海洋觀測網(wǎng)絡(luò)化智能接口標(biāo)準(zhǔn)的研究
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3 PUCK協(xié)議
PUCK協(xié)議全稱為智能化可編程水下連接器(Programmable Underwater Connector with Knowledge)，是一種簡單的命令協(xié)議，由美國的MBARI(Monterey Bay Aquarium Research Institute)提出，目的是簡化海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成和維修。目前大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要技術(shù)人員進(jìn)行手動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)行手動配置時，更是增加了出現(xiàn)人為出錯的可能性。使用PUCK協(xié)議后，當(dāng)儀器被安裝時，系統(tǒng)會自動地識別這個儀器，我們稱之為“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OGC標(biāo)準(zhǔn)。
PUCK協(xié)議的優(yōu)點如下：1)簡單易懂，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(fù)載的格式和內(nèi)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小型標(biāo)準(zhǔn)的“儀器數(shù)據(jù)表”，能夠在每個使用PUCK協(xié)議的儀器中被檢索到。這個數(shù)據(jù)表的元數(shù)據(jù)包括一個唯一的標(biāo)識符(UUID)，以及制造商和型號代碼。這些元數(shù)據(jù)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外部定義的數(shù)據(jù)庫中，而UUID就是打開這個數(shù)據(jù)庫的鑰匙。所有使用PUCK協(xié)議的儀器必須提供數(shù)據(jù)表。
此外，PUCK協(xié)議還在PUCK存儲器中定義了一個可選的“PUCK負(fù)載”，其中包括運行這個儀器所需要的額外信息，如儀器驅(qū)動代碼，以及像SensorML這樣的元數(shù)據(jù)。就驅(qū)動代碼而言，我們需要注意的是，代碼并不是由儀器來執(zhí)行，恰恰相反，代碼是由主機通過PUCK檢索到并執(zhí)行。PUCK并不限制負(fù)載內(nèi)容，其由觀測系統(tǒng)的開發(fā)人員和使用者來決定。
3．2 PUCK協(xié)議的發(fā)展
PUCK v1．4版將此協(xié)議的應(yīng)用從RS-232擴(kuò)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(yīng)用。這種應(yīng)用使得在IP網(wǎng)絡(luò)中安裝和識別傳感器變得更加簡單。
4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間的分析比較與應(yīng)用實例
4．1 IEEE 1451與OGC SWE之間的對比
由上文可知，對于在海洋觀測系統(tǒng)中的應(yīng)用，IEEE 1451與OGC SWE都是綜合性標(biāo)準(zhǔn)，都能夠獨立完成從底層傳感器到頂層web服務(wù)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，但是二者之間仍然存在很大的差別。IEEE 1451的側(cè)重點是海洋觀測系統(tǒng)中底層儀器接口的標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)變送器的“即插即用”；而SWE側(cè)重于海洋觀測系統(tǒng)中的Web接口服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和處理的實時性。
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(shù)據(jù)框架——TEDS與SensorML。TEDS描述了底層傳感器的基本功能(硬件、校準(zhǔn)、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(shù)據(jù)處理，得轉(zhuǎn)換為應(yīng)用層所需的數(shù)據(jù)類型；而SensorML適用于高等級應(yīng)用，并且提供了一個更加綜合的模型，其中包括如傳感器數(shù)據(jù)采集與處理這樣的復(fù)雜特性，正好可以克服TEDS這兩方面的缺陷。因此，TEDS到SensorML之間的映射問題是目前的焦點問題之一，如果能夠有效地結(jié)合這兩種標(biāo)準(zhǔn)，建立全新有效的標(biāo)準(zhǔn)化海洋觀測體系將會事半功倍。
但是，這兩種標(biāo)準(zhǔn)仍然存在如下問題：1)體系龐大，內(nèi)容非常復(fù)雜，人們理解起來非常費時費力；2)如今嵌入式處理器應(yīng)用越來越廣，低成本和低功耗的考慮越來越多，因此人們可能只能執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的一部分；3)使用標(biāo)準(zhǔn)時，人們不得不拋棄不能實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的固件，而這些固件往往代表著資金和時間的投入，造成這個問題的最主要的原因是制定標(biāo)準(zhǔn)時沒有處理好與已有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的關(guān)系：4)IEEE 1451與SWE仍在修訂和完善，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的兼容。
4．2 PUCK協(xié)議與其他標(biāo)準(zhǔn)之間的對比與存在問題
與IEEE 1451和SWE標(biāo)準(zhǔn)相比較，PUCK協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)本地儀器協(xié)議，只用于實現(xiàn)底層儀器的互操作性。相較前兩者而言，PUCK協(xié)議非常簡單易懂，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://m.butianyuan.cn/article/192748.htm
PUCK協(xié)議仍然存在如下問題：1)雖然相對簡單易懂，但是使用PUCK的同時，人們?nèi)匀恍枰獌x器驅(qū)動；2)PUCK協(xié)議本身并不支持儀器互操作性；3)隨著上層協(xié)議的升級，執(zhí)行這些協(xié)議的PUCK負(fù)載也必須隨之升級。
4．3 標(biāo)準(zhǔn)的實際應(yīng)用
IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)處理傳感器原始數(shù)據(jù)，OGC—SWE將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞到Web應(yīng)用上。正確地結(jié)合使用SWE與IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)能夠準(zhǔn)確無誤地將傳感器信息從物理傳感器傳遞到Web應(yīng)用上。PUCK協(xié)議能夠支持其他標(biāo)準(zhǔn)，并簡化海洋儀器到海洋觀測系統(tǒng)的集成。因此，如何正確合理地集成SWE、IEEE 1451和PUCK等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是目前國際上的焦點問題。
MBARI、OGC與由NIST領(lǐng)導(dǎo)的傳感器標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)工作組(SSHWG)中的一些成員共同開發(fā)了一個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，實現(xiàn)了快速采集、融合與評估不同儀器和觀測平臺的數(shù)據(jù)。
5 結(jié)束語
隨著海洋觀測技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化觀測模式成為當(dāng)前的熱點，更加注重系統(tǒng)性、兼容性、交互性，對探測設(shè)備和傳感器要求具有“即插即用”的特點。變送器底層接口標(biāo)準(zhǔn)可減少硬件方面的復(fù)雜度，實現(xiàn)海洋儀器的互換性，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層接口標(biāo)準(zhǔn)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交互，從而滿足海洋觀測系統(tǒng)的擴(kuò)展、更新維護(hù)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(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，這些年已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。目前這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功地應(yīng)用于國際上的海洋觀測系統(tǒng)中，而我國海洋觀測領(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測系統(tǒng)的構(gòu)建、改進(jìn)上借鑒這些國際上先進(jìn)的接口標(biāo)準(zhǔn)，將會大大提高我國海洋觀測系統(tǒng)的信息服務(wù)效率和技術(shù)支撐能力。
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