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摘要:

現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)及海上軍事系統(tǒng)建設(shè)中，需要對(duì)各種海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，如海上氣象數(shù)據(jù)﹑環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)﹑海底地形數(shù)據(jù)及衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)等，有些數(shù)據(jù)的采集處理對(duì)實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性要求較高。傳統(tǒng)的RFID數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單一，處理性能已經(jīng)越來越不能滿足現(xiàn)代航運(yùn)業(yè)的實(shí)際要求。本文研究云計(jì)算架構(gòu)及海上rfid數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，重點(diǎn)探討基于云平臺(tái)的分布式架構(gòu)并改進(jìn)數(shù)據(jù)采集中的哈希過濾算法，有效提高系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞:

云計(jì)算;數(shù)據(jù)采集;RFID

隨著現(xiàn)代海洋運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，海上運(yùn)行船舶的體積和密度迅速增加，為了航行的安全及管理，需要對(duì)各種海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及處理，如各船舶的坐標(biāo)位置信息﹑海洋氣候信息及海面海下地形信息等。同時(shí)對(duì)于一些特定的需求，數(shù)據(jù)的處理需要滿足實(shí)時(shí)性，這就需要有一個(gè)運(yùn)行高效的RFID海上數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)。RFID是基于射頻識(shí)別的新技術(shù)［1］，利用無線射頻能夠進(jìn)行一定距離的數(shù)據(jù)傳輸，基于RFID的數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)能高效的對(duì)海上船舶運(yùn)行所需數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及傳輸。傳統(tǒng)的RFID的數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)基于單一信道，隨著現(xiàn)在采集及處理信息種類的增多，已經(jīng)越來越不能滿足性能要求。基于云計(jì)算分布式處理架構(gòu)的RFID的數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)能夠?qū)Χ嗦沸畔⑼瑫r(shí)進(jìn)行采集﹑傳輸及數(shù)據(jù)處理，解決了傳統(tǒng)架構(gòu)中的性能瓶頸。本文研究云計(jì)算架構(gòu)下的海上RFID數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，重點(diǎn)探討基于云平臺(tái)的分布式架構(gòu)并改進(jìn)數(shù)據(jù)采集中的哈希過濾算法，有效提高系統(tǒng)性能。

1云計(jì)算及RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)

云計(jì)算是通過虛擬化技術(shù)，將不同平臺(tái)的計(jì)算資源及存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時(shí)可以根據(jù)具體應(yīng)用需要處理的數(shù)據(jù)信息種類﹑算法種類等進(jìn)行合理的資源劃分，將不同類型的待處理數(shù)據(jù)或算法分配至相應(yīng)的計(jì)算資源。云計(jì)算技術(shù)結(jié)合了分布式架構(gòu)﹑虛擬化技術(shù)及并行計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，極大提高了數(shù)據(jù)采集處理性能。RFID是一種基于射頻識(shí)別的新技術(shù)，其將特殊的射頻標(biāo)簽貼于需要采集數(shù)據(jù)的具體物品上，然后通過射頻信號(hào)及閱讀器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，一般RFID包含3個(gè)部分［2］:1)射頻標(biāo)簽:內(nèi)置有發(fā)射接收天線，可附于具體需要采集的物體上，對(duì)物體信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過內(nèi)置天線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。2)讀寫器:可以讀取射頻標(biāo)簽發(fā)送的數(shù)據(jù)或往射頻標(biāo)簽寫數(shù)據(jù)。3)天線:用于讀寫器與射頻標(biāo)簽信號(hào)傳輸。在海上數(shù)據(jù)采集中，需要采集的數(shù)據(jù)類型多，數(shù)據(jù)量龐大，一個(gè)完整海上的RFID數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)除了上面3種器件，還需要包含中間件，用來對(duì)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾整理。

2基于云計(jì)算的RFID數(shù)據(jù)采集管理

2.1系統(tǒng)架構(gòu)隨著海上數(shù)據(jù)采集信息類型的日益增多以及處理復(fù)雜度的提升，傳統(tǒng)的利用單處理平臺(tái)的RFID數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)時(shí)性成為系統(tǒng)的瓶頸，而基于分布式的云處理架構(gòu)成為解決性能瓶頸最為有效的方法。在此方案中，首先規(guī)劃海上數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)所采集數(shù)據(jù)的不同區(qū)域，估算不同區(qū)域中所采集數(shù)據(jù)類型及數(shù)據(jù)復(fù)雜度并分配相應(yīng)的計(jì)算資源及存儲(chǔ)資源，最后各自的區(qū)域計(jì)算平臺(tái)將所處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的后處理，并保存至云存儲(chǔ)中。基于分布式云架構(gòu)的RFID數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示［3］。該方案將各RFID數(shù)據(jù)采集按照不同的類型或區(qū)域進(jìn)行劃分，并將信息處理算法分配到各區(qū)域處理平臺(tái)，有效降低了整個(gè)系統(tǒng)的處理數(shù)據(jù)量。

