1、一种基于 WiFi 传感器网络的室内外环境远程监测系统设计与实现刘红义 1,2 赵方 1 李朝晖 1 罗海勇 2 宋茂强 11 (北京邮电大学, 软件学院, 北京 100876)2(中国科学院计算技术研究所, 普适计算研究中心, 北京 100080)()摘要：本文设计及实现了一种基于 WiFi 传感器网络的室内外远程监测系统。该系统采用了基于 SoC 的低功耗、小型化的WiFi 传感器节点采集室内外环境信息，并通过 Internet 向远程用户提供实时监测服务。该系统具有功耗小、成本低、部署方便等优势。关键词： 无线传感器网络；WiFi；室内外；远程监测系统中图分类号： TP391 文献标识码
2、 ： 文章编号： 9010Design and Implementation of an Indoor and Outdoor Environment Remote Monitoring System based on WiFi Sensor NetworkLiu Hong-yi1,2 Zhao Fang1 Li Zhao-hui1 Luo Hai-yong2 Song Mao-qiang11 ( Beijing University of Posts and Telecommunications, School of Software Engineering, Beijing 100876,
3、 China) 2 (Institute of Computing Technology, CA S, Pervasive Computing Research Center, Beijing 100080, China)Abstract An indoor and outdoor environment remote monitoring system based on WiFi Sensor Network was introduced in this paper. The system uses low power consumption and miniaturization WiFi
4、 sensor nodes, based on the SoC, collecting indoor and outdoor environmental information, and provides real-time monitoring service to remote users through the Internet. The system has the advantages low power consumption, low cost, facilitated deployment and so on. Key words Wireless Sensor Network
5、; WiFi; Indoor and Outdoor; Remote Monitoring System引言无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN ）具有感知、计算、无线通信能力和控制功能，广泛应用于国防、军事、环境监控和设施农业等领域 1,2。WiFi（Wireless Fidelity）是一种目前得到广泛应用的短距离无线通信协议 3，具有成本低、部署方便等优势。本文采用 GainSpan 公司开发的低功耗双核 SoC（System on Chip）芯片 GS1010 构建了基于 WiFi 网络的室内外环境远程监测系统，并设计了 WSN-Internet 应用
6、网关，实现 WSN 和Internet 的协议数据包转换，以及温湿度、光照度等环境数据信息的融合。该系统利用目前已经得到广泛部署的 WiFi 网络，可随机接入因特网，是一种比较理想的室内外环境监测解决方案。1 WiFi 传感网络系统结构根据室内外环境监测特点，本文采用了图 1 所示系统网络架构。该系统主要由分布在室内外内的WiFi 传感节点（Node ） 、数据汇集节点（Sink）和系统管理中心（网关）等三部分组成。其中 WiFi传感节点负责定期采集室内外环境信息（温湿度、光照度等） ，数据汇集节点负责接收 WiFi 传感节点- 2 -采集的各种数据。数据汇集节点和传感节点基于WiFi 网络进
7、行数据通信。系统管理中心负责将WSN 网络接入 Internet，并对数据包的相关信息（温湿度、光照度等）进行提取和解析，然后存储到数据库，供以后分析和显示用。W S N监测区域W S NI n t e r n e t网关N o d e S i n k客户端图 1 系统结构图基于 WiFi 传感器网络的室内外监测系统的体系结构如图 2 所示。其中监测的目标网络为无线传感器网络。系统主要包含以下功能模块：(1)网络接口模块：对整个无线传感器网络进行监听；(2)数据处理模块：解析无线传感器网络协议，接收无线传感器网络中的节点数据包、分析数据包中的数据，对解析好的数据进行分类；(3)命令发送模块：接
8、收 browser 部分的命令设置请求，对无线传感器网络的属性进行设置；(4)定位计算模块：读取节点的位置信息，发送到 WEB 接口用于节点图像在browser 部分的显示；(5) 数据库操作模块：在服务器端完成数据库的相关操作及上载地图的存储功能、异常事件告警和日志存储功能。 目标网络W S NW S N服务器 （ 无线传感器网络网关 ）节点定位接口 命令发送接口 W E B 接口数据处理 数据提取分类数据库接口 ( H i b e r n e t ) 网络接口 ( S O C K E T )视图层B r o w s e r （ 客户端 ）监测区域主页面历史记录查询页面选定节点实时监测页面（
