摘要：無線傳感器網(wǎng)絡廣泛部署于工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療及多種場景。面向網(wǎng)絡應用的信息管理需求，設計并實現(xiàn)了一種基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡可視化管理系統(tǒng)。傳感器節(jié)點采集用戶感興趣的對象信息，通過多跳方式匯聚至網(wǎng)關，網(wǎng)關利用以太網(wǎng)或GPRS／CDMA等多種Internet接入方式將信息傳送給網(wǎng)絡服務器。用戶利用終端設備，可跨平臺訪問此管理系統(tǒng)，執(zhí)行對IPv6無線傳感器網(wǎng)絡狀態(tài)信息和傳感信息的動態(tài)實時檢測，并可對節(jié)點設備進行遠程控制與管理。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；可視化；管理系統(tǒng)；監(jiān)測；控制

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量傳感器節(jié)點通過無線通信方式組成的一個多跳自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)。無線傳感器節(jié)點可以將節(jié)點覆蓋區(qū)域內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，使受控對象按照指令執(zhí)行相應操作。無線傳感器網(wǎng)絡極大地提高了人類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、醫(yī)療衛(wèi)生、智能家居等領域扮演著越來越重要的角色。
    本文以室內環(huán)境檢測IPv6無線傳感器網(wǎng)絡為研究背景。系統(tǒng)由傳感器節(jié)點和網(wǎng)關設備組成。每個傳感器節(jié)點既可以發(fā)送本身的傳感信息，也可以路由轉發(fā)其他傳感器節(jié)點信息。監(jiān)測區(qū)域內的傳感信息由傳感器節(jié)點收集，通過多跳路由方式匯聚到網(wǎng)關，并由網(wǎng)關通過以太網(wǎng)或GPRS／CDMA等互聯(lián)網(wǎng)接入方式傳送到網(wǎng)絡服務器。
    由于無線傳感器網(wǎng)絡中的傳感器節(jié)點會在短時間內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，有必要設計一個方便、友好、高效的無線傳感器網(wǎng)絡可視化管理系統(tǒng)。本文設計實現(xiàn)了一種基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡可視化管理系統(tǒng)。通過本系統(tǒng)，用戶不僅可以實時地以曲線圖或數(shù)據(jù)表的形式查看溫度、濕度等多種傳感信息，動態(tài)拓撲路由變化信息，還可以對傳感器節(jié)點和空調等設備實現(xiàn)遠程控制。

1 主流WSN可視化技術介紹
    當前無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱點主要集中在網(wǎng)絡體系架構、網(wǎng)絡通信協(xié)議、網(wǎng)絡安全管理等方面，針對傳感信息可視化方面的研究相對較少。到目前為止，針對無線傳感器網(wǎng)絡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，是一個模塊化的、易于擴展的無線傳感器網(wǎng)絡可視化工具。其體系結構由傳感器網(wǎng)絡、網(wǎng)關、可視化軟件三部分組成。網(wǎng)關使用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公司使用實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡可視化工具。通過Surge Network Viewer用戶可以監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡和分析mesh網(wǎng)絡的性能。
    上述無線傳感器網(wǎng)絡可視化工具雖然在一定程度上可以完成傳感網(wǎng)絡信息的管理功能，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／服務器(Browser／Server，B／S)模式可以隨時隨地進行查詢、瀏覽等業(yè)務處理分布性特點以及業(yè)務擴展方便、維護方便等優(yōu)點，開發(fā)了基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡可視化管理系統(tǒng)來實現(xiàn)傳感信息和網(wǎng)絡拓撲信息的可視化。通過本系統(tǒng)提供的傳感信息、拓撲信息、節(jié)點配置信息和節(jié)點狀態(tài)信息的動態(tài)顯示和管理平臺，可以較好地適應無線傳感器網(wǎng)絡復雜多變的部署環(huán)境。

2 基于Web的WSN可視化管理系統(tǒng)體系結構
    基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡可視化管理系統(tǒng)體系結構包括服務器端和客戶端兩部分，如圖1所示。

