利用無線傳感網絡（WSN）構建宿舍信息化

秦大明

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利用無線傳感網絡（WSN）構建宿舍信息化

秦大明

重慶市石柱縣第一初級中學

秦大明（1967-）男，重慶市人，重慶市石柱縣第一初級中學校長，從事教育管理信息化研究。

行業曲線

本文針對利用無線傳感網絡（WSN）構建中小學學生宿舍信息化環境。在中小學學生宿舍信息化環境行業起到教育信息化時代的創新作用。

如付諸現實將產生中小學學生宿舍信息化管理的很大經濟效益。

根據中小學學生宿舍的實際應用需求，結合無線傳感網絡（WSN）的原理和構架特點，設計一種基于無線傳感網絡（WSN）技術的中小學學生宿舍建設方案。該方案對無線傳感網絡（WSN）技術框架進行改進，討論組網機理，給出具體的實現方案，并設計制作網絡關鍵節點。根據實際應用需求設計一種異頻網絡異構的網絡構架，并進行典型應用的參數測試，測試結果表明，該方案在中小學學生宿舍中的實際應用是良好的。

無線傳感網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是指由隨機分布的傳感器、數據處理單元和通信模塊構成的無線網絡，信息獲取從單一化模式向集成化、微型化、網絡化、智能化方向發展，通過智能技術和感知技術進行識別感知，通過網絡互聯傳輸、普適計算（Pervasive Computing）、數據挖掘（Data mining）和知識挖掘（Knowledge Mining），實現人與物、物與物訊息交互和無縫（Seamless）鏈接，達到實時控制（Real-time Control）、精確管理和科學決策目的。無線傳感網絡（WSN） 綜合了傳感器技術、無線通信技術、嵌入式系統技術、分布式信息處理等技術，具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。無線傳感網絡（WSN）的核心思想是在互聯網的基礎上，利用無線通訊、感知標識等技術，構造一個覆蓋虛實世界的網絡。作為智慧校園中的一環，無線傳感網絡（WSN）應用于中小學學生宿舍是必然的。無線傳感網絡（WSN）能夠滿足中小學學生宿舍中的訊息采集、傳輸、分析處理和智能控制，使中小學學生宿舍變得方便、智慧。本文利用無線傳感網絡（WSN）的特點，設計了基于無線傳感網絡（WSN）技術的中小學學生宿舍建設框架。

無線傳感網絡（WSN）的技術構架

目前，無線傳感網絡（WSN）還沒有一個被廣泛認同的體系結構，但是，可以根據無線傳感網絡（WSN）對訊息感知、傳輸、處理的程式將其劃分為感知識別層、網絡連接層和應用服務三層體系結構。

感知識別層的功能是感知、識別和采集訊息。可以應用的技術包括RFID子標簽、智能卡、傳感器等。感知節點（Sensing Node）能實時感知傳遞訊息，并能實現智能控制。

網絡連接層的功能是網絡控制與數據傳輸。利用網絡互連，把感知識別到的數據訊息可靠進行傳送。目前能夠用于無線傳感網絡（WSN）的通訊網絡主要有無線通訊網、衛星通訊網、有線電視網、移動通訊網、互聯網等。

應用服務層的功能是執行訊息處理和人機對話，實現無線傳感網絡（WSN）與行業技術的深度融合，應用服務層對感知數據的處理，實現為學生提供智能化服務。

利用無線傳感網絡（WSN）構建中小學學生宿舍信息化環境

根據無線傳感網絡（WSN）的整體構建構架，中小學學生宿舍無線傳感網絡（WSN）可分為學生宿舍訊息感知控制層、網絡異構層（Network Heterogeneous Layer）和綜合應用層三層結構。學生宿舍訊息感知控制層主要對象是學生宿舍中的傳感裝置，網絡異構層（NHL）包括學生寢室5GHz頻段網絡、學生宿舍樓868MHz頻段和因特爾等傳輸網絡，綜合應用層的功能是學生宿舍樓內的監視、學生寢室外的遠程控制等。

感知控制層（Perceptual Control Layer）

在感知控制層中，嵌入有感知器件和RFID的物體形成局部網絡，共同感知周圍環境狀態，并對獲取的訊息進行初步處理和分析，按照相應規則響應；同時，根據各種接入網絡把處理結果接入到網絡異構通訊層。感知控制層中的傳感器分為三表數傳（Three Table Data Transmission）、安防監測（Security Monitoring）和環境監測等三類，如下圖所示。傳輸與匯聚節點（sink node，SN） 是中小學學生宿舍的主要節點，該節點承擔著整個中小學學生宿舍的訊息傳輸。在中小學學生宿舍中，通過四個類型節點實現了感知及控制及人與物、物與物相聯。

異構網絡層（Heterogeneous Network Layer）

（1）學生宿舍網絡構架

按照中小學學生宿舍的需求，網絡設計采用3層結構，各層采用頻段各不相同，每個學生寢室內采用5GHz頻段；樓棟外采用868MHz頻段；學生宿舍樓間及與外界的數據交換則通過因特網或者無線公網進行傳輸，如圖1所示。

圖1　中小學學生宿舍網絡構架

在中小學學生宿舍網絡構架圖中，學生寢室匯聚節點（SN）和學生宿舍樓匯聚節點（SN）均為雙頻節點（Double Frequency Node），功能是將學生寢室和學生宿舍樓內部訊息匯聚后傳輸給上層網絡。所以，中小學學生宿舍中的無線傳感網絡（WSN）更適宜采用異頻異構（Different frequency Isomerism）進行組網。

