秦大明

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利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）構(gòu)建宿舍信息化

秦大明

重慶市石柱縣第一初級中學(xué)

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

行業(yè)曲線

本文針對利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）構(gòu)建中小學(xué)學(xué)生宿舍信息化環(huán)境。在中小學(xué)學(xué)生宿舍信息化環(huán)境行業(yè)起到教育信息化時代的創(chuàng)新作用。

如付諸現(xiàn)實將產(chǎn)生中小學(xué)學(xué)生宿舍信息化管理的很大經(jīng)濟效益。

根據(jù)中小學(xué)學(xué)生宿舍的實際應(yīng)用需求，結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的原理和構(gòu)架特點，設(shè)計一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的中小學(xué)學(xué)生宿舍建設(shè)方案。該方案對無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)框架進行改進，討論組網(wǎng)機理，給出具體的實現(xiàn)方案，并設(shè)計制作網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵節(jié)點。根據(jù)實際應(yīng)用需求設(shè)計一種異頻網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，并進行典型應(yīng)用的參數(shù)測試，測試結(jié)果表明，該方案在中小學(xué)學(xué)生宿舍中的實際應(yīng)用是良好的。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是指由隨機分布的傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，信息獲取從單一化模式向集成化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向發(fā)展，通過智能技術(shù)和感知技術(shù)進行識別感知，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)傳輸、普適計算（Pervasive Computing）、數(shù)據(jù)挖掘（Data mining）和知識挖掘（Knowledge Mining），實現(xiàn)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(xué)決策目的。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN） 綜合了傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、分布式信息處理等技術(shù)，具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的核心思想是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用無線通訊、感知標(biāo)識等技術(shù)，構(gòu)造一個覆蓋虛實世界的網(wǎng)絡(luò)。作為智慧校園中的一環(huán)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）應(yīng)用于中小學(xué)學(xué)生宿舍是必然的。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）能夠滿足中小學(xué)學(xué)生宿舍中的訊息采集、傳輸、分析處理和智能控制，使中小學(xué)學(xué)生宿舍變得方便、智慧。本文利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點，設(shè)計了基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的中小學(xué)學(xué)生宿舍建設(shè)框架。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的技術(shù)構(gòu)架

目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）還沒有一個被廣泛認同的體系結(jié)構(gòu)，但是，可以根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）對訊息感知、傳輸、處理的程式將其劃分為感知識別層、網(wǎng)絡(luò)連接層和應(yīng)用服務(wù)三層體系結(jié)構(gòu)。

感知識別層的功能是感知、識別和采集訊息?？梢詰?yīng)用的技術(shù)包括RFID子標(biāo)簽、智能卡、傳感器等。感知節(jié)點（Sensing Node）能實時感知傳遞訊息，并能實現(xiàn)智能控制。

網(wǎng)絡(luò)連接層的功能是網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)傳輸。利用網(wǎng)絡(luò)互連，把感知識別到的數(shù)據(jù)訊息可靠進行傳送。目前能夠用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的通訊網(wǎng)絡(luò)主要有無線通訊網(wǎng)、衛(wèi)星通訊網(wǎng)、有線電視網(wǎng)、移動通訊網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等。

應(yīng)用服務(wù)層的功能是執(zhí)行訊息處理和人機對話，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）與行業(yè)技術(shù)的深度融合，應(yīng)用服務(wù)層對感知數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)為學(xué)生提供智能化服務(wù)。

利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）構(gòu)建中小學(xué)學(xué)生宿舍信息化環(huán)境

