0 引言

    物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展和完善，其在社會(huì)各領(lǐng)域中逐漸得到推廣和應(yīng)用。在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，存在監(jiān)測(cè)范圍廣、傳感器數(shù)量多及節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳頻繁等特征，人們一直致力于發(fā)展高效的通信技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更低的功耗、更遠(yuǎn)的通信距離、更大的覆蓋范圍^[1]。物聯(lián)網(wǎng)的通信手段從ZigBee、Wi-Fi和藍(lán)牙等傳統(tǒng)技術(shù)，發(fā)展到目前國(guó)內(nèi)熱度極高的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things，NB-IoT)、長(zhǎng)距離通信(Long of Range，LoRa)等低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)^[2]。各大物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都相繼推出針對(duì)這兩種新技術(shù)的解決方案。這些方案架構(gòu)大致相似，例如中興的LoRaWAN解決方案，其涵蓋終端層、網(wǎng)關(guān)層、云平臺(tái)層及應(yīng)用層，在應(yīng)用層提供豐富的功能，如查看歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、異常信息告警、數(shù)據(jù)分析和設(shè)備控制等。但針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景，需要實(shí)現(xiàn)個(gè)性化功能時(shí)，平臺(tái)提供的操作接口都比較單一，很難滿足二次開發(fā)的需求。目前，基于LoRaWAN協(xié)議的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開發(fā)，大部分開發(fā)者均選擇圖1所示的方案架構(gòu)。該架構(gòu)包含終端層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層四層。網(wǎng)絡(luò)層又由LoRa服務(wù)器、Web服務(wù)器(Web網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)器)和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分組成。該分層架構(gòu)為開發(fā)人員提供了更多的操作空間，系統(tǒng)的靈活性與可擴(kuò)展性更強(qiáng)。

    實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)屬于室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的一類，該應(yīng)用場(chǎng)景主要功能需求如圖2所示。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集中管理多個(gè)區(qū)域的實(shí)驗(yàn)室，各實(shí)驗(yàn)室內(nèi)主要配置溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警傳感器等終端設(shè)備。終端周期采集數(shù)據(jù)，并上傳至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行集中處理，各實(shí)驗(yàn)室管理人員登錄應(yīng)用層網(wǎng)頁(yè)端頁(yè)面和移動(dòng)端App時(shí)，均能查看其管轄實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有終端最新采集數(shù)據(jù)，接收異常數(shù)據(jù)的告警信息。對(duì)于終端上傳的非緊急類異常數(shù)據(jù)信息，如超出閾值的溫濕度數(shù)據(jù)，應(yīng)用層無(wú)須即刻獲知此信息，但對(duì)于煙霧報(bào)警等緊急類異常消息，須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)被通知到管理人員并得到妥善處理，以免釀成重大安全事故。可見，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室安全管理時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)募磿r(shí)性尤為重要。然而，圖1所示架構(gòu)應(yīng)用在此場(chǎng)景時(shí)，實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻不能展現(xiàn)出較好的實(shí)時(shí)性。對(duì)于圖1架構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)層采用數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為終端層采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)中轉(zhuǎn)站，LoRa服務(wù)器接收處理所有終端數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，Web服務(wù)器（WS）通過(guò)讀取數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)獲得最新終端數(shù)據(jù)以響應(yīng)應(yīng)用層數(shù)據(jù)請(qǐng)求。這類“拉取”式的通信方式在本質(zhì)上就會(huì)為系統(tǒng)帶來(lái)不同程度的延時(shí)^[3]。并且，終端數(shù)量眾多，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行，使得數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)著大量的記錄，數(shù)據(jù)讀取操作耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)，這也導(dǎo)致WS延時(shí)響應(yīng)應(yīng)用程序請(qǐng)求。

    考慮上述問(wèn)題，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景，本文基于現(xiàn)有方案架構(gòu)，在LoRa服務(wù)器與WS間建立基于MQTT協(xié)議的通信鏈路，取代基于數(shù)據(jù)庫(kù)讀取的數(shù)據(jù)共享方式，實(shí)現(xiàn)WS對(duì)終端數(shù)據(jù)的即時(shí)獲取。同時(shí)，系統(tǒng)引入WebSocket通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)WS與應(yīng)用層程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。并且，針對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一管理、分區(qū)展示的應(yīng)用需求，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)推送策略，進(jìn)一步提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互實(shí)時(shí)性。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

