無線傳感在校園網中的應用設計

鄭蕾 王文莉

摘 要： 校園網發展無線傳感及相關產業的時機日趨成熟。利用無線傳感及移動互聯網等新技術，把傳感器嵌入到教室、實訓室、宿舍、圖書館和停車場等并將它們連接起來，形成了“無線傳感網絡”，然后通過監控中心服務器將“無線傳感網絡”和各應用軟件平臺整合起來，將學校教學、學生管理、教學樓宇管理和應用系統進行整合，以提高信息交互的明確性和靈活性，從而實現“無線傳感”模式的智能化數字校園。

關鍵詞： 無線傳感； 互聯網； 智能化； 數字校園

中圖分類號：TP29 文獻標志碼：A 文章編號：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

在學校信息化建設中，面臨著各種不同的問題，如網絡安全體系脆弱，信息共享和自動化程度都不夠完整[1]。如果將無線傳感、虛擬化及移動互聯網技術整合應用，以完善學校的各個管理系統，形成一個“無線傳感”模式的校園，都將提高教學、圖書管理、教學辦公樓管理等信息交互的明確性和靈活性，從而實現智能化管理的校園模式。

1 “無線傳感”技術體系

很早之前就出現了將傳感器采用點對點傳輸、連接傳感控制器而構成傳感網絡[2]。隨著科學不斷發展，傳感網絡中的節點處理信息的方式變得多樣化，其準確性也大大提高。之后由于互聯網的普及和物聯網技術的興起，傳感網絡也滲透到互聯網中，并應用到社會各個領域。無線傳感網絡是一個全新的信息獲取平臺，能夠實時檢測和采集網絡分布區域內的各個檢測對象的信息，并將這些信息發送到網絡節點。無線傳感網絡可以看成是由數據獲取網絡、數據發布網絡和控制管理中心三部分組成的。無線傳感網絡中的每個節點都由傳感器、處理單元和通信模塊三部分組成，一個或者多個節點相互感應相連，構成一個類似局域網的網絡，通過協議，再將得到的數據進行處理后經無線電波傳輸給控制處理中心。

無線傳感技術目前已在移動設備中廣泛使用，如藍牙。在學校，無線傳感技術可以以校園網為支撐，通過信息傳感設備，按約定的協議實現人與人、人與物、物與物全面互聯的網絡[3]，其主要特征是通過射頻識別、傳感器等方式獲取物理世界的各種信息，結合互聯網、移動通信網等網絡進行信息的傳送與交互，采用智能計算技術對信息進行分析處理，從而提高對物質世界的感知能力，實現智能化的決策和控制[4]。物聯網將傳感技術和人工智能相結合，利用云計算模式識別等各種技術，從海量信息中分析、加工和處理出有意義的數據，以適應不同領域、不同用戶的各種需求[5]。

無線傳感技術在應用中最關鍵的就是無線電波感應，我們把這層稱為感知層，感知層是無線傳感網絡的“感覺器官”，主要任務是對經過處理信息進行辨識與分類，是獲取信息的關鍵。感知層的功能和品質決定了無線傳感網絡獲取信息的速度和獲取的信息的質量。當感知層獲取相應的信息后，數據通過各類無線網絡進行傳輸，這層我們稱為傳輸層。傳輸層通過傳輸介質將信息準確定位傳輸，最常見的兩種傳輸介質是各種無線網絡和衛星傳輸，利用無線網絡可以實現短距離的傳輸，傳輸速度快而且準確性高。利用衛星傳輸，其信息傳輸范圍覆蓋非常大，但傳輸速度相對慢[6]。在無線傳感網絡的傳輸層，為了保證數據傳輸的完整性，采用 PSFQ（Pump Slowly，Fetch Quickly）重傳機制[7]，如圖1所示。

[A＼&][B＼&] [1][2沒有到達B][重新請求2][重新發送2][3][4]

圖1 PSFQ重傳機制

圖1中，源節點A可以低速向網絡注入數據包，接收點B有足夠的時間檢測這些數據包是否丟失，在檢測到如圖1中的數據包2發生丟失時，立刻向A請求重傳，一直到接收到指定的數據包，這樣利用接收點的延遲機制，保證了數據傳輸的完整性。數據通過傳輸層傳輸，接收點可以利用PC或者云平臺對接收的數據要進行處理和存儲，這層我們稱之為平臺層。應用層是對數據的使用，就像互聯網的應用層一樣，應用有很多，在校園網中，可以應用于教室的管理、宿舍的管理和圖書館的管理等。這四層具體作用如圖2所示。無線傳感網絡中每個節點都具有這四層。

