鄭蕾 王文莉

摘 要： 校園網(wǎng)發(fā)展無(wú)線傳感及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的時(shí)機(jī)日趨成熟。利用無(wú)線傳感及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，把傳感器嵌入到教室、實(shí)訓(xùn)室、宿舍、圖書(shū)館和停車(chē)場(chǎng)等并將它們連接起來(lái)，形成了“無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)”，然后通過(guò)監(jiān)控中心服務(wù)器將“無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)”和各應(yīng)用軟件平臺(tái)整合起來(lái)，將學(xué)校教學(xué)、學(xué)生管理、教學(xué)樓宇管理和應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行整合，以提高信息交互的明確性和靈活性，從而實(shí)現(xiàn)“無(wú)線傳感”模式的智能化數(shù)字校園。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感； 互聯(lián)網(wǎng)； 智能化； 數(shù)字校園

中圖分類(lèi)號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2014）11-27-03

Design and application of wireless sensor in campus network

Zheng Lei， Wang Wenli

（Guangxi International Business Vocational College， Nanning， Guangxi 530007， China）

Abstract： The timing of the development of wireless sensor campus network and related industries has coming. Through the wireless sensing and mobile Internet technology， the sensors are embedded in classrooms， training rooms， dormitories， libraries and parking lots. They are connected together to form "wireless sensor networks". "Wireless sensor networks" and various application software platform are integrated by the monitoring center. The school teaching， student management， teaching building management and application systems are combined to improve the clarity and flexibility of information exchanging to achieve "wireless sensor" mode of intelligent digital campus.

Key words： wireless sensor network； Internet； intelligent； digital campus

0 引言

在學(xué)校信息化建設(shè)中，面臨著各種不同的問(wèn)題，如網(wǎng)絡(luò)安全體系脆弱，信息共享和自動(dòng)化程度都不夠完整[1]。如果將無(wú)線傳感、虛擬化及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合應(yīng)用，以完善學(xué)校的各個(gè)管理系統(tǒng)，形成一個(gè)“無(wú)線傳感”模式的校園，都將提高教學(xué)、圖書(shū)管理、教學(xué)辦公樓管理等信息交互的明確性和靈活性，從而實(shí)現(xiàn)智能化管理的校園模式。

1 “無(wú)線傳感”技術(shù)體系

很早之前就出現(xiàn)了將傳感器采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、連接傳感控制器而構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)[2]。隨著科學(xué)不斷發(fā)展，傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)處理信息的方式變得多樣化，其準(zhǔn)確性也大大提高。之后由于互聯(lián)網(wǎng)的普及和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，傳感網(wǎng)絡(luò)也滲透到互聯(lián)網(wǎng)中，并應(yīng)用到社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)全新的信息獲取平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各個(gè)檢測(cè)對(duì)象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以看成是由數(shù)據(jù)獲取網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)發(fā)布網(wǎng)絡(luò)和控制管理中心三部分組成的。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都由傳感器、處理單元和通信模塊三部分組成，一個(gè)或者多個(gè)節(jié)點(diǎn)相互感應(yīng)相連，構(gòu)成一個(gè)類(lèi)似局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)協(xié)議，再將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后經(jīng)無(wú)線電波傳輸給控制處理中心。

無(wú)線傳感技術(shù)目前已在移動(dòng)設(shè)備中廣泛使用，如藍(lán)牙。在學(xué)校，無(wú)線傳感技術(shù)可以以校園網(wǎng)為支撐，通過(guò)信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[3]，其主要特征是通過(guò)射頻識(shí)別、傳感器等方式獲取物理世界的各種信息，結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的傳送與交互，采用智能計(jì)算技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行分析處理，從而提高對(duì)物質(zhì)世界的感知能力，實(shí)現(xiàn)智能化的決策和控制[4]。物聯(lián)網(wǎng)將傳感技術(shù)和人工智能相結(jié)合，利用云計(jì)算模式識(shí)別等各種技術(shù)，從海量信息中分析、加工和處理出有意義的數(shù)據(jù)，以適應(yīng)不同領(lǐng)域、不同用戶(hù)的各種需求[5]。