    WebSocket協(xié)議在單個(gè)TCP連接上實(shí)現(xiàn)全雙工通信^[4]，其工作機(jī)制基于訂閱-發(fā)布模式。WebSocket通信的建立過(guò)程如圖3所示。Websocket復(fù)用HTTP通道，兩者使用相同的TCP端口。在Web端網(wǎng)頁(yè)開發(fā)中，WebSocket協(xié)議已被納入HTML5規(guī)范中，現(xiàn)代主流瀏覽器都支持此協(xié)議的使用。

    消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）是IBM發(fā)布的一種“輕量級(jí)”、基于發(fā)布-訂閱機(jī)制的協(xié)議。該協(xié)議基于TCP/IP協(xié)議，提供可靠、有序與雙向的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制^[5]，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。發(fā)布-訂閱機(jī)制中存在三種角色：發(fā)布者、訂閱者和代理^[6]。發(fā)布者將特定主題標(biāo)識(shí)的消息發(fā)送給代理，然后代理將該消息轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)該特定主題感興趣的每個(gè)訂閱者。

2 延時(shí)原因分析及解決方案

    分析圖1方案構(gòu)架，以第一時(shí)間將終端層數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層程序?yàn)榛鶞?zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)通信過(guò)程中存在的延時(shí)做時(shí)段劃分，如圖4所示。

    第一類延時(shí)的長(zhǎng)短由通信網(wǎng)絡(luò)情況的優(yōu)劣決定。對(duì)于通信時(shí)段T1、T2，在LoRaWAN通信組網(wǎng)、LoRa網(wǎng)關(guān)與LoRa服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)越好，其數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)越小。

    第二類延時(shí)由系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生。時(shí)段T3是LoRa服務(wù)器接收處理網(wǎng)關(guān)上傳數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部操作用時(shí)，該部分時(shí)長(zhǎng)主要與搭載運(yùn)行LoRa服務(wù)器的硬件設(shè)備相關(guān)，設(shè)備處理速度越快，T3時(shí)段用時(shí)越短。時(shí)段T4主要由WS讀取數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生，數(shù)據(jù)庫(kù)表中紀(jì)錄越多，數(shù)據(jù)讀取耗時(shí)越長(zhǎng)。時(shí)段T5涵蓋從應(yīng)用程序發(fā)起請(qǐng)求到收到響應(yīng)整個(gè)過(guò)程，主要由兩部分組成，一是數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)通道中的傳輸，顯然，此處的時(shí)長(zhǎng)同樣與網(wǎng)絡(luò)情況相關(guān)；二是WS請(qǐng)求處理時(shí)間，若WS運(yùn)行內(nèi)存充裕，則此處耗時(shí)較小，但若在高并發(fā)場(chǎng)景，WS資源的耗盡將導(dǎo)致其不能即刻響應(yīng)應(yīng)用程序請(qǐng)求，則此部分的時(shí)長(zhǎng)無(wú)法確定，最壞情況下甚至?xí)G失請(qǐng)求，應(yīng)用程序無(wú)法獲取到數(shù)據(jù)響應(yīng)。

    對(duì)于上述兩類延時(shí)，通過(guò)使用通信穩(wěn)定的硬件設(shè)備，確保底層終端數(shù)據(jù)正常傳輸，并為系統(tǒng)配置滿足應(yīng)用場(chǎng)景需求的硬件處理設(shè)備，最大程度地減少T1、T2、T3時(shí)段的延時(shí)。本文將重點(diǎn)解決T4與T5兩個(gè)時(shí)間段存在的延時(shí)，該部分主要涉及應(yīng)用程序與WS間的通信及WS的數(shù)據(jù)庫(kù)操作。

