大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集與處理系統(tǒng)設(shè)計*

樊 鐳，龔聞天，施曉秋

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

1 問題與挑戰(zhàn)

然而，由于WSNs具有自組織、多跳傳輸、監(jiān)測數(shù)據(jù)多元時空關(guān)聯(lián)、一經(jīng)部署很難更改等特點，使得有效的數(shù)據(jù)收集和處理面臨較大挑戰(zhàn)。對于大規(guī)模長期部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，首先，Sink結(jié)點在收取大量匯聚數(shù)據(jù)時存在性能瓶頸，如文獻［7］中通過在傳感器結(jié)點中使用嵌入式Web服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的采集和發(fā)布，用戶能夠直接通過瀏覽器監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，但對于資源有限的傳感器結(jié)點來說這種方式開銷大，且效率較低無法滿足性能需求，不適合大規(guī)模結(jié)點部署和大數(shù)據(jù)量處理;其次，WSN長期增量部署過程中，面臨如何靈活高效的適應(yīng)有新的異構(gòu)結(jié)點加入時所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲和查詢等問題，文獻［8］給出的方案能夠?qū)崟r處理測試組網(wǎng)中10個結(jié)點的數(shù)據(jù)，但其將收數(shù)程序、服務(wù)程序以及數(shù)據(jù)庫存儲的實現(xiàn)全部集中在嵌入式網(wǎng)關(guān)，功能擴充與軟件升級缺乏足夠的靈活性，可擴展性較差，網(wǎng)關(guān)易成為網(wǎng)絡(luò)的單故障點，且基于C/S的監(jiān)測模式需要安裝專門的客戶端軟件，不利于數(shù)據(jù)發(fā)布和共享。再次，在需要長期大規(guī)模部署的情況下，動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲和廉價的傳感器結(jié)點等不穩(wěn)定因素使得系統(tǒng)可靠性和可擴展性難以保證，而采用復(fù)雜的網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)融合、嵌入式數(shù)據(jù)處理等技術(shù)進一步增加了網(wǎng)內(nèi)的計算、通信、存儲、能量等開銷，縮短了整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存期［1，9］;另外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的數(shù)據(jù)最終必須能夠被方便的查詢和使用才有意義，而現(xiàn)有文獻都沒有詳細涉及對WSN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和多元時空數(shù)據(jù)流的可視化處理方法，而這對于提高系統(tǒng)遠程監(jiān)測的可用性也是非常必要的。

針對上述問題，本文給出了一種適合大規(guī)模長期部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的數(shù)據(jù)收集與處理解決方案，并將基于該方案開發(fā)實現(xiàn)的系統(tǒng)實例Receiver用于基于WSNs的楊梅生長環(huán)境生態(tài)監(jiān)測任務(wù)，取得了良好的效果。下文第2節(jié)詳述了系統(tǒng)架構(gòu)與各模塊設(shè)計，第3節(jié)給出了系統(tǒng)具體實現(xiàn)，第4節(jié)介紹了系統(tǒng)運行在真實環(huán)境中的實驗測試結(jié)果，第5節(jié)對全文進行了總結(jié)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)包括收數(shù)、存儲與發(fā)布三大模塊，圖1給出了與上述功能所對應(yīng)的系統(tǒng)總體架構(gòu)。該架構(gòu)采用了集中式設(shè)計，簡潔高效，接口清晰，實現(xiàn)了對傳感器數(shù)據(jù)的快速準確收取、靈活持久存儲以及多元時空數(shù)據(jù)的可視化等功能;盡可能降低與底層網(wǎng)絡(luò)硬件、通信協(xié)議的耦合性，以便較好的適應(yīng)今后網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)結(jié)點的加入;各模塊之間采用TCP/IP通訊協(xié)議傳遞數(shù)據(jù)，部署靈活，且容易擴展和移植。匯聚到各個Sink結(jié)點的網(wǎng)絡(luò)包首先由收數(shù)模塊采用獨立線程實時監(jiān)聽并批量收取，然后經(jīng)過抽取、錯誤分析、翻譯等必要處理，根據(jù)包的信息結(jié)構(gòu)拆分存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫相應(yīng)表中，最后基于B/S模式和AJAX技術(shù)的Web在線發(fā)布模塊對存儲模塊中的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和多元時空數(shù)據(jù)等信息進行可視化處理，供終端用戶使用。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

