鄭蕾 王文莉

摘 要： 校園網(wǎng)發(fā)展無線傳感及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的時機日趨成熟。利用無線傳感及移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，把傳感器嵌入到教室、實訓(xùn)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(wǎng)絡(luò)”，然后通過監(jiān)控中心服務(wù)器將“無線傳感網(wǎng)絡(luò)”和各應(yīng)用軟件平臺整合起來，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)進行整合，以提高信息交互的明確性和靈活性，從而實現(xiàn)“無線傳感”模式的智能化數(shù)字校園。

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

中圖分類號：TP29 文獻標(biāo)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(xué)校信息化建設(shè)中，面臨著各種不同的問題，如網(wǎng)絡(luò)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(lián)網(wǎng)技術(shù)整合應(yīng)用，以完善學(xué)校的各個管理系統(tǒng)，形成一個“無線傳感”模式的校園，都將提高教學(xué)、圖書管理、教學(xué)辦公樓管理等信息交互的明確性和靈活性，從而實現(xiàn)智能化管理的校園模式。

1 “無線傳感”技術(shù)體系

很早之前就出現(xiàn)了將傳感器采用點對點傳輸、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)用到社會各個領(lǐng)域。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一個全新的信息獲取平臺，能夠?qū)崟r檢測和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各個檢測對象的信息，并將這些信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。無線傳感網(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。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)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(jié)點相互感應(yīng)相連，構(gòu)成一個類似局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)，通過協(xié)議，再將得到的數(shù)據(jù)進行處理后經(jīng)無線電波傳輸給控制處理中心。

無線傳感技術(shù)目前已在移動設(shè)備中廣泛使用，如藍(lán)牙。在學(xué)校，無線傳感技術(shù)可以以校園網(wǎng)為支撐，通過信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議實現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)[3]，其主要特征是通過射頻識別、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)、移動通信網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進行信息的傳送與交互，采用智能計算技術(shù)對信息進行分析處理，從而提高對物質(zhì)世界的感知能力，實現(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，利用云計算模式識別等各種技術(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、不同用戶的各種需求[5]。

無線傳感技術(shù)在應(yīng)用中最關(guān)鍵的就是無線電波感應(yīng)，我們把這層稱為感知層，感知層是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的“感覺器官”，主要任務(wù)是對經(jīng)過處理信息進行辨識與分類，是獲取信息的關(guān)鍵。感知層的功能和品質(zhì)決定了無線傳感網(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)通過各類無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，這層我們稱為傳輸層。傳輸層通過傳輸介質(zhì)將信息準(zhǔn)確定位傳輸，最常見的兩種傳輸介質(zhì)是各種無線網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星傳輸，利用無線網(wǎng)絡(luò)可以實現(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，但傳輸速度相對慢[6]。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸層，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，采?PSFQ（Pump Slowly，F(xiàn)etch 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(fā)送2][3][4]

圖1 PSFQ重傳機制

圖1中，源節(jié)點A可以低速向網(wǎng)絡(luò)注入數(shù)據(jù)包，接收點B有足夠的時間檢測這些數(shù)據(jù)包是否丟失，在檢測到如圖1中的數(shù)據(jù)包2發(fā)生丟失時，立刻向A請求重傳，一直到接收到指定的數(shù)據(jù)包，這樣利用接收點的延遲機制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?。?shù)據(jù)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(shù)據(jù)要進行處理和存儲，這層我們稱之為平臺層。應(yīng)用層是對數(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、宿舍的管理和圖書館的管理等。這四層具體作用如圖2所示。無線傳感網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點都具有這四層。

[樓宇管理][智能宿舍][環(huán)境監(jiān)測][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][各類無線網(wǎng)絡(luò)][衛(wèi)星通信網(wǎng)][讀卡器][溫度感知][攝像頭][更多…] [平臺層][傳輸層][感知層]

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理層

2 “無線傳感”模式校園整體結(jié)構(gòu)

無線傳感校園建設(shè)的核心基礎(chǔ)之一就是數(shù)據(jù)融合平臺的建立。數(shù)據(jù)融合平臺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)的各個應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)整合在一起，實施統(tǒng)一的管理與控制，綜合利用各種網(wǎng)絡(luò)接入手段，提供開放的標(biāo)準(zhǔn)接口，為無線傳感校園應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)通信保障。在無線傳感校園網(wǎng)中，使用者通過登錄界面，依照角色權(quán)限，登錄到綜合信息服務(wù)平臺，然后在綜合信息平臺選擇各類應(yīng)用，也就是說綜合信息平臺式整合校園中各類應(yīng)用系統(tǒng)，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(jiān)控中心

為保證使用者使用數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)中需要有一個監(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，進行數(shù)據(jù)的應(yīng)用管理，是整個系統(tǒng)的核心。它隨時對整個網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問，對系統(tǒng)的運行和配置數(shù)據(jù)進行管理，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)隨著實際情況的變化而變化，保證了數(shù)據(jù)的實時性。同時，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，使用者可以通過主界面進入各個應(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，為用戶提供整個無線傳感校園網(wǎng)的實時監(jiān)控。同時，使用者可根據(jù)自己的需求來配置和管理系統(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)存儲和操作。將采集的實時數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可以根據(jù)使用者需要隨時調(diào)用數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)，為使用者了解相應(yīng)子應(yīng)用系統(tǒng)的實時狀態(tài)提供支撐，比如對于教室管理子系統(tǒng)，可以隨時了解教室的使用情況。監(jiān)控中心所有的信息數(shù)據(jù)都來至于數(shù)據(jù)庫，如圖3所示。