無(wú)線傳感技術(shù)在應(yīng)用中最關(guān)鍵的就是無(wú)線電波感應(yīng)，我們把這層稱(chēng)為感知層，感知層是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的“感覺(jué)器官”，主要任務(wù)是對(duì)經(jīng)過(guò)處理信息進(jìn)行辨識(shí)與分類(lèi)，是獲取信息的關(guān)鍵。感知層的功能和品質(zhì)決定了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)獲取信息的速度和獲取的信息的質(zhì)量。當(dāng)感知層獲取相應(yīng)的信息后，數(shù)據(jù)通過(guò)各類(lèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，這層我們稱(chēng)為傳輸層。傳輸層通過(guò)傳輸介質(zhì)將信息準(zhǔn)確定位傳輸，最常見(jiàn)的兩種傳輸介質(zhì)是各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星傳輸，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)短距離的傳輸，傳輸速度快而且準(zhǔn)確性高。利用衛(wèi)星傳輸，其信息傳輸范圍覆蓋非常大，但傳輸速度相對(duì)慢[6]。在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸層，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾裕捎?PSFQ（Pump Slowly，F(xiàn)etch Quickly）重傳機(jī)制[7]，如圖1所示。

[A＼&][B＼&] [1][2沒(méi)有到達(dá)B][重新請(qǐng)求2][重新發(fā)送2][3][4]

圖1 PSFQ重傳機(jī)制

圖1中，源節(jié)點(diǎn)A可以低速向網(wǎng)絡(luò)注入數(shù)據(jù)包，接收點(diǎn)B有足夠的時(shí)間檢測(cè)這些數(shù)據(jù)包是否丟失，在檢測(cè)到如圖1中的數(shù)據(jù)包2發(fā)生丟失時(shí)，立刻向A請(qǐng)求重傳，一直到接收到指定的數(shù)據(jù)包，這樣利用接收點(diǎn)的延遲機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。?shù)據(jù)通過(guò)傳輸層傳輸，接收點(diǎn)可以利用PC或者云平臺(tái)對(duì)接收的數(shù)據(jù)要進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，這層我們稱(chēng)之為平臺(tái)層。應(yīng)用層是對(duì)數(shù)據(jù)的使用，就像互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層一樣，應(yīng)用有很多，在校園網(wǎng)中，可以應(yīng)用于教室的管理、宿舍的管理和圖書(shū)館的管理等。這四層具體作用如圖2所示。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有這四層。

[樓宇管理][智能宿舍][環(huán)境監(jiān)測(cè)][更多…][應(yīng)用層][數(shù)據(jù)處理中心，如PC][分布式數(shù)據(jù)處理中心，如云平臺(tái)][各類(lèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)][衛(wèi)星通信網(wǎng)][讀卡器][溫度感知][攝像頭][更多…] [平臺(tái)層][傳輸層][感知層]

圖2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理層

2 “無(wú)線傳感”模式校園整體結(jié)構(gòu)

無(wú)線傳感校園建設(shè)的核心基礎(chǔ)之一就是數(shù)據(jù)融合平臺(tái)的建立。數(shù)據(jù)融合平臺(tái)的重要作用主要體現(xiàn)在：整合數(shù)據(jù)資源，統(tǒng)一信息管理。將校園內(nèi)的各個(gè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)整合在一起，實(shí)施統(tǒng)一的管理與控制，綜合利用各種網(wǎng)絡(luò)接入手段，提供開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)接口，為無(wú)線傳感校園應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)通信保障。在無(wú)線傳感校園網(wǎng)中，使用者通過(guò)登錄界面，依照角色權(quán)限，登錄到綜合信息服務(wù)平臺(tái)，然后在綜合信息平臺(tái)選擇各類(lèi)應(yīng)用，也就是說(shuō)綜合信息平臺(tái)式整合校園中各類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)，這種登錄方式是采用比較安全的以賬戶(hù)密碼和角色為安全策略的單點(diǎn)接入方式。