    目前，Web頁(yè)面程序多選用輪詢技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與WS的實(shí)時(shí)通信^[7]，頻繁地發(fā)起HTTP請(qǐng)求來(lái)模擬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?？紤]本文應(yīng)用場(chǎng)景的特點(diǎn)：各類終端上傳數(shù)據(jù)的周期各異，即便上傳周期相同，因設(shè)備并非在同一時(shí)間開機(jī)運(yùn)行，數(shù)據(jù)上傳時(shí)刻也將不同。故Web頁(yè)面主動(dòng)發(fā)起的請(qǐng)求若周期大，無(wú)法獲取所有終端最新數(shù)據(jù)；若周期小，過(guò)于頻繁地請(qǐng)求也必將加重服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，降低系統(tǒng)整體響應(yīng)速度。為了避免上述情況，本文將數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鲃?dòng)方從應(yīng)用程序端轉(zhuǎn)換到WS端。選用WebSocket通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)WS主動(dòng)將終端采集數(shù)據(jù)發(fā)送至Web頁(yè)面，進(jìn)而從根本上實(shí)現(xiàn)頁(yè)面與WS間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

    考慮移動(dòng)應(yīng)用App，若其與WS時(shí)刻保持長(zhǎng)連接將占據(jù)移動(dòng)設(shè)備大量資源，且考慮管理員無(wú)須時(shí)刻查看終端數(shù)據(jù)，故兩者通信仍采用HTTP協(xié)議即可。對(duì)于需要及時(shí)處理的異常信息，例如煙霧傳感報(bào)警，通過(guò)在WS啟用短信及郵件服務(wù)，將告警信息及時(shí)通知到對(duì)應(yīng)管理人員。

    轉(zhuǎn)變頁(yè)面程序與WS間數(shù)據(jù)通信主動(dòng)方后，需要考慮WS應(yīng)在何時(shí)推送數(shù)據(jù)至應(yīng)用程序。圖1架構(gòu)中，所有終端上傳的數(shù)據(jù)均經(jīng)由LoRa服務(wù)器處理并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)。若WS仍采用周期讀取數(shù)據(jù)庫(kù)的方式來(lái)獲取最新終端層數(shù)據(jù)，讀取間隔選取和讀取操作耗時(shí)問(wèn)題仍存在。本文在LoRa服務(wù)器和WS間建立MQTT通信服務(wù)，使其在接收到終端數(shù)據(jù)時(shí)，立即發(fā)布終端數(shù)據(jù)至WS，WS接收處理完數(shù)據(jù)后，即刻推送數(shù)據(jù)消息到應(yīng)用程序。對(duì)接收的每條數(shù)據(jù)信息，WS在將結(jié)合該終端更多基本信息，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理。為實(shí)現(xiàn)更加快速的基本信息查詢，搭建基于內(nèi)存的高速緩存數(shù)據(jù)庫(kù)，存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)終端基本信息。本文仍保留傳統(tǒng)架構(gòu)中涵蓋的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，用于持久化存儲(chǔ)全部終端數(shù)據(jù)記錄，以便系統(tǒng)功能拓展。

    至此，WS與應(yīng)用程序、WS與LoRa服務(wù)器間，雙方均保持雙向、實(shí)時(shí)通信。本文實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最終架構(gòu)如圖5所示。

3 系統(tǒng)解決方案實(shí)現(xiàn)

    系統(tǒng)主要模塊如圖6所示。下面將對(duì)應(yīng)用程序?qū)?、LoRa服務(wù)層進(jìn)行簡(jiǎn)要闡述，并對(duì)應(yīng)用服務(wù)層做詳細(xì)闡述。

3.1 LoRa服務(wù)層實(shí)現(xiàn)

    LoRa服務(wù)層除實(shí)現(xiàn)基于LoRaWAN協(xié)議的硬件設(shè)備通信服務(wù)外，由于還負(fù)責(zé)維護(hù)與應(yīng)用服務(wù)層間數(shù)據(jù)的傳輸，需再實(shí)現(xiàn)MQTT數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。本系統(tǒng)選擇Mosquitto代理服務(wù)器來(lái)搭建一個(gè)MQTT消息中間件。服務(wù)器端本地安裝Mosquitto并在默認(rèn)端口1883開啟服務(wù)，并定義數(shù)據(jù)發(fā)布主題“l(fā)oraPub”。LoRa服務(wù)器端每收到一次終端數(shù)據(jù)，將開啟一個(gè)新進(jìn)程，通過(guò)MQTT服務(wù)發(fā)布所接收數(shù)據(jù)。

3.2 應(yīng)用服務(wù)層實(shí)現(xiàn)

