海洋觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )化智能接口標準的研究
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3 PUCK協(xié)議
PUCK協(xié)議全稱(chēng)為智能化可編程水下連接器(Programmable Underwater Connector with Knowledge)，是一種簡(jiǎn)單的命令協(xié)議，由美國的MBARI(Monterey Bay Aquarium Research Institute)提出，目的是簡(jiǎn)化海洋傳感器網(wǎng)絡(luò )的集成和維修。目前大多數傳感器網(wǎng)絡(luò )需要技術(shù)人員進(jìn)行手動(dòng)配置以確保軟件部分與儀器緊密聯(lián)系在一起。這些配置步驟非常耗時(shí)并且容易出錯，尤其在一些惡劣的環(huán)境下必須進(jìn)行手動(dòng)配置時(shí)，更是增加了出現人為出錯的可能性。使用PUCK協(xié)議后，當儀器被安裝時(shí)，系統會(huì )自動(dòng)地識別這個(gè)儀器，我們稱(chēng)之為“即插即用”。目前PUCK協(xié)議已經(jīng)發(fā)展得非常成熟并且被OGC組織所接受，成為了一個(gè)OGC標準。
PUCK協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)如下：1)簡(jiǎn)單易懂，從儀器自身檢索相關(guān)的信息；2)制造商們在固件中使用PUCK協(xié)議，而不用外接電纜和連接器；3)兼容已存的儀器協(xié)議；4)不限制負載的格式和內容；5)適用于RS-232、RS-485和以太網(wǎng)接口的儀器。
3．1 PUCK信息載體
PUCK協(xié)議在PUCK存儲器中定義了一個(gè)小型標準的“儀器數據表”，能夠在每個(gè)使用PUCK協(xié)議的儀器中被檢索到。這個(gè)數據表的元數據包括一個(gè)唯一的標識符(UUID)，以及制造商和型號代碼。這些元數據可以作為更加大量的儀器信息的指針。例如，如1451 TEDS或SensorML文檔這樣的儀器描述文檔被存儲在一個(gè)外部定義的數據庫中，而UUID就是打開(kāi)這個(gè)數據庫的鑰匙。所有使用PUCK協(xié)議的儀器必須提供數據表。
此外，PUCK協(xié)議還在PUCK存儲器中定義了一個(gè)可選的“PUCK負載”，其中包括運行這個(gè)儀器所需要的額外信息，如儀器驅動(dòng)代碼，以及像SensorML這樣的元數據。就驅動(dòng)代碼而言，我們需要注意的是，代碼并不是由儀器來(lái)執行，恰恰相反，代碼是由主機通過(guò)PUCK檢索到并執行。PUCK并不限制負載內容，其由觀(guān)測系統的開(kāi)發(fā)人員和使用者來(lái)決定。
3．2 PUCK協(xié)議的發(fā)展
PUCK v1．4版將此協(xié)議的應用從RS-232擴展到以太網(wǎng)接口——“IP PUCK”協(xié)議，其中包括零配置網(wǎng)絡(luò )(Zeroconf)的應用。這種應用使得在IP網(wǎng)絡(luò )中安裝和識別傳感器變得更加簡(jiǎn)單。
4 標準協(xié)議之間的分析比較與應用實(shí)例
4．1 IEEE 1451與OGC SWE之間的對比
由上文可知，對于在海洋觀(guān)測系統中的應用，IEEE 1451與OGC SWE都是綜合性標準，都能夠獨立完成從底層傳感器到頂層web服務(wù)的系統標準化設計，但是二者之間仍然存在很大的差別。IEEE 1451的側重點(diǎn)是海洋觀(guān)測系統中底層儀器接口的標準化，實(shí)現變送器的“即插即用”；而SWE側重于海洋觀(guān)測系統中的Web接口服務(wù)，實(shí)現數據傳輸和處理的實(shí)時(shí)性。