[接收和發(fā)送數(shù)據(jù)

][無線傳感校園網(wǎng)監(jiān)控中心][數(shù)據(jù)處理中心（數(shù)據(jù)庫）] [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)對子系統(tǒng)的通道，通過與感知層的數(shù)據(jù)交互，可以實現(xiàn)使用者對底層硬件的控制。

3 子應(yīng)用系統(tǒng)

3.1 樓宇管理

無線傳感樓宇管理系統(tǒng)通過統(tǒng)一的平臺對建筑物內(nèi)的設(shè)備進行自動控制和管理，并對用戶提供信息和通信服務(wù)。另外對建筑物的所有設(shè)備、消防、保安設(shè)備等進行綜合監(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）、辦公自動化系統(tǒng)（OA）和通信自動化系統(tǒng)整合聯(lián)接起來，形成一體化樓宇管理系統(tǒng)。通過各種軟件接口集成以上各子系統(tǒng)，通過高速網(wǎng)絡(luò)和開放的、標(biāo)準(zhǔn)的軟件接口進行各系統(tǒng)間的無縫集成，以達到信息共享及系統(tǒng)的聯(lián)動，并自動完成數(shù)據(jù)采集、存儲、分析等工作，達到對樓宇內(nèi)所有機電設(shè)備進行監(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，它通過主干網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心聯(lián)接，將樓宇內(nèi)的每個子系統(tǒng)集中在同一界面，通過這個界面可以十分方便的實現(xiàn)對樓宇內(nèi)的各子系統(tǒng)實施監(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 圖書館管理

圖書管理子系統(tǒng)對讀者、圖書、文獻、書庫書架的一體化標(biāo)識，構(gòu)架起計算機信息和館藏文獻、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)控中心完成對圖書館所有設(shè)備的監(jiān)視與控制，主要包括自助“借/還”書、安全門禁及圖書盤點統(tǒng)計系統(tǒng)等。監(jiān)控中心能及時發(fā)現(xiàn)異常設(shè)備，更新軟件界面圖標(biāo)狀態(tài)，自動發(fā)出的報警信息。監(jiān)控中心還能獲取異常設(shè)備詳細(xì)信息。

3.3 車位狀態(tài)感知

每個傳感器節(jié)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(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)后通過接口傳送到監(jiān)控中心，然后再自動將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫中。應(yīng)用終端可以通過訪問數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，然后對車位狀態(tài)進行管理。

3.4 重點人物位置感知

感知目標(biāo)信息的節(jié)點將感知信息廣播（無線）傳送到管理節(jié)點，再由管理節(jié)點融合感知信息，對目標(biāo)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(biāo)進行跟蹤定位。目標(biāo)定位應(yīng)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(jié)點隨機“啟動”以探測目標(biāo)，并在目標(biāo)出現(xiàn)后計算自身到目標(biāo)的距離，同時向網(wǎng)絡(luò)廣播包括節(jié)點位置及與目標(biāo)的距離等內(nèi)容的信息。

3.5 校園環(huán)境感知

隨著人們對于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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)采集端和移動監(jiān)控終端兩部分組成。在數(shù)據(jù)采集端，利用傳感器實現(xiàn)對環(huán)境的實時監(jiān)測，把所采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳送到移動監(jiān)控終端。在移動監(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)進行顯示。

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

圖4 無線傳感校園網(wǎng)設(shè)計

4 結(jié)束語

本文對在校園網(wǎng)中應(yīng)用無線傳感技術(shù)方案進行了詳細(xì)設(shè)計。從“無線傳感”技術(shù)體系出發(fā)，首先設(shè)計了整體結(jié)構(gòu)，并對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸處理進行設(shè)計，最后對監(jiān)控中心的綜合應(yīng)用平臺中樓宇管理子系統(tǒng)、圖書館管理子系統(tǒng)、車位狀態(tài)感知子系統(tǒng)、重點人物定位子系統(tǒng)和校園環(huán)境子系統(tǒng)進行了詳細(xì)的說明和設(shè)計，形成了一個完整的“無線傳感模式”的校園網(wǎng)。

無線傳感技術(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)域未來競爭的制高點和產(chǎn)業(yè)升級的核心驅(qū)動力[8]。由無線傳感技術(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)、云計算服務(wù)和校園網(wǎng)的各軟件系統(tǒng)整合起來，這又將是新一輪的技術(shù)革命。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，傳感器感知的數(shù)據(jù)是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，建設(shè)統(tǒng)一身份認(rèn)證平臺和綜合信息服務(wù)平臺，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)中實現(xiàn)“無線傳感模式”，還面臨著許多問題。

⑴ 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)通信問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常通信聯(lián)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(wǎng)絡(luò)中，需要使用數(shù)量龐大的微型傳感器，這樣成本會制約其發(fā)展。

⑶ 高效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)，有多種形態(tài)和方式，合理的無線傳感器網(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)議問題和大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點移動性管理問題等有待解決。

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