根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）的整體構(gòu)建構(gòu)架，中小學(xué)學(xué)生宿舍無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）可分為學(xué)生宿舍訊息感知控制層、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)層（Network Heterogeneous Layer）和綜合應(yīng)用層三層結(jié)構(gòu)。學(xué)生宿舍訊息感知控制層主要對象是學(xué)生宿舍中的傳感裝置，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)層（NHL）包括學(xué)生寢室5GHz頻段網(wǎng)絡(luò)、學(xué)生宿舍樓868MHz頻段和因特爾等傳輸網(wǎng)絡(luò)，綜合應(yīng)用層的功能是學(xué)生宿舍樓內(nèi)的監(jiān)視、學(xué)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(wǎng)絡(luò)，共同感知周圍環(huán)境狀態(tài)，并對獲取的訊息進行初步處理和分析，按照相應(yīng)規(guī)則響應(yīng)；同時，根據(jù)各種接入網(wǎng)絡(luò)把處理結(jié)果接入到網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)通訊層。感知控制層中的傳感器分為三表數(shù)傳（Three Table Data Transmission）、安防監(jiān)測（Security Monitoring）和環(huán)境監(jiān)測等三類，如下圖所示。傳輸與匯聚節(jié)點（sink node，SN） 是中小學(xué)學(xué)生宿舍的主要節(jié)點，該節(jié)點承擔(dān)著整個中小學(xué)學(xué)生宿舍的訊息傳輸。在中小學(xué)學(xué)生宿舍中，通過四個類型節(jié)點實現(xiàn)了感知及控制及人與物、物與物相聯(lián)。

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)層（Heterogeneous Network Layer）

（1）學(xué)生宿舍網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

按照中小學(xué)學(xué)生宿舍的需求，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用3層結(jié)構(gòu)，各層采用頻段各不相同，每個學(xué)生寢室內(nèi)采用5GHz頻段；樓棟外采用868MHz頻段；學(xué)生宿舍樓間及與外界的數(shù)據(jù)交換則通過因特網(wǎng)或者無線公網(wǎng)進行傳輸，如圖1所示。

圖1　中小學(xué)學(xué)生宿舍網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

在中小學(xué)學(xué)生宿舍網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架圖中，學(xué)生寢室匯聚節(jié)點（SN）和學(xué)生宿舍樓匯聚節(jié)點（SN）均為雙頻節(jié)點（Double Frequency Node），功能是將學(xué)生寢室和學(xué)生宿舍樓內(nèi)部訊息匯聚后傳輸給上層網(wǎng)絡(luò)。所以，中小學(xué)學(xué)生宿舍中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）更適宜采用異頻異構(gòu)（Different frequency Isomerism）進行組網(wǎng)。

（2）學(xué)生宿舍組網(wǎng)原理

通常在中小學(xué)學(xué)生宿舍的應(yīng)用中，高效的路由的應(yīng)用是無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）在學(xué)生宿舍中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。先進的拓撲結(jié)構(gòu)能夠提升路由的魯棒性（Robustness），在中小學(xué)學(xué)生宿舍中，學(xué)生宿舍之間適合用點對多點的樹形拓撲結(jié)構(gòu)，學(xué)生寢室之間適于用點對點的環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)。

在感器網(wǎng)中，路由有按表路由協(xié)議和按需路由協(xié)議。按需路由包括傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)路由協(xié)議和多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。傳統(tǒng)的協(xié)議網(wǎng)路開銷大，基于洪泛 （Flooding）機理，負責(zé)整體節(jié)能。按表路由拓撲變化時反應(yīng)慢，維護開銷大，不適宜在中小學(xué)學(xué)生宿舍應(yīng)用。雖然PEGASIS、GPSR和TTDD等路由協(xié)議克服了洪泛的弱點，但均屬于能效高的路由協(xié)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(xué)學(xué)生宿舍無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）。多跳網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議以TORA和ZRP協(xié)議為代表，其中，ZRP協(xié)議在維護上，路由表網(wǎng)絡(luò)開銷會增加。TORA協(xié)議中的節(jié)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(xié)議在節(jié)點較多的情況下延時大，通訊時效率較低。

綜合應(yīng)用層（Integrated Application Layer）

綜合應(yīng)用層通過數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining）、數(shù)據(jù)融合（Data Fusion）和數(shù)據(jù)分析（Data Analysis），實現(xiàn)對學(xué)生寢室或?qū)W生宿舍樓訊息的監(jiān)視和遠距離的控制，將各種感知通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給他人或相關(guān)部門。同時也能對進出學(xué)生宿舍樓的學(xué)生、學(xué)生宿舍樓的車輛進行管理，實施中小學(xué)學(xué)生宿舍中的智能監(jiān)測控制。從而實現(xiàn)智慧學(xué)生宿舍與智慧校園構(gòu)建。