    考慮到傳感器節(jié)點處理能力及存儲能力等限制，需要及時將采集到的傳感信息傳送給網(wǎng)絡服務器，由網(wǎng)絡服務器來統(tǒng)一存儲和管理，并向用戶提供所需的可視化管理服務。在客戶端，用戶可以使用計算機、移動終端等終端設備通過互聯(lián)網(wǎng)訪問網(wǎng)絡服務器的方式隨時隨地進行對無線傳感器網(wǎng)絡的管理。
2．1 服務器端
    服務器端主要包括Web服務器、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)服務模塊、數(shù)據(jù)管理模塊。服務器端各模塊提供的功能如下：
    Web服務器提供互聯(lián)網(wǎng)信息瀏覽服務，是服務器端的核心部分；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將控制命令發(fā)送到網(wǎng)關，由網(wǎng)關解析并轉發(fā)到相應的傳感器節(jié)點；數(shù)據(jù)接收模塊使用套接字通信技術接收網(wǎng)關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)服務模塊是基于Web服務器基礎上實現(xiàn)的，接受客戶端的請求進行處理，再將處理結果格式化輸出給客戶端；數(shù)據(jù)管理模塊主要指一個關系型數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)的組織、存儲和管理。
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?？蛻舳烁髂K提供的功能如下：
    拓撲路由信息模塊動態(tài)顯示當前無線傳感器網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點及其狀態(tài)信息和拓撲路由信息。通過該模塊，用戶可以實時查看當前網(wǎng)絡的拓撲變化，更好地管理網(wǎng)絡。傳感信息模塊以動態(tài)數(shù)據(jù)表、動態(tài)曲線圖等形式顯示溫度、濕度、光強等傳感信息。用戶可以對傳感信息進行排序、篩選等操作，以所需方式查看傳感信息。節(jié)點及空調控制模塊能控制節(jié)點的工作模式和狀態(tài)，如改變節(jié)點的采集信息速率、控制節(jié)點進行休眠等。同時，還可以通過節(jié)點控制空調設備，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(tǒng)設計及其實現(xiàn)
3．1 系統(tǒng)層次結構
    根據(jù)功能，可以將本系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)層、業(yè)務層和表現(xiàn)層三層結構，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)務層是系統(tǒng)的核心業(yè)務部分，負責業(yè)務邏輯實現(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。[!--empirenews.page--]
3．2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊設計
    作為系統(tǒng)的接人部分，本模塊屬于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層，是連接無線傳感器網(wǎng)絡和可視化管理系統(tǒng)的橋梁。本系統(tǒng)通過Socket套接字通信技術完成網(wǎng)關與數(shù)據(jù)收發(fā)模塊間的通信。這里采用資源消耗少，沒有擁塞控制的UDP協(xié)議保證數(shù)據(jù)的收發(fā)速率，滿足本系統(tǒng)的實時性要求。套接字通信技術明確將客戶與服務器區(qū)分開來，且可以實現(xiàn)多個客戶與服務器的連接。本系統(tǒng)把數(shù)據(jù)收發(fā)模塊作為套接字通信的服務器來監(jiān)聽一個端口，可以與多個子網(wǎng)絡進行通信。
3．3 數(shù)據(jù)管理模塊設計
    本系統(tǒng)使用MySQL數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)。為了方便數(shù)據(jù)管理、滿足不同需要，設計了如下三種信息表：
    (1)傳感器節(jié)點信息表，包括當前無線傳感器網(wǎng)絡中傳感器節(jié)點的詳細信息，如地址信息、狀態(tài)信息等。其結構如下：
    addr_info=(I，A1，A2，A3，A4，T)
    其中：I為節(jié)點ID；A1為節(jié)點類型；A2為節(jié)點IPv6地址；A3為父節(jié)點地址；A4為節(jié)點狀態(tài)；T為入網(wǎng)時間。
    (2)路由信息表，包括當前無線傳感器網(wǎng)絡拓撲路由信息，是了解網(wǎng)絡拓撲結構的重要依據(jù)。為了詳細了解節(jié)點傳感信息的詳細傳送路徑，本信息表不僅存儲節(jié)點的下一跳，還存儲節(jié)點的下i跳，其中i=0，1，2，…，其最大值等于max_hop。其結構如下：
    route_info=(I，Bi，T)
    其中：I為節(jié)點ID；B0為節(jié)點IPv6地址；Bi為節(jié)點的下i跳節(jié)點地址，i=0，1，2，…，max_hop；T為路由信息更新時間。
    (3)傳感信息表，存儲監(jiān)測區(qū)域中的傳感信息。包括溫度信息表，濕度信息表，光強信息表等，還可以根據(jù)應用需求增加相應的信息表。其信息表結構類似，這里以溫度信息表舉例：
    temperature_info=(I，C1，C2，T)
    其中：I為節(jié)點ID；C1為節(jié)點IPv6地址；C2為溫度傳感信息；T為溫度采集時間。
3．4 數(shù)據(jù)服務模塊設計
    本模塊屬于系統(tǒng)的業(yè)務層，主要提供系統(tǒng)邏輯運算和業(yè)務支持等服務，是使用Java技術設計實現(xiàn)的。這里設計的核心類SystemService類，一方面可以分析客戶端的服務請求類型，并根據(jù)服務請求類型，使用JDBC技術動態(tài)訪問數(shù)據(jù)庫獲取信息進行處理，并將處理后的結果以List集合或XML文件形式傳回給客戶端，來響應客戶端的服務請求。另一方面還可以通過創(chuàng)建線程定時查詢的方式主動將告警信息發(fā)送給客戶
端，使用戶及時了解當前無線傳感器網(wǎng)絡狀態(tài)，使其做出相應的處理。其工作流程如圖3所示。