（2）學生宿舍組網原理

通常在中小學學生宿舍的應用中，高效的路由的應用是無線傳感網絡（WSN）在學生宿舍中的關鍵環節。先進的拓撲結構能夠提升路由的魯棒性（Robustness），在中小學學生宿舍中，學生宿舍之間適合用點對多點的樹形拓撲結構，學生寢室之間適于用點對點的環形拓撲結構。

在感器網中，路由有按表路由協議和按需路由協議。按需路由包括傳統傳感器網路由協議和多跳網絡路由協議。傳統的協議網路開銷大，基于洪泛 （Flooding）機理，負責整體節能。按表路由拓撲變化時反應慢，維護開銷大，不適宜在中小學學生宿舍應用。雖然PEGASIS、GPSR和TTDD等路由協議克服了洪泛的弱點，但均屬于能效高的路由協議，在路由健壯性方面又有不同的問題，不適宜時延小的中小學學生宿舍無線傳感網絡（WSN）。多跳網絡路由協議以TORA和ZRP協議為代表，其中，ZRP協議在維護上，路由表網絡開銷會增加。TORA協議中的節點不需要交換路由表和定期維護，相比之下開銷小。然而，TORA協議在節點較多的情況下延時大，通訊時效率較低。

綜合應用層（Integrated Application Layer）

綜合應用層通過數據挖掘（Data Mining）、數據融合（Data Fusion）和數據分析（Data Analysis），實現對學生寢室或學生宿舍樓訊息的監視和遠距離的控制，將各種感知通過網絡傳輸給他人或相關部門。同時也能對進出學生宿舍樓的學生、學生宿舍樓的車輛進行管理，實施中小學學生宿舍中的智能監測控制。從而實現智慧學生宿舍與智慧校園構建。

網絡構建方案

通過上述分析，中小學學生宿舍無線傳感網絡（WSN）架構基本形成，整體設計是采用GPRS、5GMHz和868MHz三層結構構建智能化學生宿舍。通過上述三類傳感器節點作為感知（層）節點對傳感訊息的采集傳輸和智能控制。數據采集還要將煙霧、溫濕度等采集信號轉變為數字信號；數據處理是采集的信號處理，學生宿舍計算量不大，所以一般采用16位或32位ATmega256L低功耗微控制器；數據傳輸采用近距離、低功耗射頻收發芯片CC2530負責數據的收發；該方案一般采用電池為系統提供能量。

學生宿舍樓內5GHz感知（層）節點按學生寢室可劃分為多段局域網，每段網絡皆設計多個匯聚節點（SN）（學生寢室匯聚節點（SN）和局域匯聚節點（SN）），由ARM9構成，硬件結構和感知（層）節點硬件不同，由2個無線收發模塊構成，除用于5GHz射頻模塊CC2530外，還采用868MHz芯片CC1101來構成學生宿舍樓868MHz網絡。

學生寢室匯聚節點（SN）與學生宿舍樓傳輸節點一起構成868MHz學生宿舍樓網絡，學生宿舍樓傳輸節點既是樓棟間的中繼節點也負責采集樓棟內的位置訊息，如煙感、溫度和濕度，可接煙感探頭、溫度探頭、濕度探頭和報警探頭等。其硬件結構由CC1101的868MHz無線收發芯片模塊。868MHz學生宿舍樓網絡設置多個學生宿舍樓匯聚節點（SN），實現中小學學生宿舍的遠距離智能控制。

測試結果

按照上述網絡構建方案實施測試，為了滿足中小學學生宿舍信息化環境需求，采用休眠喚醒模式，重點測試局域網匯聚節點（SN）、學生寢室匯聚節點（SN）和學生寢室三表集抄（Three Table Set Copy）節點之間的數據收發時間、喚醒時間。

網絡匯聚節點（SN）為N0，學生寢室網絡匯聚節點（SN）為N1。節點N2、N3、N4都為學生寢室網絡三表采集節點。測試結果如表1所示。

表1　學生宿舍數據測試狀況（秒）

從表1可以看出，測試喚醒周期為1秒。匯聚節點（SN）N0首先發送1s的喚醒命令喚醒學生寢室網絡匯聚節點（SN）N1，學生寢室網絡匯聚節點（SN）N1被喚醒后應答局域網絡匯聚節點（SN）N0，總耗時1.03s；學生寢室網絡匯聚節點（SN）N1再發送持續1s的喚醒命令喚醒學生寢室網絡三表采集節點N2，學生寢室網絡三表采集節點N3和學生寢室網絡三表采集節點N4也同時被喚醒。學生寢室網絡三表采集節點N2收到學生寢室網絡匯聚節點（SN）N1的抄表指令，然后讀取表中數據發送給學生寢室網絡匯聚節點（SN）N1，學生寢室網絡匯聚節點（SN）N1直接轉發給局域網絡匯聚節點（SN）N0；然后學生寢室網絡匯聚節點（SN）N1再向學生寢室網絡三表采集節點N3發送抄表命令，抄表命令收到后轉發給局域網絡匯聚節點（SN）N0；對學生寢室網絡三表采集節點N4采用相同測試。這樣，總抄表時間為2.58s，達到了抄表要求。從實驗結果看，網絡方案符合中小學學生宿舍的信息化環境需求。

結束語

在中小學學生宿舍構建中，考慮當代正直智慧校園建設，提出的異頻異構（Different Frequency Isomerism）中小學學生宿舍網絡構架是一種較理想的策略。但是組網路由（Network Routing）和節點能耗（Node Energy Consumption）將影響整個網絡系統的運行，故此，在未來的應用中還需進一步研究，把中小學學生宿舍構建得更加陽光、便捷和智能。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.018