對于傳感器特性的描述，IEEE 1451與OGC SWE分別提供了各自的元數據框架——TEDS與SensorML。TEDS描述了底層傳感器的基本功能(硬件、校準、感測、屬性)，但它不能為邏輯意義上傳感器提供所有的額外描述信息，它也不能描述高層的數據處理，得轉換為應用層所需的數據類(lèi)型；而SensorML適用于高等級應用，并且提供了一個(gè)更加綜合的模型，其中包括如傳感器數據采集與處理這樣的復雜特性，正好可以克服TEDS這兩方面的缺陷。因此，TEDS到SensorML之間的映射問(wèn)題是目前的焦點(diǎn)問(wèn)題之一，如果能夠有效地結合這兩種標準，建立全新有效的標準化海洋觀(guān)測體系將會(huì )事半功倍。
但是，這兩種標準仍然存在如下問(wèn)題：1)體系龐大，內容非常復雜，人們理解起來(lái)非常費時(shí)費力；2)如今嵌入式處理器應用越來(lái)越廣，低成本和低功耗的考慮越來(lái)越多，因此人們可能只能執行標準的一部分；3)使用標準時(shí)，人們不得不拋棄不能實(shí)現標準的固件，而這些固件往往代表著(zhù)資金和時(shí)間的投入，造成這個(gè)問(wèn)題的最主要的原因是制定標準時(shí)沒(méi)有處理好與已有標準協(xié)議的關(guān)系：4)IEEE 1451與SWE仍在修訂和完善，標準的修訂版本必須確保能夠“向后兼容”，并且儀器固件也要升級以保持和最新標準的兼容。
4．2 PUCK協(xié)議與其他標準之間的對比與存在問(wèn)題
與IEEE 1451和SWE標準相比較，PUCK協(xié)議是一種標準本地儀器協(xié)議，只用于實(shí)現底層儀器的互操作性。相較前兩者而言，PUCK協(xié)議非常簡(jiǎn)單易懂，最重要的是，PUCK與IEEE1451、SWE能夠兼容共存并為其提供支持，如圖4所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/192748.htm
PUCK協(xié)議仍然存在如下問(wèn)題：1)雖然相對簡(jiǎn)單易懂，但是使用PUCK的同時(shí)，人們仍然需要儀器驅動(dòng)；2)PUCK協(xié)議本身并不支持儀器互操作性；3)隨著(zhù)上層協(xié)議的升級，執行這些協(xié)議的PUCK負載也必須隨之升級。
4．3 標準的實(shí)際應用
IEEE 1451標準處理傳感器原始數據，OGC—SWE將經(jīng)過(guò)處理的數據傳遞到Web應用上。正確地結合使用SWE與IEEE 1451標準能夠準確無(wú)誤地將傳感器信息從物理傳感器傳遞到Web應用上。PUCK協(xié)議能夠支持其他標準，并簡(jiǎn)化海洋儀器到海洋觀(guān)測系統的集成。因此，如何正確合理地集成SWE、IEEE 1451和PUCK等標準協(xié)議，是目前國際上的焦點(diǎn)問(wèn)題。
MBARI、OGC與由NIST領(lǐng)導的傳感器標準協(xié)調工作組(SSHWG)中的一些成員共同開(kāi)發(fā)了一個(gè)互操作性儀器試驗臺，演示了IEEE 1451、OGC SWE與PUCK協(xié)議的綜合使用，實(shí)現了快速采集、融合與評估不同儀器和觀(guān)測平臺的數據。
5 結束語(yǔ)
隨著(zhù)海洋觀(guān)測技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò )化觀(guān)測模式成為當前的熱點(diǎn)，更加注重系統性、兼容性、交互性，對探測設備和傳感器要求具有“即插即用”的特點(diǎn)。變送器底層接口標準可減少硬件方面的復雜度，實(shí)現海洋儀器的互換性，網(wǎng)絡(luò )應用層接口標準可實(shí)現數據的共享與交互，從而滿(mǎn)足海洋觀(guān)測系統的擴展、更新維護等保障需求。
智能海洋傳感器聯(lián)盟(SOSC)等國際海洋組織正在大力推廣IEEE 1451、SWE、PUCK等標準協(xié)議，這些年已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。目前這些標準已經(jīng)成功地應用于國際上的海洋觀(guān)測系統中，而我國海洋觀(guān)測領(lǐng)域在此方面還是空白狀態(tài)。我國的海洋科研人員如果能夠在海洋觀(guān)測系統的構建、改進(jìn)上借鑒這些國際上先進(jìn)的接口標準，將會(huì )大大提高我國海洋觀(guān)測系統的信息服務(wù)效率和技術(shù)支撐能力。
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