    應(yīng)用服務(wù)層既需監(jiān)聽LoRa服務(wù)層發(fā)布數(shù)據(jù)，將其快速傳送至相應(yīng)應(yīng)用程序，也需為應(yīng)用程序?qū)犹峁┰L問(wèn)連接服務(wù)，并對(duì)訪問(wèn)連接進(jìn)行管理。為了最大程度減小應(yīng)用程序?qū)訑?shù)據(jù)更新的延時(shí)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)結(jié)合WebSocket與MQTT通信的服務(wù)模塊。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)緩沖層，存儲(chǔ)常用信息于內(nèi)存中，減少數(shù)據(jù)讀取耗時(shí)。為實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)推送及異常告警模塊，保證終端數(shù)據(jù)被解析處理后能推送至正確應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)緩沖層中保存著系統(tǒng)運(yùn)行中所有在線WebSocket客戶端的連接數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)推送模塊提供數(shù)據(jù)參考。同時(shí)，由于在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、斷網(wǎng)等異常情況下，WebSocket服務(wù)端無(wú)法及時(shí)感知客戶端斷開連接。為使數(shù)據(jù)推送更加高效，設(shè)計(jì)巡檢模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)客戶端連接情況。下面將對(duì)該層實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.2.1 通信模塊實(shí)現(xiàn)

    系統(tǒng)運(yùn)行中常出現(xiàn)LoRa服務(wù)層同時(shí)接收大量數(shù)據(jù)包的情況，導(dǎo)致WS端常需同時(shí)支持多個(gè)MQTT通信服務(wù)。系統(tǒng)需有應(yīng)對(duì)高并發(fā)連接的能力。Node作為一種新型的Web服務(wù)器，在很多場(chǎng)景下展現(xiàn)出極強(qiáng)的高并發(fā)處理能力^[8]，本文選擇它作為系統(tǒng)的WS的具體實(shí)現(xiàn)，并使用Express應(yīng)用框架創(chuàng)建Node服務(wù)，基于該服務(wù)，實(shí)現(xiàn)WebSocket、HTTP及MQTT通信服務(wù)。

    Node端安裝MQTT庫(kù)，通過(guò)訪問(wèn)Mosquitto服務(wù)器與LoRa服務(wù)層建立通信連接。訂閱主題“l(fā)oraPub”，通過(guò)node_mqtt模塊提供的on方法監(jiān)聽LoRa服務(wù)層數(shù)據(jù)的發(fā)布。安裝Socket.io庫(kù)WebSocket服務(wù)，配置HTTP與WebSocket開啟同一端口號(hào)3000使兩個(gè)通信服務(wù)共存。

3.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)

    使用Redis數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，Redis是基于內(nèi)存的，以“鍵-值”形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)^[9]。數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)內(nèi)容及詳情如表1所示。鍵NODE、USER分別用于保存終端信息和用戶信息。鍵onlineClient用于管理系統(tǒng)運(yùn)行中的WebSocket連接客戶端信息，在非客戶端主動(dòng)斷開連接的情況下，實(shí)時(shí)記錄登錄客戶端的連接狀態(tài)，作為后續(xù)高效數(shù)據(jù)推送的依據(jù)。

    表中area字段表示節(jié)點(diǎn)/用戶所屬區(qū)域，pwd代表用戶名對(duì)應(yīng)登錄密碼，type代表終端節(jié)點(diǎn)類型，posx、posy表示終端在Web展示頁(yè)面上對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位置。sid標(biāo)識(shí)每個(gè)Socket連接會(huì)話的id，這是一個(gè)隨機(jī)生成唯一標(biāo)識(shí)，每一次新的連接建立，其對(duì)應(yīng)一個(gè)新的sid，定義該鍵有兩種取值，0代表該連接客戶端離線，1代表該連接客戶端在線。

    服務(wù)端本地安裝Redis數(shù)據(jù)庫(kù)并開啟服務(wù)。Node端安裝Redis庫(kù)，并連接本地Redis服務(wù)器。內(nèi)存中建立WSClient對(duì)象變量，以sid為鍵，其對(duì)應(yīng)所屬區(qū)域area為值，實(shí)時(shí)記錄所有與Node服務(wù)端保持連接狀態(tài)的會(huì)話信息。

3.2.3 巡檢點(diǎn)名模塊實(shí)現(xiàn)