采用集中式的設(shè)計方案主要基于以下考慮:

(1)性能開銷:數(shù)據(jù)收集處理往往需要大量的運算資源，而廉價傳感器結(jié)點資源非常有限，分布式的數(shù)據(jù)處理設(shè)計必然增加結(jié)點的計算、存儲、通信等開銷，并增加結(jié)點能耗［9］，導(dǎo)致系統(tǒng)生存期縮短。集中式處理可以避開這種限制，通過利用上位機端資源，有效減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部開銷，同時提高了收集與處理的效率。

(2)靈活性:與嵌入在結(jié)點中的分布式處理方法相比，集中式設(shè)計不對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的底層部署做任何假設(shè)和限制，降低了各功能模塊之間的耦合度，可以有效的與底層實現(xiàn)分離，更好的適應(yīng)不同組網(wǎng)機制。而分布式設(shè)計通常依賴于具體的硬件、嵌入式操作系統(tǒng)、MAC層協(xié)議、拓撲控制等實現(xiàn)，不利于擴展和移植。

(3)可靠性:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的部署經(jīng)驗表明，在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部引入復(fù)雜的處理機制會導(dǎo)致系統(tǒng)行為難以理解、程序難以調(diào)試，除錯及修復(fù)的復(fù)雜度增加，應(yīng)該使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的處理盡可能簡單，以最大程度的確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成功實施。將數(shù)據(jù)集中在上位機端進行處理，僅把網(wǎng)絡(luò)中的傳感器結(jié)點當作采集數(shù)據(jù)的從屬設(shè)備，簡化了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)計，有效克服了分布式處理中易造成網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定的弊端，使得系統(tǒng)功能擴充和升級更加容易，即使個別傳感器結(jié)點的故障和失效也不會影響無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其他部分的正常運行，增強了系統(tǒng)在大規(guī)模長期部署應(yīng)用中的可靠性和可用性。

下面分別介紹系統(tǒng)各組成模塊中關(guān)鍵技術(shù)的詳細設(shè)計。

[lsw1[s1-Eth-Trunk1]mode lacp-static“配置鏈路聚合為LACP靜態(tài)模式”

2.1 數(shù)據(jù)批量實時收集處理

收數(shù)模塊位于系統(tǒng)的第一層，由監(jiān)聽、批量收取、抽取、錯誤分析檢測和翻譯等功能組成，性能上確保快速準確。圖2給出了收數(shù)模塊的流程設(shè)計。

圖2 收數(shù)模塊處理流程

程序啟動初始化后，創(chuàng)建獨立的線程持續(xù)監(jiān)聽Sink結(jié)點的匯聚狀態(tài)，當有數(shù)據(jù)到達時，觸發(fā)收取事件將本次數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)。由于采用批量方式，一次收取的數(shù)據(jù)可以由多個包組成，需要根據(jù)包頭標識抽取出單獨的原始包;數(shù)據(jù)收取后，通過校驗原始包的數(shù)據(jù)長度、固定位置的值等預(yù)定義規(guī)則來分析原始包是否出現(xiàn)錯誤，若有錯誤則記錄錯誤類型代碼，否則由翻譯函數(shù)按照每個原始包的結(jié)構(gòu)格式判斷所屬類型，轉(zhuǎn)換得出包中各個字節(jié)代表的屬性值，并將這些處理后得到的結(jié)果交給存儲模塊按相應(yīng)設(shè)計予于保存。批量收取并拆分的方式能夠明顯改進處理大量數(shù)據(jù)時的效率，同時該過程中得到的錯誤類型信息可被后面的數(shù)據(jù)發(fā)布模塊用來決定是否排除，或者供研發(fā)人員作為排查錯誤原因的線索，以便及時發(fā)現(xiàn)潛在的網(wǎng)絡(luò)問題。