3．5 數(shù)據(jù)顯示模塊設計
    數(shù)據(jù)顯示模塊采用的Flex應用技術，能展現(xiàn)出獨一無二的圖像、動畫和音像等多媒體技術，向用戶提供更加美觀的、全動態(tài)的可視化操作界面。Flex具有分布式、跨瀏覽器等優(yōu)點，不管是Windows系統(tǒng)還是Linux系統(tǒng)，只要有Flash Player插件的瀏覽器，可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時隨地使用本系統(tǒng)。

    數(shù)據(jù)顯示模塊的工作流程如圖4所示。用戶界面請求可視化服務，進一步將數(shù)據(jù)對象放置到事件中廣播出去。監(jiān)聽中的前端控制器接收到廣播事件后找出相應的業(yè)務邏輯處理模塊，并由業(yè)務邏輯處理模塊使用RemoteObject組件對數(shù)據(jù)服務模塊中的方法進行遠程調用。業(yè)務邏輯處理模塊接收到數(shù)據(jù)服務模塊返回的結果信息存儲到數(shù)據(jù)服務模型中的數(shù)據(jù)對象中，并共享結果信息，供不同的用戶界面顯示。

4 基于Web的WSN可視化管理系統(tǒng)性能測試
    為了驗證系統(tǒng)的有效性，搭建了如圖5所示的測試環(huán)境。

    測試環(huán)境中，節(jié)點7919是網(wǎng)關；節(jié)點6101，6102為路由節(jié)點，只負責傳感信息的轉發(fā)，并不收集傳感信息；節(jié)點7010，7030，7050，7070，7090為五個終端節(jié)點，負責收集監(jiān)測區(qū)域內的傳感信息，其傳感信息可以通過多個路由節(jié)點的轉發(fā)，并通過網(wǎng)關到達網(wǎng)絡服務器。其中節(jié)點7090位于705房間內，可以控制此房間內的一臺空調，其控制信息的傳輸路徑如圖5中的粗線條表示。[!--empirenews.page--]
4．1 拓撲信息的可視化
    拓撲信息的可視化包括可視化當前網(wǎng)絡的節(jié)點和節(jié)點之間的連接關系，是分析和了解當前網(wǎng)絡拓撲路由情況的重要方法。通過拓撲信息的可視化，用戶可以直觀了解當前網(wǎng)絡狀態(tài)，包括節(jié)點之間的位置關系、節(jié)點傳感新信息的傳送路徑和網(wǎng)絡分簇情況，分析出潛在的規(guī)律性和網(wǎng)絡的異常性，可以迅速地做出相應的處理。