    Web頁(yè)面與WS建立WebSocket連接，并訂閱“devMsg”主題監(jiān)聽數(shù)據(jù)發(fā)布。為實(shí)現(xiàn)WS實(shí)時(shí)感知WebSocket客戶端連接情況，頁(yè)面程序中自定義“myPing”主題的周期心跳發(fā)布。WS每監(jiān)聽到一個(gè)“myPing”主題數(shù)據(jù)，便在onlineClient中修改對(duì)應(yīng)sid的狀態(tài)值為1。WS將把監(jiān)聽同一區(qū)域數(shù)據(jù)的連接會(huì)話分配至同一room，并以區(qū)域名命名該room。利用庫(kù)提供的rooms、join和leave等相關(guān)操作方法，建立如圖7所示巡檢點(diǎn)名流程，實(shí)現(xiàn)服務(wù)端對(duì)連接會(huì)話的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

    WS在周期讀取鍵onlineClient中數(shù)據(jù)，判斷所有記錄會(huì)話連接狀態(tài)。所有離線會(huì)話將被全局記錄量WSClient和Socket中所屬對(duì)應(yīng)room中移除。每次巡檢最后，都會(huì)將所有會(huì)話狀態(tài)重新置0，WS重新等待Web頁(yè)面上傳的心跳。巡檢點(diǎn)名模塊實(shí)現(xiàn)了WS對(duì)會(huì)話連接情況的精準(zhǔn)掌握，為其實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)推送提供參考。

3.2.4 數(shù)據(jù)推送模塊實(shí)現(xiàn)

    系統(tǒng)若不為WS設(shè)計(jì)一套數(shù)據(jù)推送策略，其在監(jiān)聽到LoRa服務(wù)器的數(shù)據(jù)時(shí)，將不加區(qū)分地發(fā)送數(shù)據(jù)至所有在線Web頁(yè)面，這將帶來(lái)數(shù)據(jù)安全問(wèn)題。且瀏覽器會(huì)因?yàn)楹臅r(shí)處理多余的數(shù)據(jù)，令真正需要處理的數(shù)據(jù)等待更長(zhǎng)時(shí)間。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)推送方案，減小此情況引起的頁(yè)面數(shù)據(jù)渲染延時(shí)。

    WS在啟動(dòng)時(shí)即與LoRa服務(wù)層的Mosquitto服務(wù)器建立連接，并訂閱“l(fā)oraPub”主題，監(jiān)聽LoRa服務(wù)層的數(shù)據(jù)發(fā)布。Web頁(yè)面與WS建立WebSocket連接后，WS將啟動(dòng)巡檢點(diǎn)名模塊對(duì)Web頁(yè)面的連接狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽。WS工作流程如圖8所示。

    LoRa服務(wù)層發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)以字符串“dev_eui#data”形式傳輸。該字符串包含終端編號(hào)與數(shù)據(jù)值，并以字符“#”作為分隔符。當(dāng)WS監(jiān)聽到數(shù)據(jù)時(shí)，先對(duì)接收到的字符串進(jìn)行解析，獲取設(shè)備編號(hào)，并根據(jù)設(shè)備編號(hào)查找出該設(shè)備所屬區(qū)域area及其余基本信息，若此時(shí)全局記錄對(duì)象WSClient中存在監(jiān)聽該區(qū)域的在線會(huì)話端，則將推送數(shù)據(jù)到對(duì)應(yīng)的Web頁(yè)面；若此時(shí)WSClient中無(wú)監(jiān)聽該區(qū)域的在線會(huì)話，則不執(zhí)行數(shù)據(jù)推送操作。若此時(shí)判斷出數(shù)據(jù)異常，例如，煙霧傳感器狀態(tài)值異常等，WS將啟動(dòng)短信郵件服務(wù)，發(fā)送異常告警信息到對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)室管理員。具體數(shù)據(jù)推送流程如圖9所示。