2.2 基于結(jié)構(gòu)化信息的存儲設(shè)計

存儲模塊為數(shù)據(jù)收集處理系統(tǒng)的中間層，負責(zé)永久保存上一階段收集處理后得到的數(shù)據(jù)結(jié)果，為上層功能模塊提供數(shù)據(jù)源服務(wù)。文件形式存儲是最原始的方法，即按時間段將數(shù)據(jù)直接寫入 TXT、CVS、XML或Excel等格式的文件，雖然實現(xiàn)簡單但不利于并發(fā)查詢與處理。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲于關(guān)系數(shù)據(jù)庫能夠充分發(fā)揮存儲模塊的作用，但需要合理的設(shè)計才能保證靈活高效。基于收數(shù)模塊分析翻譯處理后得到的原始包結(jié)構(gòu)化信息，圖3給出了相應(yīng)的概念模式設(shè)計。

圖3 存儲模塊關(guān)系數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計

根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中原始數(shù)據(jù)包的信息組成結(jié)構(gòu)特點拆分建立相應(yīng)的存儲表，所有表都建立一個自增字段作為邏輯主鍵，在被參照時作為外鍵使用，保證關(guān)系模式的實體完整性約束和參照完整性約束。其中包頭信息表、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息表、狀態(tài)信息表、路由結(jié)點表和鄰居結(jié)點表之間按上下文聯(lián)系建立一對一或一對多的參照關(guān)系。整個關(guān)系模式設(shè)計符合BC范式要求，消除冗余且保持查詢效率和擴展的靈活性，這在今后應(yīng)對新類型的數(shù)據(jù)加入時非常便利，只要為其特有的信息創(chuàng)建新表即可，其他共同的信息部分可以重用現(xiàn)有設(shè)計，使得數(shù)據(jù)收集模塊程序和數(shù)據(jù)庫關(guān)系模式的修改都大大減少;即使今后部署使用不同嵌入式操作系統(tǒng)和路由協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點，只要收集的數(shù)據(jù)信息類似，也可以按照屬性值存入相應(yīng)的表和字段，達到數(shù)據(jù)整合的目的。

2.3 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和多元時空監(jiān)測數(shù)據(jù)的可視化處理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集到的數(shù)據(jù)流是監(jiān)測數(shù)據(jù)在時間和空間上的分布。數(shù)據(jù)發(fā)布模塊針對這種特點，給出了一種可視化的查詢分析方案，著重對隨時間變化的WSN網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等狀態(tài)信息以及多元時空關(guān)聯(lián)的傳感數(shù)據(jù)信息進行處理，提高了系統(tǒng)的可用性。具體功能設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示(圖中實線和虛線分別表示數(shù)據(jù)支持和可視化支持，方框表示空間相關(guān)，圓框表示時間相關(guān)，圓角方框表示時空相關(guān))。

圖4 可視化發(fā)布模塊功能設(shè)計

由于C/S模式中專門的桌面監(jiān)測軟件對用戶平臺有一定限制要求，且客戶端安裝和維護的工作量大，不利于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的監(jiān)測和使用，因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)布模塊基于B/S模式設(shè)計。多元時空信息的在線交互式Web頁面采用AJAX(Asynchronous JavaS-cript And XML)技術(shù)進行可視化處理。相對于Flash和Java applet等交互式技術(shù)，AJAX是一種使用戶操作與服務(wù)器響應(yīng)異步化的輕量級解決方案，不需要用戶安裝額外的插件或運行環(huán)境，且遵循W3C標準，有很好的開放性、兼容性和可移植性。另外為了能夠在瀏覽器端及時更新數(shù)據(jù)，Web程序中加入定時器后臺實時檢查數(shù)據(jù)收集狀況，當發(fā)現(xiàn)有新數(shù)據(jù)時自動更新頁面顯示并給用戶發(fā)出提醒信息，達到實時監(jiān)測的效果。數(shù)據(jù)發(fā)布模塊將以上網(wǎng)絡(luò)部署狀態(tài)信息和傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)信息集成在一起，任何連接到Internet的終端用戶都可以簡單的通過瀏覽器遠程在線訪問，并能夠通過可視化環(huán)境動態(tài)交互的查詢和分析收集的數(shù)據(jù)，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)真正走出實驗室，在實際應(yīng)用中發(fā)揮其特有的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)——Receiver

