基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)廣泛部署于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療及多種場(chǎng)景。面向網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的信息管理需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集用戶感興趣的對(duì)象信息，通過多跳方式匯聚至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)利用以太網(wǎng)或GPRS／CDMA等多種Internet接入方式將信息傳送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。用戶利用終端設(shè)備，可跨平臺(tái)訪問此管理系統(tǒng)，執(zhí)行對(duì)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和傳感信息的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)，并可對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與管理。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；可視化；管理系統(tǒng)；監(jiān)測(cè)；控制

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式組成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器節(jié)點(diǎn)可以將節(jié)點(diǎn)覆蓋區(qū)域內(nèi)的傳感信息通過無線多跳路由方式傳送到接收者，也可以通過反向路由方式傳送控制命令，使受控對(duì)象按照指令執(zhí)行相應(yīng)操作。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)極大地提高了人類對(duì)世界的認(rèn)識(shí)能力和改造能力，在國防軍事、環(huán)境檢測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等領(lǐng)域扮演著越來越重要的角色。
本文以室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為研究背景。系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設(shè)備組成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)既可以發(fā)送本身的傳感信息，也可以路由轉(zhuǎn)發(fā)其他傳感器節(jié)點(diǎn)信息。監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的傳感信息由傳感器節(jié)點(diǎn)收集，通過多跳路由方式匯聚到網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)或GPRS／CDMA等互聯(lián)網(wǎng)接入方式傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。
由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)采集大量的傳感信息，直接查詢和處理這些大量的傳感信息非常不便。因此，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)方便、友好、高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)，用戶不僅可以實(shí)時(shí)地以曲線圖或數(shù)據(jù)表的形式查看溫度、濕度等多種傳感信息，動(dòng)態(tài)拓?fù)渎酚勺兓畔?，還可以對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)和空調(diào)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

1 主流WSN可視化技術(shù)介紹
當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)主要集中在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全管理等方面，針對(duì)傳感信息可視化方面的研究相對(duì)較少。到目前為止，針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的可視化工具主要有SpyGlass，Surge Network Viewer等。SpyGlass使用多層次的體系結(jié)構(gòu)，是一個(gè)模塊化的、易于擴(kuò)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化工具。其體系結(jié)構(gòu)由傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)、可視化軟件三部分組成。網(wǎng)關(guān)使用TCP／IP通信協(xié)議將收集到的傳感信息提供給遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)的可視化軟件。SurgeNetwork Viewer是Crossbow公司使用實(shí)現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化工具。通過Surge Network Viewer用戶可以監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)和分析mesh網(wǎng)絡(luò)的性能。
上述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化工具雖然在一定程度上可以完成傳感網(wǎng)絡(luò)信息的管理功能，但由于建立在特定的應(yīng)用環(huán)境基礎(chǔ)上，其通用性、可移植性比較差，不能直接應(yīng)用在其他平臺(tái)上。針對(duì)這些局限性，考慮到當(dāng)前瀏覽器／服務(wù)器(Browser／Server，B／S)模式可以隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理分布性特點(diǎn)以及業(yè)務(wù)擴(kuò)展方便、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，開發(fā)了基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)傳感信息和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒌目梢暬?。通過本系統(tǒng)提供的傳感信息、拓?fù)湫畔ⅰ⒐?jié)點(diǎn)配置信息和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)顯示和管理平臺(tái)，可以較好地適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜多變的部署環(huán)境。

2 基于Web的WSN可視化管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括服務(wù)器端和客戶端兩部分，如圖1所示。

考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力及存儲(chǔ)能力等限制，需要及時(shí)將采集到的傳感信息傳送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理，并向用戶提供所需的可視化管理服務(wù)。在客戶端，用戶可以使用計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端等終端設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的方式隨時(shí)隨地進(jìn)行對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理。
2．1 服務(wù)器端
服務(wù)器端主要包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。服務(wù)器端各模塊提供的功能如下：
Web服務(wù)器提供互聯(lián)網(wǎng)信息瀏覽服務(wù)，是服務(wù)器端的核心部分；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將控制命令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)解析并轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)接收模塊使用套接字通信技術(shù)接收網(wǎng)關(guān)傳送的傳感信息或控制命令的反饋信息，解析并交給數(shù)據(jù)管理模塊；數(shù)據(jù)服務(wù)模塊是基于Web服務(wù)器基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，接受客戶端的請(qǐng)求進(jìn)行處理，再將處理結(jié)果格式化輸出給客戶端；數(shù)據(jù)管理模塊主要指一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織、存儲(chǔ)和管理。
2．2 客戶端
在B／S模式中客戶端就是瀏覽器，是用戶直接面對(duì)的可視化管理平臺(tái)，包括拓?fù)渎酚尚畔⒛K、傳感信息模塊、空調(diào)控制模塊等?？蛻舳烁髂K提供的功能如下：
拓?fù)渎酚尚畔⒛K動(dòng)態(tài)顯示當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)及其狀態(tài)信息和拓?fù)渎酚尚畔ⅰＭㄟ^該模塊，用戶可以實(shí)時(shí)查看當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渥兓?，更好地管理網(wǎng)絡(luò)。傳感信息模塊以動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)表、動(dòng)態(tài)曲線圖等形式顯示溫度、濕度、光強(qiáng)等傳感信息。用戶可以對(duì)傳感信息進(jìn)行排序、篩選等操作，以所需方式查看傳感信息。節(jié)點(diǎn)及空調(diào)控制模塊能控制節(jié)點(diǎn)的工作模式和狀態(tài)，如改變節(jié)點(diǎn)的采集信息速率、控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行休眠等。同時(shí)，還可以通過節(jié)點(diǎn)控制空調(diào)設(shè)備，如控制空調(diào)的工作狀態(tài)、工作模式等。

3 基于Web的WSN可視化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
根據(jù)功能，可以將本系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和表現(xiàn)層三層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)源以及數(shù)據(jù)接入部分，位于最底層；業(yè)務(wù)層是系統(tǒng)的核心業(yè)務(wù)部分，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現(xiàn)，位于中間層，是數(shù)據(jù)層與表現(xiàn)層的連接橋梁；表現(xiàn)層指用戶交互界面，位于最上層。