3.3 應(yīng)用程序?qū)?/strong>

    應(yīng)用程序?qū)佑蒞eb端界面和移動(dòng)App組成。WS開啟短信、郵件服務(wù)，將異常信息實(shí)時(shí)發(fā)送至管理員，當(dāng)App捕獲到設(shè)備接收到告警信息時(shí)，將調(diào)用手機(jī)閃關(guān)燈及揚(yáng)聲器等硬件設(shè)備，觸發(fā)聲光報(bào)警，再次提醒管理人員。APP端同時(shí)為用戶提供信息注冊(cè)、數(shù)據(jù)查看等基本功能，用戶主動(dòng)查看數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)向應(yīng)用服務(wù)層發(fā)起HTTP請(qǐng)求來(lái)獲取最新數(shù)據(jù)。對(duì)于Web頁(yè)面展示，核心功能是為各實(shí)驗(yàn)室管理人員實(shí)時(shí)展示其管轄實(shí)驗(yàn)室內(nèi)所有終端最新采集數(shù)據(jù)。使用Vue.js前端庫(kù)來(lái)編寫Web端應(yīng)用程序，利用其“虛擬節(jié)點(diǎn)”和“數(shù)據(jù)綁定”特性[10]，Web頁(yè)面能對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行快速渲染，減小視圖更新延時(shí)。Web頁(yè)面與WS間的WebSocket通信通過(guò)Socket.IO模塊中的socket.io-client庫(kù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

4 功能與性能測(cè)試

    系統(tǒng)搭建環(huán)境為華中師范大學(xué)九號(hào)教學(xué)樓二樓各個(gè)實(shí)驗(yàn)室，在各室中安裝LoRa煙霧節(jié)點(diǎn)及溫濕度節(jié)點(diǎn)，LoRa服務(wù)層均能正常接收所有終端節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)。

4.1 功能測(cè)試

    主動(dòng)觸發(fā)對(duì)二樓監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)209室的煙霧報(bào)警節(jié)點(diǎn)，僅二樓管理員監(jiān)看界面在209室位置顯示異常告警圖標(biāo)，并播放告警音樂，頁(yè)面通知欄也立刻播放告警信息。二樓區(qū)域的其他管理員，即使未登錄網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面，也將收到郵件提醒及App端的聲光報(bào)警。具體告警實(shí)現(xiàn)如圖10所示。

4.2 性能測(cè)試

    采用自動(dòng)化測(cè)試工具Apache ab對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。為了排除網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，配置本系統(tǒng)WS與應(yīng)用程序的網(wǎng)絡(luò)處于同一交換機(jī)的同一局域網(wǎng)下。對(duì)于數(shù)據(jù)推送方案的用時(shí)測(cè)試，由于減少了不必要的數(shù)據(jù)推送及頁(yè)面渲染處理，系統(tǒng)的延時(shí)將必定得到減小。

    測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)。定義數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為WS監(jiān)聽到LoRa服務(wù)層數(shù)據(jù)，到Web頁(yè)面收到所監(jiān)聽區(qū)域內(nèi)所有終端數(shù)據(jù)并完成視圖渲染的全程總用時(shí)。對(duì)比傳統(tǒng)輪詢數(shù)據(jù)庫(kù)查詢方式，分別測(cè)試監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)有單個(gè)/多個(gè)終端時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)長(zhǎng)，測(cè)試結(jié)果如圖11所示?？梢?，本系統(tǒng)的通信延時(shí)明顯低于傳統(tǒng)方案，且監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)終端越多，本系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)越明顯。并且，對(duì)基于Ajax輪詢的數(shù)據(jù)傳輸用時(shí)測(cè)試時(shí)，是基于所有終端均在同一時(shí)刻完成數(shù)據(jù)采集上傳，Web頁(yè)面零延時(shí)發(fā)起請(qǐng)求，實(shí)際最新數(shù)據(jù)更新到Web頁(yè)面會(huì)有更長(zhǎng)的時(shí)延。

5 結(jié)論

    本文分析了環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中，基于LoRa技術(shù)的解決方案的應(yīng)用現(xiàn)狀，并針對(duì)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)測(cè)這一特殊應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法滿足高實(shí)時(shí)性需求這一問(wèn)題，在現(xiàn)有解決方案架構(gòu)中引入MQTT與WebSockt通信技術(shù)，并結(jié)合使用Redis數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、Node.js服務(wù)端技術(shù)等，減小監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通信的整體延時(shí)。并針對(duì)系統(tǒng)需集中管理多個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了服務(wù)端數(shù)據(jù)推送策略，使得Web頁(yè)面能高效接收對(duì)應(yīng)監(jiān)管區(qū)域數(shù)據(jù)，進(jìn)一步降低系統(tǒng)數(shù)據(jù)更新時(shí)延。

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作者信息:

張  麗，李  達(dá)，劉輝席，劉守印

(華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢430079)