2.1 監(jiān)控中心

為保證使用者使用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中需要有一個(gè)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心最核心的部件就是傳感器，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的應(yīng)用管理，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它隨時(shí)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和配置數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括配置參數(shù)，發(fā)送監(jiān)控命令，收集各應(yīng)用系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)和其他配置數(shù)據(jù)的管理等。接收的數(shù)據(jù)隨著實(shí)際情況的變化而變化，保證了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。同時(shí)，監(jiān)控中心給使用者提供各綜合信息的主界面，相當(dāng)于網(wǎng)站的主頁(yè)，使用者可以通過(guò)主界面進(jìn)入各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)。主界面模塊主要由監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)顯示和控制面板等組成。將數(shù)據(jù)以圖形化的方式形象直觀地展示出來(lái)，為用戶(hù)提供整個(gè)無(wú)線傳感校園網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，使用者可根據(jù)自己的需求來(lái)配置和管理系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作。將采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)，系統(tǒng)可以根據(jù)使用者需要隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，為使用者了解相應(yīng)子應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)提供支撐，比如對(duì)于教室管理子系統(tǒng)，可以隨時(shí)了解教室的使用情況。監(jiān)控中心所有的信息數(shù)據(jù)都來(lái)至于數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖3所示。

[接收和發(fā)送數(shù)據(jù)

][無(wú)線傳感校園網(wǎng)監(jiān)控中心][數(shù)據(jù)處理中心（數(shù)據(jù)庫(kù)）] [校園網(wǎng)] [接收和發(fā)送數(shù)據(jù)]

圖3 數(shù)據(jù)處理模式

圖3中，信息的傳遞主要是靠對(duì)應(yīng)接口，要保證數(shù)據(jù)的通信，其接口的配置和管理尤為重要。接口是軟件主系統(tǒng)對(duì)子系統(tǒng)的通道，通過(guò)與感知層的數(shù)據(jù)交互，可以實(shí)現(xiàn)使用者對(duì)底層硬件的控制。

3 子應(yīng)用系統(tǒng)

3.1 樓宇管理

無(wú)線傳感樓宇管理系統(tǒng)通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)對(duì)建筑物內(nèi)的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制和管理，并對(duì)用戶(hù)提供信息和通信服務(wù)。另外對(duì)建筑物的所有設(shè)備、消防、保安設(shè)備等進(jìn)行綜合監(jiān)控和協(xié)調(diào)。將樓宇設(shè)備管理系統(tǒng)（如電源系統(tǒng)、多媒體教室設(shè)備、燈光系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等）、辦公自動(dòng)化系統(tǒng)（OA）和通信自動(dòng)化系統(tǒng)整合聯(lián)接起來(lái)，形成一體化樓宇管理系統(tǒng)。通過(guò)各種軟件接口集成以上各子系統(tǒng)，通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)和開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口進(jìn)行各系統(tǒng)間的無(wú)縫集成，以達(dá)到信息共享及系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，并自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析等工作，達(dá)到對(duì)樓宇內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。樓宇管理系統(tǒng)包括監(jiān)控和管理兩層主要功能，它通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心聯(lián)接，將樓宇內(nèi)的每個(gè)子系統(tǒng)集中在同一界面，通過(guò)這個(gè)界面可以十分方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇內(nèi)的各子系統(tǒng)實(shí)施監(jiān)視、控制和管理，操作者可以得到所需的子系統(tǒng)信息，以及控制相關(guān)設(shè)備。

3.2 圖書(shū)館管理

圖書(shū)管理子系統(tǒng)對(duì)讀者、圖書(shū)、文獻(xiàn)、書(shū)庫(kù)書(shū)架的一體化標(biāo)識(shí)，構(gòu)架起計(jì)算機(jī)信息和館藏文獻(xiàn)、讀者服務(wù)之間的更為方便高效的管理與服務(wù)體系。監(jiān)控中心完成對(duì)圖書(shū)館所有設(shè)備的監(jiān)視與控制，主要包括自助“借/還”書(shū)、安全門(mén)禁及圖書(shū)盤(pán)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)等。監(jiān)控中心能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備，更新軟件界面圖標(biāo)狀態(tài)，自動(dòng)發(fā)出的報(bào)警信息。監(jiān)控中心還能獲取異常設(shè)備詳細(xì)信息。