2.2哈希冗余數(shù)據(jù)過濾算法上面研究了基于云計(jì)算的RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，但是由于通過大量讀寫器獲取的數(shù)據(jù)具有大量的冗余信息，所以要進(jìn)一步提高整個(gè)系統(tǒng)的性能需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行冗余前處理。在實(shí)際的RFID系統(tǒng)中，讀寫器在一個(gè)周期內(nèi)通過電磁感應(yīng)來激活射頻電子標(biāo)簽［4］，激活后對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作。但是，當(dāng)標(biāo)簽在讀寫器范圍內(nèi)被其余靠近的讀寫器干擾，存在被多次激活的幾率，所以同一個(gè)讀寫器在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)，有可能重復(fù)讀取同一個(gè)電子標(biāo)簽信息，所以必須對(duì)其所包含的重復(fù)信息進(jìn)行過濾。對(duì)讀寫器的冗余信息過濾的基本思想如下:初始時(shí)，假設(shè)處理周期為T(該時(shí)間段并不固定，可根據(jù)處理平臺(tái)的自身運(yùn)算速率調(diào)整，但需要為讀寫器周期的整數(shù)倍)，數(shù)據(jù)冗余處理算法在該周期內(nèi)對(duì)采集的原始信息進(jìn)行過濾處理。在現(xiàn)有的冗余信息處理算法中，以下2種方法應(yīng)用較為普遍:一是基于線性表的冗余數(shù)據(jù)過濾法;二是基于哈希表的冗余數(shù)據(jù)過濾法。由于上述2種方法在一個(gè)周期內(nèi)僅能對(duì)單一的讀寫器的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，不能滿足基于云計(jì)算的分布式處理，下面對(duì)基于哈希表的冗余數(shù)據(jù)過濾法進(jìn)行改進(jìn)。在現(xiàn)有的基于采集系統(tǒng)中，射頻電子標(biāo)簽的信息含有3個(gè)部分:時(shí)間標(biāo)簽、標(biāo)簽標(biāo)識(shí)、對(duì)應(yīng)讀寫器標(biāo)志。過濾算法定標(biāo)簽標(biāo)識(shí)及讀寫器標(biāo)志為關(guān)鍵字，在一個(gè)處理周期T中處理哈希表中存在的標(biāo)簽原始信息，新的標(biāo)簽首先在原始哈希表中查詢，是否存在對(duì)應(yīng)的地址，若沒有則插入到表中，同時(shí)向過濾算法請(qǐng)求，對(duì)其采集的原始信息進(jìn)行冗余處理，并進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)置位，若處理完畢，則此標(biāo)簽需要在離開哈希表，探測(cè)標(biāo)簽離開［5］的算法如下:1)若一個(gè)標(biāo)簽為第1次出現(xiàn)，則對(duì)其按照標(biāo)簽標(biāo)識(shí)及讀寫器標(biāo)志的關(guān)鍵字進(jìn)行哈希處理，并在現(xiàn)有的哈希表中按照關(guān)鍵字進(jìn)行查找，若沒有則將此標(biāo)簽按照關(guān)鍵字插入表中，并同時(shí)將原始信息插入至另外一個(gè)維護(hù)鏈表中;若現(xiàn)有的哈希表中按照關(guān)鍵字進(jìn)行查找有對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽信息，則需要查看標(biāo)簽的狀態(tài)位，若狀態(tài)位為空，則需要更換標(biāo)簽關(guān)鍵字，并將狀態(tài)位置位，并同時(shí)更新標(biāo)簽包含的信息;若狀態(tài)位不為空，則僅需對(duì)標(biāo)簽信息進(jìn)行替換即可。2)在一個(gè)冗余進(jìn)行處理周期T內(nèi)，對(duì)鏈表中的狀態(tài)標(biāo)志位進(jìn)行讀取，若狀態(tài)位為置位狀態(tài)，則同時(shí)清空鏈表中及哈希表中對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的標(biāo)志位;若鏈表中的狀態(tài)位為清空狀態(tài)，則查看哈希表中對(duì)應(yīng)標(biāo)簽的標(biāo)志位，若也為清空狀態(tài)，則將此標(biāo)簽從對(duì)應(yīng)的哈希中刪除，并告訴后端處理器刪除此標(biāo)簽，若哈希表中的狀態(tài)位為置位狀態(tài)，則告訴后端處理器對(duì)此標(biāo)簽進(jìn)行冗余處理。整個(gè)改進(jìn)后的基于哈希表的冗余處理算法如圖3所示。

3算法仿真測(cè)試

1)仿真處理器在本次實(shí)驗(yàn)中，選用的冗余處理器為主頻240MHz的三星處理器，整數(shù)運(yùn)算的處理性能約為256MIPS，算法處理數(shù)據(jù)都為整數(shù)型。2)仿真條件本次實(shí)驗(yàn)同時(shí)對(duì)基于線性表的冗余數(shù)據(jù)過濾法以及基于改進(jìn)的哈希表的冗余數(shù)據(jù)過濾法進(jìn)行仿真。在每個(gè)算法中，輸入數(shù)據(jù)為20組，所含標(biāo)簽的數(shù)量介于500～1000之間。最后得到算法的運(yùn)行時(shí)間如表1所示。

4結(jié)語

本文首先介紹了傳統(tǒng)的基于單處理中心的RFID數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的利弊。進(jìn)一步研究了當(dāng)前熱門的分布式云計(jì)算架構(gòu)，并著重研究了基于分布式云架構(gòu)的RFID數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)，最后對(duì)現(xiàn)有的標(biāo)簽冗余信息處理算法中的基于哈希表的冗余數(shù)據(jù)過濾法進(jìn)行改進(jìn)，給出仿真結(jié)果。

作者：謝海燕 單位：茂名職業(yè)技術(shù)學(xué)院