    拓撲信息的可視化分三部分實現(xiàn)。首先從傳感器節(jié)點信息表addr_info中獲取當前網(wǎng)絡中的節(jié)點地址信息及其信息。然后從路由信息表route_info中獲取節(jié)點傳感信息的傳送路徑和節(jié)點之間的連接關系信息，并根據(jù)節(jié)點信息和路由信息格式化存儲在可擴展標記語言XML文件中。業(yè)務層的數(shù)據(jù)服務模塊根據(jù)當前網(wǎng)絡的拓撲變化情況實時地更新此文件，滿足拓撲信息的動態(tài)可視化要求。最后表現(xiàn)層的數(shù)據(jù)顯示模塊根據(jù)生成的XML文件，生成拓撲路由圖。

    根據(jù)測試環(huán)境生成的實際網(wǎng)絡拓撲圖如圖6所示。圖6中，終端節(jié)點7070和7090采集到的傳感信息通過路由節(jié)點6101，到達網(wǎng)關7919，這部分成為一個簇，且其簇內路由用線條A1，A2，A3表示。同理，終端節(jié)點7010，7030，7050分別通過路由節(jié)點6102最后到達網(wǎng)關7919，成為另一個簇，其簇內路由則用線條B1，B2，B3，B4表示。最后網(wǎng)關7919的數(shù)據(jù)都發(fā)送到網(wǎng)絡服務器，其通信線路用線條C表示。
4. 2 傳感信息的可視化
    在拓撲路由圖中，雙擊方式選擇一個節(jié)點，即可看到此節(jié)點監(jiān)測區(qū)域內的溫度、濕度、光強等傳感信息。圖7描述了IPv6地址3ffe：3240：8007：1209：9070：6392：4700：0的傳感器節(jié)點(圖5中的節(jié)點7090)采集到的溫度信息的動態(tài)曲線圖及動態(tài)數(shù)據(jù)表，可以直觀地看到其監(jiān)測區(qū)域內的溫度信息。在曲線圖中。x軸代表時間，y軸代表溫度值，其單位為℃。
4．3 對空調的控制
    在拓撲路由圖中，選擇一個節(jié)點，可以看到如圖7所示的節(jié)點信息面板，包括節(jié)點的節(jié)點類型、地址信息、狀態(tài)信息及其控制范圍內的空調設備信息。如圖5的系統(tǒng)測試環(huán)境中，節(jié)點7090是一個空調控制節(jié)點，可以控制705房間內的一臺空調。打開如圖8所示的空調控制面板，用戶可以遠程控制空調，如進行開啟和關閉、加熱或制冷等模式設置、溫度設置、門限設置等操作。

5 結語
    本文介紹了無線傳感器網(wǎng)絡可視化方面的研究進展，并根據(jù)實際應用與需求，設計并實現(xiàn)了基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡可視化管理系統(tǒng)，描述了其架構與層次結構。本系統(tǒng)通過引入Flex，Java等技術，有效解決了可視化的實用性、動態(tài)性等問題。通過本文的研究，為基于
Web的無線傳感器網(wǎng)絡的可視化提供了技術基礎和應用方法，具有重要的研究和應用價值。在此系統(tǒng)的基礎上，后續(xù)的工作將可以在可擴展性等方面進行發(fā)展，并結合實際應用，增加更多的功能，滿足不同的應用場合。