基于上文的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計所實現(xiàn)的系統(tǒng)實例名為Receiver。其中收數(shù)模塊根據(jù)Sink結(jié)點傳送原始數(shù)據(jù)包至上位機的方式，如RS-232串口或GPRS等，使用Delphi語言多線程監(jiān)聽串口或網(wǎng)絡(luò)端口編程實現(xiàn);存儲模塊中的表、存儲過程、觸發(fā)器、視圖等概念模式使用開源的Firebird關(guān)系數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)，目前共同運行在一臺Windows操作系統(tǒng)的PC機上，專門用于收集和存儲數(shù)據(jù)，分配內(nèi)網(wǎng)IP為上層應(yīng)用提供服務(wù)。圖5給出了Receiver系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)過程中的用戶界面截圖。

圖5 Receiver收數(shù)模塊工作界面

Receiver系統(tǒng)基于B/S的可視化發(fā)布模塊的服務(wù)端程序使用PHP語言編程實現(xiàn)，部署在一臺配有PHP和Nginx環(huán)境的Linux服務(wù)器上，分配了獨立IP和域名，通過TCP/IP連接Firebird數(shù)據(jù)庫請求數(shù)據(jù)，對外提供Web服務(wù)(http://network.wzu.edu.cn/wsn/demo/)。瀏覽器端對于網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和多元時空監(jiān)測數(shù)據(jù)的的Web在線交互式可視化處理分別實現(xiàn)如下:工作周期屬于時間數(shù)據(jù)，通過下拉列表顯示;部署區(qū)域和結(jié)點位置屬于空間數(shù)據(jù)，調(diào)用Google Maps API中的地圖接口實現(xiàn);每個工作周期的活動結(jié)點和網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息屬于時間屬性約束下的空間數(shù)據(jù)，分別調(diào)用Google Maps API中的標記(Marker)圖層和折線(Polyline)圖層顯示處理;傳感器結(jié)點的溫度、濕度、光照、電壓等監(jiān)測數(shù)據(jù)，按照時間和空間兩種角度分片得到“每個工作周期內(nèi)所有傳感器結(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)”和“每個傳感器結(jié)點在所有工作周期的監(jiān)測數(shù)據(jù)”，分別調(diào)用Google Visualization API中的運動散點圖(Motion Chart)和時序說明圖(Annotated Time Line)實現(xiàn)可視化查詢分析等功能。終端用戶在瀏覽器上監(jiān)測訪問的界面截圖如圖6所示。

圖6 Receiver可視化發(fā)布模塊頁面

Receiver系統(tǒng)收數(shù)、存儲和發(fā)布三個組成部分的部署非常靈活，每個模塊分別占用一臺計算機或集中部署在同一臺計算機都是可以的，實際應(yīng)用中可以根據(jù)情況任意組合，只要模塊之間能夠通過TCP/IP通信即可。

4 實驗結(jié)果

圖7 楊梅生長環(huán)境生態(tài)監(jiān)測部署

以基于WSN的楊梅園環(huán)境監(jiān)測項目為實驗平臺，如圖7所示，在實驗基地約27 000 m2區(qū)域內(nèi)(北緯27°55'5″，東經(jīng) 120°41'32″)部署了 100 個左右傳感器結(jié)點，通過持續(xù)測量溫度、濕度、光照、二氧化碳等相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)對楊梅生長環(huán)境的長期實時監(jiān)測。原型系統(tǒng)底層組網(wǎng)使用的是運行TinyOS 2.1嵌入式操作系統(tǒng)和CTP路由協(xié)議［10］的TelosB結(jié)點，裝配有溫度、濕度、光照等傳感器，部署封裝中使用兩只干電池供電。對于環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用而言，采樣率過于頻繁的傳感器測量值一般屬于冗余數(shù)據(jù)［11］，所以為了減少網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)量和通信量，改善結(jié)點能耗以延長網(wǎng)絡(luò)生存期，采用Low-duty-cycle周期性同步“休眠—工作”的方法［4，12］對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行采樣和傳輸。而這種工作方式也使得每次會有大量網(wǎng)絡(luò)包集中在很短時間內(nèi)突發(fā)性的匯聚到Sink結(jié)點。