9、 J S P + A j a x + V m l + F o u s i o n C h a r t s ）图 2 室内外 WSN 监测系统的体系结构2 室内外远程监测系统设计2.1 WiFi 传感节点WiFi 传感节点由传感器模块（SH11/TSL2550） 、处理及无线电通信模块（GS1010）和电源供应模块三部分组成，其结构如图 3 所示。G S 1 0 1 0 S o C电源供应模块S H 1 1传感器模块 处理及无线通信模块T S L 2 5 5 0图 3 基于 GS1010 的传感节点体系结构传感器模块集成了 SH11 和 TSL2550 等传感器，它们分别负责监测区域内温湿度和光
10、照度信息的采集，该信息均为数字信号输出，无需 A/D 转换 4。处理及无线传输模块采用了低功耗高集成度的 SoC芯片 GS1010，负责完成整个传感节点的数据存储、处理和无线收发操作。电源供应模块为传感节点提供正常运行所需要的能量，本文采用 3.6VDC5 号AA 电池供电，并使用开关电源提供 GS1010 工作所需的 1.8VDC。GS1010 SoC 芯片使用了两个 ARM7 处理器，其中一个为应用处理器，内部集成了 Flash 和SRAM 等存储器，外扩了两个 ADC、I2C、GPIO等接口，用于接收传感器采集的模拟和数字信息。另一个处理器集成了 802.11b/g 的 MAC/PHY
11、层，主要负责无线数据收发。该芯片支持IEEE802.11b/g/n 等协议栈。 2.2 服务器软件平台本系统服务器端软件开发采用了 J2EE 技术，系统平台包含视图层、业务逻辑层和数据访问层等三层结构。其中视图层采用 Ajax+Jsp 技术，客户端可以使用多种方式显示室内外环境信息。客户端基于 Ajax 无刷新技术和异步通信技术 5，定期主动向服务器端发出请求，以获取最新的环境信息。业务逻辑层采用 Servlet 技术响应客户端发出的各种请求，它利用 Socket 套接字监听网络是否有数据包到达，还可根据室内外环境的变化发送指令数据包。业务逻辑层不仅要负责完成对接收到的数据包进行解包和解析，并
12、使用 Servlet 技术把相关信息发送到互联网，而且还要对 Servlet 接收到的用户指令进行打包，然后发送到无线传感器网络，从- 3 -而实现 WSN 和 Internet 网络的相互融合。数据访问层采用 Hibernate 技术实现数据库的访问，Hibernate 技术采用对象 /关系映射模型，有效屏蔽了底层数据库，为业务逻辑层提供各种数据操作接口，实现软件开发的模块化。服务器软件主要包括以下两大功能：（1）无线传感器网络节点数据的采集和管理这部分功能进一步细化为网络接口、数据提取分类和定位算法接口等。它们主要负责接收来自无线传感器网络节点的数据包，在对数据包进行分解后，对相关数据进行
13、处理，完成环境监测和传感网的管理功能。定位算法接口读取节点位置的相关配置文件，对节点位置进行相应转化。（2）监测数据的组织与管理这部分主要包括数据库接口、数据处理、命令发送接口和 WEB 接口。当 WEB 接口发现修改网络属性请求时，向传感器网络发送修改属性命令。将封装好的数据发送给 WEB 接口，响应 browser部分的数据请求，完成采集数据的数据库存储操作，并对日志进行记录，接收 WEB 接口发来的数据库索引请求提取相应数据给 WEB 接口，对节点的相关信息（包含位置信息）进行封装。服务器的工作流程图如图 4 所示。启动服务是否有客户端请求判断访问类型温室环境实时监控历史记录查询节点定位
14、控制 W S N 命令控制 W S N 命令S o c k e t 监听 W S N调用持久层接口 ，操作数据库定位算法对命令打包接收 W S N 数据包是否监听到W S N 数据包解析数据包发送解析后数据解析后数据写入数据库S o c k e t 向 W S N发送数据包发送服务器端反馈信息传输反馈信息结束一般命令一般命令是否接收到服务关闭命令退出服务是否否是是否图 4 服务器工作流程图服务启动后，等待客户端请求，客户端向服务器提出请求，服务器接受请求并判断请求类型，主要请求类型有室内外环境实时监控、历史记录查询、控制 WSN 命令、节点定位和一般性命令。当服务器接收到客户端请求室内外环境实
15、时监控，则服务器通过 Socket 监听 WSN 数据包，监听不成功，则继续监听；监听成功，则接收数据包，并进行解析，将解析后的数据包反馈给客户端，并写入数据库。当接收到其它类型的请求时，服务器根据不同的请求，做出相应的处理，服务器将处理后的结果反馈给客户端。若收到服务关闭命令，退出服务。2.3 数据监听网关使用 Socket 编程对无线传感器网络进行监听，并接收传感器数据。该监听机制采用 JAVA语言实现，其伪代码如下：_初始化服务器 TCP Channel（）绑定的端口号为 8155：初始化 Selector 对象：初始化服务器 TCP Channel 对象：获取服务器 TCP Chann