[樓宇管理][智能宿舍][環境監測][更多…][應用層][數據處理中心，如PC][分布式數據處理中心，如云平臺][各類無線網絡][衛星通信網][讀卡器][溫度感知][攝像頭][更多…] [平臺層][傳輸層][感知層]

圖2 無線傳感網絡的數據處理層

2 “無線傳感”模式校園整體結構

無線傳感校園建設的核心基礎之一就是數據融合平臺的建立。數據融合平臺的重要作用主要體現在：整合數據資源，統一信息管理。將校園內的各個應用網絡整合在一起，實施統一的管理與控制，綜合利用各種網絡接入手段，提供開放的標準接口，為無線傳感校園應用提供網絡通信保障。在無線傳感校園網中，使用者通過登錄界面，依照角色權限，登錄到綜合信息服務平臺，然后在綜合信息平臺選擇各類應用，也就是說綜合信息平臺式整合校園中各類應用系統，這種登錄方式是采用比較安全的以賬戶密碼和角色為安全策略的單點接入方式。

2.1 監控中心

為保證使用者使用數據的準確性，整個無線傳感網絡中需要有一個監控中心，監控中心最核心的部件就是傳感器，它負責數據的采集和處理，進行數據的應用管理，是整個系統的核心。它隨時對整個網絡進行監控和遠程數據訪問，對系統的運行和配置數據進行管理，包括配置參數，發送監控命令，收集各應用系統的狀態數據和其他配置數據的管理等。接收的數據隨著實際情況的變化而變化，保證了數據的實時性。同時，監控中心給使用者提供各綜合信息的主界面，相當于網站的主頁，使用者可以通過主界面進入各個應用系統。主界面模塊主要由監控管理、數據顯示和控制面板等組成。將數據以圖形化的方式形象直觀地展示出來，為用戶提供整個無線傳感校園網的實時監控。同時，使用者可根據自己的需求來配置和管理系統。

2.2 數據處理

數據處理主要負責系統的數據存儲和操作。將采集的實時數據存儲到數據庫，系統可以根據使用者需要隨時調用數據庫中存儲的數據，為使用者了解相應子應用系統的實時狀態提供支撐，比如對于教室管理子系統，可以隨時了解教室的使用情況。監控中心所有的信息數據都來至于數據庫，如圖3所示。

[接收和發送數據

][無線傳感校園網監控中心][數據處理中心（數據庫）] [校園網] [接收和發送數據]

圖3 數據處理模式

圖3中，信息的傳遞主要是靠對應接口，要保證數據的通信，其接口的配置和管理尤為重要。接口是軟件主系統對子系統的通道，通過與感知層的數據交互，可以實現使用者對底層硬件的控制。

3 子應用系統

3.1 樓宇管理

無線傳感樓宇管理系統通過統一的平臺對建筑物內的設備進行自動控制和管理，并對用戶提供信息和通信服務。另外對建筑物的所有設備、消防、保安設備等進行綜合監控和協調。將樓宇設備管理系統（如電源系統、多媒體教室設備、燈光系統、空調系統等）、辦公自動化系統（OA）和通信自動化系統整合聯接起來，形成一體化樓宇管理系統。通過各種軟件接口集成以上各子系統，通過高速網絡和開放的、標準的軟件接口進行各系統間的無縫集成，以達到信息共享及系統的聯動，并自動完成數據采集、存儲、分析等工作，達到對樓宇內所有機電設備進行監視和控制。樓宇管理系統包括監控和管理兩層主要功能，它通過主干網絡和監控中心聯接，將樓宇內的每個子系統集中在同一界面，通過這個界面可以十分方便的實現對樓宇內的各子系統實施監視、控制和管理，操作者可以得到所需的子系統信息，以及控制相關設備。

3.2 圖書館管理

圖書管理子系統對讀者、圖書、文獻、書庫書架的一體化標識，構架起計算機信息和館藏文獻、讀者服務之間的更為方便高效的管理與服務體系。監控中心完成對圖書館所有設備的監視與控制，主要包括自助“借/還”書、安全門禁及圖書盤點統計系統等。監控中心能及時發現異常設備，更新軟件界面圖標狀態，自動發出的報警信息。監控中心還能獲取異常設備詳細信息。