收數(shù)模塊的批量收取超時的間隔設(shè)為100 ms，即只要兩個字節(jié)到達的時間間隔小于100 ms都被認為是同一幀數(shù)據(jù)，否則作為下一幀收取。長期測試結(jié)果表明每一幀數(shù)據(jù)從觸發(fā)批量收取開始，經(jīng)過拆分抽取、錯誤檢測、翻譯等處理后批量存入數(shù)據(jù)庫的延遲一般不超過300 ms，滿足對上述大量突發(fā)性數(shù)據(jù)進行實時收集的需求。表1顯示了Receiver系統(tǒng)的在6個月WSN增量部署中的數(shù)據(jù)持續(xù)收集情況統(tǒng)計，在總計超過70萬個網(wǎng)絡(luò)包中，收取的錯誤率低于1%。實驗結(jié)果表明Receiver運行穩(wěn)定高效，能夠適用于長期大規(guī)模部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。

表1 Receiver系統(tǒng)數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計

終端用戶在線監(jiān)測與查詢分析在圖6頁面上方的日期和時間下拉框用于選取工作周期，當前顯示的是2010年6月23日22點43分左右的情況。左上方(a)的地圖內(nèi)顯示了部署于楊梅園實驗基地區(qū)域中的部分結(jié)點以及當前工作周期的活動結(jié)點(高亮顯示)和網(wǎng)絡(luò)路由拓撲結(jié)構(gòu)。右上方(b)顯示本次工作周期數(shù)據(jù)收集的統(tǒng)計信息以及所有傳感器結(jié)點監(jiān)測數(shù)據(jù)的交互式散點圖，其中橫軸為溫度值，縱軸為濕度值，顏色表示電壓值，數(shù)據(jù)點的大小表示光照值(具體顯示模式可調(diào)整)。可以看到當時15號結(jié)點的光照值和電壓值明顯異常，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)15號結(jié)點位于部署區(qū)域邊緣緊鄰校園外的公路，夜晚明亮的路燈和對面商業(yè)區(qū)的廣告霓虹燈使得此結(jié)點的光照值在夜間也明顯高于其他結(jié)點;而較低的電壓值提醒監(jiān)測人員應(yīng)及時更換電池。點擊地圖中的某一傳感器結(jié)點圖標，頁面下方(c)出現(xiàn)此結(jié)點所有工作周期的數(shù)據(jù)收集情況統(tǒng)計以及時間序列上的監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖表，可以看到溫度和濕度這兩條隨時間變化的曲線基本上呈現(xiàn)一種反比的關(guān)系，這和經(jīng)驗以及當時的氣象情況都是相符的。

5 結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為獲取數(shù)據(jù)的一種手段正越來越多的應(yīng)用于我們生活的世界，隨著組網(wǎng)技術(shù)的成熟，對大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效收集與處理尤為關(guān)鍵。本文提出了一種集數(shù)據(jù)收集、存儲、發(fā)布以及可視化查詢分析的完整設(shè)計與實現(xiàn)方案，基于該方案的實例Receiver系統(tǒng)在大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期部署測試中逐漸形成和完善，成功應(yīng)用于實際監(jiān)測任務(wù)并取得了較好的效果。進一步工作如數(shù)據(jù)分析、異常檢測、事件報警等功能的開發(fā)和整合可以在該系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上繼續(xù)進行。另外，該系統(tǒng)架構(gòu)的通用性和靈活性使其能夠很容易移植和擴展，從而在更多的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

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