始数据简介
水雨雪三种物联网监测设备，一般按照国家水情信息传输编码标准进行数据包的发送，但为了实现水情信息的丰富性和保密性，各公司生产的仪器具有某些特殊编码，为了实现信息全面、准确的解析，就必须全面掌握水雨雪三种数据包的数据结构和格式。GPRS数据在网络传输过程中以数据包的形式进行传输，每个数据包都包含包头文件和数据主体。
1.1 降雨数据格式
（1）报头文件
@@15165335526IP：123.23.23.25##，@@是字符头，15165335526IP为插入DTU中SIM卡号，IP：123.23.23.25为登陆后DTU的IP地址，##是结束符。
（2）雨量数据
6872726810000000002080CD21A000003021A100003021A200003021A400003021A300003050A5000000000000，6872726810000000002080CD为设备地址，21A00000为十分钟雨量，21A10000为1小时雨量，21A20000为日雨量（晚八点清零），21A40000为24小时雨量，21A30000为一场雨的雨量。
1.2 积水数据格式
（1）报头文件
01H011424210001111132003E02H，其中，01H01为中心站地址，为帧起始符，1424210001为遥测站地址，1111为密码，32为功能码，003E为报文上下行标识和长度，02H为报文起始符。
（2）正文
000113001075920ST_1424210001_P_TT_1301010759_Z_0.000_VT_3.65_03H9457，0001为流水号，13001075920为发报时间，ST为地址标识符，1424210001为遥测站地址，P为遥测站分类码，TT为观测时间标识符，13001010759为观测时间，Z为顺时水位标识符，0.000为顺时水位，VT_3.65为电压3.65 V。
（3）报尾
03H9457，其中，03H为报文结束符，9457为校验码。
1.3 降雪数据格式
（1）报头文件
@@13831521356IP：123.23.23.25##，@@是字符头，13831521356IP为插入DTU中SIM卡号，IP：123.23.23.25为登陆后DTU的IP地址，##是结束符。
（2）雪量数据
6872726810000000002080CD21A000003021A100003021A200003021A400003021A300003050A5000000000000，6872726810000000002080CD为设备地址，21A00000为十分钟雪量，21A10000为1小时雪量，21A20000为日雪量（晚八点清零），21A40000为24小时雪量，21A30000为一场雪的雪量。
2 水雨雪数据统一模型设计与实现
2.1 水雨雪数据采集终端数据统一模型描述
传感器与数据采集终端之间的信号类型种类繁多，接口呈现多样化[8，9]，本文研究水雨雪三种物联网设备的数据接入，只需考虑网络接口（IP和端口），即可接入传感器网络，从而实现传感器与服务器端的数据通信。
传感器数据接口的基本用途在于解决数据接入的基本特征和应用属性参数等规范化描述及标准的数据访问接口。传感器数据接口的基本特征参数包括版本号、身份标识、通道数等。应用属性参数主要包括数据分类编号、站点信息、气象数据值、观测时间等。数据访问接口主要以Web Services服务的网页形式发布，并且统一利用XML数据格式进行数据交换，用户只需根据定义好的XML数据格式解析即可。
水雨雪数据统一模型包括信号接口和数据接口两部分，具体框架描述如图1所示。
图1 数据模型XML数据框架描述
2.2 水雨雪数据采集终端数据统一模型实现
水雨雪三种数据类别根据与传感器的信号接口（端口号）进行分别。水雨雪三种传感数据单位和精度有所不同，其中降雨和降雪的精度为0.1 mm，积水的精度为1 cm，将其值归为一类时要将单位区分开。根据三种数据解析的有关内容和自定义的相关属性，将数据格式按如下所示定义：
其中，节点marker（水雨雪的类别）根据信号接口（端口号）进行判断，StationNo（站点编号）降雨和降雪根据SIM卡号进行编辑，积水根据遥测站地址进行编辑，StationName（站点名）和Address（站点地址）属于自定义属性，根据已知的StationNo进行匹配入座，DataTime（观测时间）可根据各传感器的发送时间直接获取。
2.3 数据入库表设计
根据数据库表设计原则，结合业务相关需求分别设计实时和历史（水雨雪）表两种，利于相关数据的入库。实时雨量表和历史雨量表分别见表1和表2所列。
3 数据采集终端平台的设计与应用
3.1 数据采集终端平台设计
数据采集终端平台的实现主要包括服务控制端、系统参数设置、帮助三部分。其中，服务控制端实现平台软件的启动与关闭；参数设置端主要包括相关参数（IP、端口、设备发送数据间隔等）；帮助主要包括相关电池电压、版本号等。具体实现界面如图2和图3所示。
3.2 水雨雪XML数据共享
水雨雪等气象数据备受政府部门（防汛、应急等）关注，为了实现数据的最大利用率，现将水雨雪数据以Web Services服务的形式发布，数据格式统一为XML[10]。各相关部门根据自己的身份识别信息即可自行解析获取数据。数据具体格式如图4所示。
4 结 语
鉴于城市气象监测数据的多样性，要求我们必须对各类数据进行相关整合，数据统一模型的建立是关键。本文以北京市西城区水雨雪传感器设备和相关网络等为基础，设计了水雨雪数据统一接入和访问模型，建立了水雨雪灾情信息库，为西城区防汛（雪灾）等提供了有效数据支持，为领导决策提供了保障。同时降雪监测设备应用于雨量监测又能大大提高资源利用率。在以后的建设中，可以扩展更多的气象监测数据，提高整体使用效率。
参考文献
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