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一种基于中间件的温室远程监测系统的设计与实现

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一种基于中间件的温室远程监测系统的设计与实现

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27 卷 第 8 期 2010 年 8 月 微电子学与计算机 M ICROEL ECT RONICS & COM PUT ER Vol. 27 No. 8 August 2010 一种基于中间件的温室远程监测系统的设计与实现 刘红义1, 2 , 赵 方1, 李朝晖1 , 罗海勇2, 宋茂强1 ( 1 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, 北京 100080) 摘 要: 设计并实现了一种基于无线传感器网 络( WSN ) 中间件 的温室远 程监测 系统. WSN 中间 件位于 操作系 统 和应 用程序之间, 对网络协议、节点操作系统和硬件底层细节进行屏蔽, 为上层应用提供统 一的接口 和一组公共 服 务. 使用温室 W SN 中间件, 能够方便地根据具体应用需求, 对影响作物生长的温室环境因素进行动态、实时地远 程 监测, 从而提高温室生产自动化管理水平. 关键词: WSN ; 中间件; 温室; 远程监测系统 中图分类号: T P393 文献标识码: A 文章编号: 1000- 7180( 2010) 08- 0190- 04 Design and Implementation of a Remote Greenhouse Monitoring System Based on WSN Middleware L IU H ong yi1, 2, ZHAO Fang1, L I Zhao hui1, L UO H ai yong2, SONG M ao qiang1 ( 1 School of Softw ar e Engineering, Beijing U niversit y of Posts and T elecommunicat ions, Beijing 100876, China; 2 I nstitute of Computing T echnolo gy, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China) Abstract: A remo te g reenhouse monitoring system based on WSN middleware was introduced in this paper. T he WSN middlew ar e, which w as located betw een the operating system ( har dware firmw ar e) and applications, shielded the differ ence of various network protocols、node operating systems and the hardw ar es and prov ided one uniform interface and a set of common services. Using the W SN M iddlew ar e, the various environmental factors, w hich impacted on the production of g reenhouse cro ps, can be dynamically monitored at a remote site in real time, w hich improved t he labor efficiency of g reenhouse product. Key words: W SN ; middlew ar e; greenhouse; remote monitoring system 1 引言 国内外现有的温室环境监测系统大都采用有线 传输方式[ 1] , 存在部署工作量大、灵活性不够、成本 较高等不足. 而采用无线传感器网络( Wireless Sen sor N etw orks, WSN ) 技术[ 2] 对温室环境进行监测, 可以有效解决上述问题. 目前 大 多 数 基 于 WSN 的 系 统 开 发 比 较 复 杂[ 3] , 需要应用 软件 开发 人员 了解专 门的 硬件 平 台, 不仅影响开发进度, 而且系 统的跨平台性 能较 弱, 不便于进一步推广应用. 在温室环境应用中, 采 用温室 WSN 中间件技术[ 4 5] , 屏蔽下层硬件的异构 性, 给应 用软件 开发人 员提 供统一 应用 程序 接口 ( API) , 不仅可以使应用软件开发人员全身投入应 用层程序开发, 而且还可以提高软件的可重用性, 从 而促进 WSN 应用技术的发展. 文中基于温室环境监测需求, 设计和实现了一 种基于 WSN 中 间件技 术的温 室环境 远程监 测系 统. 2 W iF i 传感网系统结构 根据温室环境监测特点, 文中采用了如图 1 所 收稿日期: 2010- 05- 13; 修回日期: 2010- 06- 17 基金项目: 国家自然科学基金项目( 60873244, 60973310, 60772070) ; 北京自然科学基金项目( 4102059) 第8期 刘红义, 等: 一种基于中间件的温室远程监测系统的设计与实现 1 91 示的系统网络架构[ 6] . 该系统主要由分布在温室内 的 WiFi 传感节点( N ode) [ 7] 、数据汇集节点( Sink) 和 系统管理中心( 网关) 等三部分组成. 其中 WiF i 传感 节点负责定期采集温室环境信 息( 温湿度、光 照度 等) , 数据汇集节点负责接收 WiF i 传感节点采集的 各种数据. 数据汇集节点和传感节点基于 WiF i 网络 进行数据通信. 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. 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) WEB 接口模块: 发送 brow ser 部分 所需要的数 据, 响应 brow ser 部分的数据请求; ( 6) 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. 网络接口使用 Socket 与 WSN 通信. 数据库接 口利用 Hibernat e 技术实现数据持久化, 并为上层提 供数据库操作接口. 数据提取分类模块负责判断接 收到的数据包类型. 数据处理模块根据数据包类型 的判断结果进行相应处理. 节点定位接口为上层提 供 WSN 定位接口. 命 令接口为上层用户提供发送 命令的服 务. WEB 接 口为视图层 提供数据 操作接 口. 视图层提供用户交互界面. 3 温室 WSN 中间件设计 图 1 系统结构图 基于 WSN 中间件的温室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. 在温室环境监测应用中, 用户往往仅关心节点 采集的数据内容( 如温度、湿度、光照度等) , 对于消 息发送方式、时钟频率并不关心, 这时采用 WSN 中 间件技术, 可以有效提高软件的可重用性[ 8] . 本系统 设计 了如图 3 所示的 温室 WSN 中间 件, 其中网关负责解析 WSN 数据包, 并转换为 In ternet 数据 包, 实现 WSN 接 入 Int ernet . 通过 屏蔽 WSN 底层, 开发人员可以专注于应用开发, 提高开 发效率. 图 2 温室 WSN 监测系统的体系结构 文中设计的基于 WSN 中间件的温室监测系统 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: 接收 brow ser 部 分的命 图 3 温室 W SN 中间件的工作示意图 4 温室远程监测系统设计 4. 