基于Web的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化管理系統的設計與實(shí)現

摘要：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )廣泛部署于工業(yè)、農業(yè)、醫療及多種場(chǎng)景。面向網(wǎng)絡(luò )應用的信息管理需求，設計并實(shí)現了一種基于Web的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化管理系統。傳感器節點(diǎn)采集用戶(hù)感興趣的對象信息，通過(guò)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(hù)利用終端設備，可跨平臺訪(fǎng)問(wèn)此管理系統，執行對IPv6無(wú)線(xiàn)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，并可對節點(diǎn)設備進(jìn)行遠程控制與管理。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；可視化；管理系統；監測；控制

0 引言
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量傳感器節點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式組成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò )系統。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)可以將節點(diǎn)覆蓋區域內的傳感信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)多跳路由方式傳送到接收者，也可以通過(guò)反向路由方式傳送控制命令，使受控對象按照指令執行相應操作。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )極大地提高了人類(lèi)對世界的認識能力和改造能力，在國防軍事、環(huán)境檢測、農業(yè)生產(chǎn)、醫療衛生、智能家居等領(lǐng)域扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。
本文以室內環(huán)境檢測IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )為研究背景。系統由傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)設備組成。每個(gè)傳感器節點(diǎn)既可以發(fā)送本身的傳感信息，也可以路由轉發(fā)其他傳感器節點(diǎn)信息。監測區域內的傳感信息由傳感器節點(diǎn)收集，通過(guò)多跳路由方式匯聚到網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)通過(guò)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳感器節點(diǎn)會(huì )在短時(shí)間內采集大量的傳感信息，直接查詢(xún)和處理這些大量的傳感信息非常不便。因此，有必要設計一個(gè)方便、友好、高效的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化管理系統。本文設計實(shí)現了一種基于Web的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化管理系統。通過(guò)本系統，用戶(hù)不僅可以實(shí)時(shí)地以曲線(xiàn)圖或數據表的形式查看溫度、濕度等多種傳感信息，動(dòng)態(tài)拓撲路由變化信息，還可以對傳感器節點(diǎn)和空調等設備實(shí)現遠程控制。

1 主流WSN可視化技術(shù)介紹
當前無(wú)線(xiàn)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、網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò )安全管理等方面，針對傳感信息可視化方面的研究相對較少。到目前為止，針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計的可視化工具主要有SpyGlass，Surge Network Viewer等。SpyGlass使用多層次的體系結構，是一個(gè)模塊化的、易于擴展的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化工具。其體系結構由傳感器網(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程計算機的可視化軟件。SurgeNetwork Viewer是Crossbow公司使用實(shí)現的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化工具。通過(guò)Surge Network Viewer用戶(hù)可以監測傳感器網(wǎng)絡(luò )和分析mesh網(wǎng)絡(luò )的性能。
上述無(wú)線(xiàn)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用環(huán)境基礎上，其通用性、可移植性比較差，不能直接應用在其他平臺上。針對這些局限性，考慮到當前瀏覽器／服務(wù)器(Browser／Server，B／S)模式可以隨時(shí)隨地進(jìn)行查詢(xún)、瀏覽等業(yè)務(wù)處理分布性特點(diǎn)以及業(yè)務(wù)擴展方便、維護方便等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了基于Web的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化管理系統來(lái)實(shí)現傳感信息和網(wǎng)絡(luò )拓撲信息的可視化。通過(guò)本系統提供的傳感信息、拓撲信息、節點(diǎn)配置信息和節點(diǎn)狀態(tài)信息的動(dòng)態(tài)顯示和管理平臺，可以較好地適應無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )復雜多變的部署環(huán)境。

2 基于Web的WSN可視化管理系統體系結構
基于Web的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可視化管理系統體系結構包括服務(wù)器端和客戶(hù)端兩部分，如圖1所示。

考慮到傳感器節點(diǎn)處理能力及存儲能力等限制，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(lái)統一存儲和管理，并向用戶(hù)提供所需的可視化管理服務(wù)。在客戶(hù)端，用戶(hù)可以使用計算機、移動(dòng)終端等終端設備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的方式隨時(shí)隨地進(jìn)行對無(wú)線(xiàn)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、數據發(fā)送模塊、數據接收模塊、數據服務(wù)模塊、數據管理模塊。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；數據發(fā)送模塊將控制命令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)解析并轉發(fā)到相應的傳感器節點(diǎn)；數據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，解析并交給數據管理模塊；數據服務(wù)模塊是基于Web服務(wù)器基礎上實(shí)現的，接受客戶(hù)端的請求進(jìn)行處理，再將處理結果格式化輸出給客戶(hù)端；數據管理模塊主要指一個(gè)關(guān)系型數據庫，進(jìn)行數據的組織、存儲和管理。
2．2 客戶(hù)端
在B／S模式中客戶(hù)端就是瀏覽器，是用戶(hù)直接面對的可視化管理平臺，包括拓撲路由信息模塊、傳感信息模塊、空調控制模塊等?？蛻?hù)端各模塊提供的功能如下：
拓撲路由信息模塊動(dòng)態(tài)顯示當前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的傳感器節點(diǎn)及其狀態(tài)信息和拓撲路由信息。通過(guò)該模塊，用戶(hù)可以實(shí)時(shí)查看當前網(wǎng)絡(luò )的拓撲變化，更好地管理網(wǎng)絡(luò )。傳感信息模塊以動(dòng)態(tài)數據表、動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)圖等形式顯示溫度、濕度、光強等傳感信息。用戶(hù)可以對傳感信息進(jìn)行排序、篩選等操作，以所需方式查看傳感信息。節點(diǎn)及空調控制模塊能控制節點(diǎn)的工作模式和狀態(tài)，如改變節點(diǎn)的采集信息速率、控制節點(diǎn)進(jìn)行休眠等。同時(shí)，還可以通過(guò)節點(diǎn)控制空調設備，如控制空調的工作狀態(tài)、工作模式等。

3 基于Web的WSN可視化管理系統設計及其實(shí)現
3．1 系統層次結構
根據功能，可以將本系統劃分為數據層、業(yè)務(wù)層和表現層三層結構，如圖2所示。

數據層包括數據庫或數據源以及數據接入部分，位于最底層；業(yè)務(wù)層是系統的核心業(yè)務(wù)部分，負責業(yè)務(wù)邏輯實(shí)現，位于中間層，是數據層與表現層的連接橋梁；表現層指用戶(hù)交互界面，位于最上層。