3.3 車位狀態感知

每個傳感器節點通過超聲波對車位信息進行檢測，檢測完后，通過微控制器進行處理，并將檢測后的信息通過總線發送到數據處理設備上，數據處理設備處理好數據后通過接口傳送到監控中心，然后再自動將數據寫入到數據庫中。應用終端可以通過訪問數據庫的數據，然后對車位狀態進行管理。

3.4 重點人物位置感知

感知目標信息的節點將感知信息廣播（無線）傳送到管理節點，再由管理節點融合感知信息，對目標位置進行判斷。由于無線傳感具有擴展性強、實時性和隱蔽性好等特點，所以非常適合對運動目標進行跟蹤定位。目標定位應用可以分為偵測、定位、報告三個階段。在偵測階段，每個傳感器節點隨機“啟動”以探測目標，并在目標出現后計算自身到目標的距離，同時向網絡廣播包括節點位置及與目標的距離等內容的信息。

3.5 校園環境感知

隨著人們對于環境問題的關注程度越來越高，需要采集的環境數據也越來越多，無線傳感器網絡在校園指定點安裝傳感器，感知這些指定點的溫度、濕度、空氣質量等相關信息，將這些信息返回監控中心，然后現在顯示在監控中心的主界面。該子系統主要由數據采集端和移動監控終端兩部分組成。在數據采集端，利用傳感器實現對環境的實時監測，把所采集到的數據通過無線傳輸模塊傳送到移動監控終端。在移動監控終端，接收數據，將處理后的環境參數數據進行顯示。

將上述所有子系統整合起來，無線傳感校園總體應用框架如圖4所示。

圖4 無線傳感校園網設計

4 結束語

本文對在校園網中應用無線傳感技術方案進行了詳細設計。從“無線傳感”技術體系出發，首先設計了整體結構，并對無線傳感網絡的數據傳輸處理進行設計，最后對監控中心的綜合應用平臺中樓宇管理子系統、圖書館管理子系統、車位狀態感知子系統、重點人物定位子系統和校園環境子系統進行了詳細的說明和設計，形成了一個完整的“無線傳感模式”的校園網。

無線傳感技術和產業的發展將引發新一輪信息技術革命和產業革命，是信息產業領域未來競爭的制高點和產業升級的核心驅動力[8]。由無線傳感技術引申出的物聯網概念是龐大和豐富的，物聯網的應用將更為廣泛。如果將物聯網、云計算服務和校園網的各軟件系統整合起來，這又將是新一輪的技術革命。

無線傳感網絡中，傳感器感知的數據是整個網絡的核心，建設統一身份認證平臺和綜合信息服務平臺，并建立安全高效、統一共享的數據中心是重中之重[9]。就目前而言，在校園網中實現“無線傳感模式”，還面臨著許多問題。

⑴ 網絡內通信問題。無線傳感器網絡內正常通信聯系中，信號可能被一些障礙物或其他電子信號干擾，如何安全有效進行通信是個有待研究的問題。

⑵ 成本問題。在一個無線傳感器網絡中，需要使用數量龐大的微型傳感器，這樣成本會制約其發展。

⑶ 高效的無線傳感器網絡結構。無線傳感器網絡的結構是組織無線傳感器的成網技術，有多種形態和方式，合理的無線傳感器網絡可以最大限度地利用資源。在其中還包括網絡安全協議問題和大規模傳感器網絡中的節點移動性管理問題等有待解決。

參考文獻：

[1] 王薪宇.CC430無線傳感網絡單片機原理與應用[M].北京航空航天

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[2] 張西紅.無線傳感網技術及其軍事應用[M].國防工業出版社，2010.

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[5] 賈靈.物聯網/無線傳感網原理與實踐[M].北京航空航天大學出版社，

2011.

[6] 孫利民.無線傳感器網絡[M].清華大學出版社，2005.

[7] 高守瑋.ZigBee技術實踐教程：基于CC2430/31的無線傳感器網絡

解決方案[M].北京航空航天大學出版社，2009.

[8] 崔遜學.無線傳感器網絡的領域應用與設計技術[M].國防工業出版

社，2009.

[9] 譚勵.無線傳感器網絡理論與技術應用[M].機械工業出版社，2011.