16、el 对应的 ServerSocket 对象:把 Socket 绑定到监听端口 8155 上:将服务器 TCP Channel 设置为非阻塞模式:将服务器 TCP Channel 注册到 Selector 对象，并指出服务器TCP Channel 对无线传感器网络数据包的操作为可接受请求操作：while (true)应用 Select 机制轮循是否有用户感兴趣的新的网络事件发生，当没有新的网络事件发生时，此方法会阻塞，直到有新的网络事件发生为止：得到活动的网络连接选择键的集合：循环遍历整个选择键集合:while (keys.size0)如果关键字状态是为可接受，则接受连接，注册通道，以接受更多
17、的事件，进行相关的服务器程序处理;if(key.isReadable()如果关键字状态为可读，则说明 TCP Channel 是一个客户端的连接通道，进行相应的读取客户端数据的操作- 4 -if(key.isWritable()如果关键字状态为可写，则也说明 Channel 是一个客户端的连接通道，进行相应的向客户端写数据的操作_通过使用 NIO 工具包进行并发型程序设计，仅仅使用一个或者很少几个 Socket 线程，就可以处理成千上万个活动的 Socket 连接，可大大降低服务器端程序开销。网络 I/O 采取非阻塞模式，线程不再在读或写时阻塞，操作系统可以更流畅地读写数据并可以更有效地向 C
18、PU 传递数据进行处理，提高系统性能。 2.4 数据包解析本系统产生服务、管理和应用等三类数据包。服务数据包用于建立和维护一个网络连接，它们包括 802.11 的 MAC 层扫描、认证帧，以及 ARP 数据包和 DHCP 数据包。在网络连接、释放和重新载入过程中，这些数据包会在无线局域网和网络协议栈中自动发送。管理数据包在节点和网络管理系统（NMS ）之间传送，这些数据包格式遵循简单网络管理协议（SNMP） 。数据包的交互流程如图5 所示。N M SN O D ETRAPGET-RESPONSEG E TGET-RESPONSES E T1 9 2 . 1 6 8 . 3 . 1 7 3 1
19、9 2 . 1 6 8 . 3 . 1 11 6 21 6 3图 5 数据包流交互流程服务器监测底层无线传感器网络，当网络产生数据时，以数据包的形式发送到服务器网关。节点发送的数据包格式如图 6 所示。C O N T E N TF O R M A TD a t a F o r m a t V e r s i o n N u m b e r L e n g t hT i m e S t a m pN o d e I DS e q u e n c e N u m b e rD a t aE x t e n s i b l eE x t e n s i b leT a g -L e n g t h
20、-V a l u eT a g -L e n g t h -V a l u eT a g -L e n g t h -V a l u eT a g -L e n g t h -V a l u e图 6 无线传感器网络节点数据包格式图 6 中TimeStamp、NodeID、SequenceNumber 、Data 项为必选项。TimeStamp 项包含 4 字节长的时间戳；NodeID 项以 6 字节 MAC 地址形式标识节点 ID 号；SequenceNumber 项是一个将所有连续发送的数据包数目累加的计数器，用来测试网络中的数据包发送错误率。Data 项长度取决于网络中采集的节点数据，包
21、含了光照数值、温度数值、节点电压、节点 RSSI 值等信息。3.实验结果为了验证本文设计的室内外远程监测系统有效性和实用性，作者分别在北京邮电大学明光楼和中科院计算所搭建了实验系统，对科研大楼内的温湿度、光照度等信息进行远程监测。基于该系统，用户使用浏览器，不仅可以在远程观测到实验现场的环境信息，而且还可以获得实验现场环境信息的历史统计情况。此外，根据应用需求，本文通过动态增加 WiFi 节点的休眠时间，有效延长了节点的电池使用寿命。数据监测结果以线性图方式动态显示监测节点的数据变化。环境数据的历史查询除了可以直接查询所有记录外，还支持按小时、按天、按月和按年平均。4 总结本文设计和实现了一个
22、基于 WiFi 传感器网络的室内外环境信息实时远程监测系统。该系统与网关通信并利用 Socket 监听程序接收数据包，进而解析数据包并将解析后的数据存入数据库。本系统已经开始部署并将不断推广使用。参考文献:1孙利民、李建中、陈渝、朱红松. 无线传感器网络. 北京: 清华大学出版社. 2005.2罗凯、李淼、胡泽林. 基于 WSN 的农业信息远程监控系统的设计与实现. 自动化与仪器仪表. 2008 No.4 pp.14 -17 3杜 毓聪、金连文 . 通过 WiFi 移动 IP 网络操控家用机器人方案在 PDA上的实现.计算机应用. 2009 Vol.29 No.7 pp.1865-18674王
23、琳、别红霞、李锦涛、罗海勇、王非. 煤矿瓦斯报警无线传感器网络节点设计与实现. 电子技术应用. 2006 Vol.32 No.5 pp.71-735许川佩、张民、张婧. 基于 Ajax 的 J2EE 安全应用框架. 计算机工程. 2010 Vol.36 No.4 pp.110-111作者简介:刘红义（1984） ，男，北京邮电大学硕士生。研究方向无线传感器网络，多媒体技术(邮箱： ; - 5 -电话：15210833050 )赵方(1968-)，女，博士，副教授。研究方向无线传感器网络，下一代网络协议。李朝晖（1966） ，女，博士，副教授。研究方向为图像与视频处理、多媒体技术。罗海勇（1967） ，男，博士，高级工程师。主要研究领域为无线定位、普适计算和多媒体技术。宋茂强（1957），男，教授。主要研究领域为通信软件、流媒体监控技术。