1 WiFi 传感节点 WiF i 传 感 节 点 由 传 感 器 模 块 ( SH11/ T SL 2550) 、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 4 所示. 传感 器模块集成了 SH 11 和 T SL2550 等传感 器, 它们分别负责监测区域内温湿度和光照度信息 的采集, 该信息均为数字信号输出, 无需 A/ D 转换. 1 92 微电子学与计算机 2010 年 图 4 基于 GS1010 的传感节点体系结构 由于 SH11 和 T SL2550 传感器在出厂前已经 进行 了校正和补偿, 一致性较好. 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, 文中采用 3. 6VDC5 号 AA 电池供电, 并使用转 换效率较高的 开关电源提供 GS1010 工作所 需 1. 8VDC. 当 节 点 休 眠 时, 仅 有 GS1010 的 实 时 钟 ( RT C) 模块工作, 工作电流小于 5 A. GS1010 SoC 芯片的系统结构如图 5 所示. 它是 GainSpan 公 司开发 的超低 功耗 单片 WiFi 解决 方 案, 芯片中使用了两个 32 bit ARM7 处理器, 其中一 个为应用处理器( Application CPU ) , 它内部集成了 F lash 和 SRAM 等存储器, 用于保存程序和数据, 外 扩了两个 ADC、IIC、GPIO 等接口, 用于接收来自传 感器采集的模拟和数字信息. 另一个处理器( WLAN CPU ) 集成了 802. 11b/ g 的 MAC/ PH Y 层, 主 要负 责无线数据收发, 还可实现 RF 开关和功率控制等 功能. 该芯片 支持 IEEE802. 11b/ g / n 协议栈, 可随 机接入目前已广泛部署的 WiF i 网络, 具有建设成本 低、使用前景广泛等特点. 采用 Serv let 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 根据温室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, 从而实现 WSN 和 Inter net 网络的相互融合. 数据访问层采用 H ibernat e 技 术实现数据库的访问, Hibernat e 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 这部分功能主要由数据库接口、数据处理、命令 发送接口和 Web 接口实现. 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 brow ser 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. 服务器端软件结构如图 6 所示. 图 5 GS1010 芯片内部结构 4. 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温室环境信息. 客户端基于 Ajax 无刷新技术和异步通信技术, 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 图 6 演示系统服务器端软件结构 4. 3 网关数据监听 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, 通过使用 NIO 工具包进行并发型服务器程 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 第8期 刘红义, 等: 一种基于中间件的温室远程监测系统的设计与实现 1 93 地读写数据并可以更有效地向 CPU 传递数据进行 处理, 提高系统性能. 当网关监听到无线传感器网络数据包时, 将接 收这些数据包, 并传输到数据服务器, 网关程序在完 成数据包解析后, 将其 存入数据库, 并将数据 按照 IP 协议格式重新打包, 接入 Internet . 4. 4 数据包解析 本系统使用的 GS1010 硬件系统产生如下三类 数据包: 网络层数据包、管理包和数据包. 网络层数 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 DH CP 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( NM S) 之间传送, 这些数据包格式遵循简单网络管理协议 (SNMP) . 传感节点数据服务程序负责定期收集来 自多个传感器的数据, 然后将这些数据按规定的格 式打包, 然后周期性地传送给数据服务器. 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 格式如表 1 所示. 该数据包遵循 T LV ( T ag L eng th Value) 规则. 表 1 无线传感器网络节点数据包格式 Data Format Version Number Ext ensible Lengt h Time St amp Node ID S equ ence Numbe r T ag- L eng th T ag- Leng th T ag- Leng th Ex te nsibl e - Value - Value - Value Dat a T ag- Leng th - Value 根据表 1 的 格式, 数据 包格式中可 扩展项为: Dat a Format Version Number 项和 Lengt h 项. 其中 Dat a F ormat Version Number 项为数据的版本号, 版 本号 0- 15( 0x 00- 0x0F ) 是协议中的保留项. 系统 中的版本号定义为 16( 0x10) ; L engt h 项描述了剔除 Dat a F ormat Version Number 项和 Lengt h 项后的数 据包长度, 它是以 byt e 为单位描述的. 数 据 包 格 式 中 的 必 选 项 有 T imeSt amp、 NodeID、SequenceNumber、Data 项. 其中 T imeStamp 项: 包 含 着 数 据 采 集 的 4 byt e 大 小 的 时 间 戳; NodeID 项: 包含着节点的 ID 号, 以 6 byt e 的 MAC 地址形式保留; 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; Dat a 项: 数据长度 取决 于网络中采集的节点数据. 包含了光照数值、温度数 值、节点电压、节点 RSSI 值等信息. 5 结束语 文中设计和实现了一个轻量级的温室 WSN 中 间件, 并基于该中间件, 实现了一个基于 WiF i 传感 器网络的温室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. 实验 系统验证了该中间件的有效性. 参考文献: [ 1] 谭 静 芳, 刘 成 勋. 浅 谈 温 室 自动 控 制 技 术的 发 展 概 况 [ J] . 农业装备技术, 2005, 31( 5) : 23- 25. 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At lanta, Georgia, U SA, 2002. 作者简介: 刘红义 男, ( 1984- ) , 硕士研究生. 赵 方 女, ( 1968- ) , 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 女, ( 1966- ) , 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 男, ( 1967- ) , 博 士, 高级工 程师. 研 究方向 为无 线 定位、普适计算和多媒体技术. 宋茂强 男, ( 1957- ) , 教 授. 研究方 向为 通信软 件、流媒 体 监控技术.

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