3.3 車(chē)位狀態(tài)感知

每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)超聲波對(duì)車(chē)位信息進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)完后，通過(guò)微控制器進(jìn)行處理，并將檢測(cè)后的信息通過(guò)總線發(fā)送到數(shù)據(jù)處理設(shè)備上，數(shù)據(jù)處理設(shè)備處理好數(shù)據(jù)后通過(guò)接口傳送到監(jiān)控中心，然后再自動(dòng)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。應(yīng)用終端可以通過(guò)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，然后對(duì)車(chē)位狀態(tài)進(jìn)行管理。

3.4 重點(diǎn)人物位置感知

感知目標(biāo)信息的節(jié)點(diǎn)將感知信息廣播（無(wú)線）傳送到管理節(jié)點(diǎn)，再由管理節(jié)點(diǎn)融合感知信息，對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行判斷。由于無(wú)線傳感具有擴(kuò)展性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性和隱蔽性好等特點(diǎn)，所以非常適合對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位。目標(biāo)定位應(yīng)用可以分為偵測(cè)、定位、報(bào)告三個(gè)階段。在偵測(cè)階段，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)“啟動(dòng)”以探測(cè)目標(biāo)，并在目標(biāo)出現(xiàn)后計(jì)算自身到目標(biāo)的距離，同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)廣播包括節(jié)點(diǎn)位置及與目標(biāo)的距離等內(nèi)容的信息。

3.5 校園環(huán)境感知

隨著人們對(duì)于環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注程度越來(lái)越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來(lái)越多，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在校園指定點(diǎn)安裝傳感器，感知這些指定點(diǎn)的溫度、濕度、空氣質(zhì)量等相關(guān)信息，將這些信息返回監(jiān)控中心，然后現(xiàn)在顯示在監(jiān)控中心的主界面。該子系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集端和移動(dòng)監(jiān)控終端兩部分組成。在數(shù)據(jù)采集端，利用傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，把所采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊傳送到移動(dòng)監(jiān)控終端。在移動(dòng)監(jiān)控終端，接收數(shù)據(jù)，將處理后的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

將上述所有子系統(tǒng)整合起來(lái)，無(wú)線傳感校園總體應(yīng)用框架如圖4所示。

圖4 無(wú)線傳感校園網(wǎng)設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)在校園網(wǎng)中應(yīng)用無(wú)線傳感技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。從“無(wú)線傳感”技術(shù)體系出發(fā)，首先設(shè)計(jì)了整體結(jié)構(gòu)，并對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸處理進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后對(duì)監(jiān)控中心的綜合應(yīng)用平臺(tái)中樓宇管理子系統(tǒng)、圖書(shū)館管理子系統(tǒng)、車(chē)位狀態(tài)感知子系統(tǒng)、重點(diǎn)人物定位子系統(tǒng)和校園環(huán)境子系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明和設(shè)計(jì)，形成了一個(gè)完整的“無(wú)線傳感模式”的校園網(wǎng)。

無(wú)線傳感技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展將引發(fā)新一輪信息技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，是信息產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的核心驅(qū)動(dòng)力[8]。由無(wú)線傳感技術(shù)引申出的物聯(lián)網(wǎng)概念是龐大和豐富的，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用將更為廣泛。如果將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算服務(wù)和校園網(wǎng)的各軟件系統(tǒng)整合起來(lái)，這又將是新一輪的技術(shù)革命。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感器感知的數(shù)據(jù)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，建設(shè)統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺(tái)和綜合信息服務(wù)平臺(tái)，并建立安全高效、統(tǒng)一共享的數(shù)據(jù)中心是重中之重[9]。就目前而言，在校園網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)“無(wú)線傳感模式”，還面臨著許多問(wèn)題。

⑴ 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問(wèn)題。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)系中，信號(hào)可能被一些障礙物或其他電子信號(hào)干擾，如何安全有效進(jìn)行通信是個(gè)有待研究的問(wèn)題。

⑵ 成本問(wèn)題。在一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣成本會(huì)制約其發(fā)展。

⑶ 高效的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是組織無(wú)線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以最大限度地利用資源。在其中還包括網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議問(wèn)題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)性管理問(wèn)題等有待解決。

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