網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案

通過上述分析，中小學(xué)學(xué)生宿舍無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）架構(gòu)基本形成，整體設(shè)計是采用GPRS、5GMHz和868MHz三層結(jié)構(gòu)構(gòu)建智能化學(xué)生宿舍。通過上述三類傳感器節(jié)點作為感知（層）節(jié)點對傳感訊息的采集傳輸和智能控制。數(shù)據(jù)采集還要將煙霧、溫濕度等采集信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號；數(shù)據(jù)處理是采集的信號處理，學(xué)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(shù)據(jù)傳輸采用近距離、低功耗射頻收發(fā)芯片CC2530負責(zé)數(shù)據(jù)的收發(fā)；該方案一般采用電池為系統(tǒng)提供能量。

學(xué)生宿舍樓內(nèi)5GHz感知（層）節(jié)點按學(xué)生寢室可劃分為多段局域網(wǎng)，每段網(wǎng)絡(luò)皆設(shè)計多個匯聚節(jié)點（SN）（學(xué)生寢室匯聚節(jié)點（SN）和局域匯聚節(jié)點（SN）），由ARM9構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)和感知（層）節(jié)點硬件不同，由2個無線收發(fā)模塊構(gòu)成，除用于5GHz射頻模塊CC2530外，還采用868MHz芯片CC1101來構(gòu)成學(xué)生宿舍樓868MHz網(wǎng)絡(luò)。

學(xué)生寢室匯聚節(jié)點（SN）與學(xué)生宿舍樓傳輸節(jié)點一起構(gòu)成868MHz學(xué)生宿舍樓網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生宿舍樓傳輸節(jié)點既是樓棟間的中繼節(jié)點也負責(zé)采集樓棟內(nèi)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(jié)構(gòu)由CC1101的868MHz無線收發(fā)芯片模塊。868MHz學(xué)生宿舍樓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置多個學(xué)生宿舍樓匯聚節(jié)點（SN），實現(xiàn)中小學(xué)學(xué)生宿舍的遠距離智能控制。

測試結(jié)果

按照上述網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方案實施測試，為了滿足中小學(xué)學(xué)生宿舍信息化環(huán)境需求，采用休眠喚醒模式，重點測試局域網(wǎng)匯聚節(jié)點（SN）、學(xué)生寢室匯聚節(jié)點（SN）和學(xué)生寢室三表集抄（Three Table Set Copy）節(jié)點之間的數(shù)據(jù)收發(fā)時間、喚醒時間。

網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）為N0，學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）為N1。節(jié)點N2、N3、N4都為學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)三表采集節(jié)點。測試結(jié)果如表1所示。

表1　學(xué)生宿舍數(shù)據(jù)測試狀況（秒）

從表1可以看出，測試喚醒周期為1秒。匯聚節(jié)點（SN）N0首先發(fā)送1s的喚醒命令喚醒學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N1，學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N1被喚醒后應(yīng)答局域網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N0，總耗時1.03s；學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N1再發(fā)送持續(xù)1s的喚醒命令喚醒學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)三表采集節(jié)點N2，學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)三表采集節(jié)點N3和學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)三表采集節(jié)點N4也同時被喚醒。學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)三表采集節(jié)點N2收到學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N1的抄表指令，然后讀取表中數(shù)據(jù)發(fā)送給學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N1，學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N1直接轉(zhuǎn)發(fā)給局域網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N0；然后學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N1再向?qū)W生寢室網(wǎng)絡(luò)三表采集節(jié)點N3發(fā)送抄表命令，抄表命令收到后轉(zhuǎn)發(fā)給局域網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點（SN）N0；對學(xué)生寢室網(wǎng)絡(luò)三表采集節(jié)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(jié)果看，網(wǎng)絡(luò)方案符合中小學(xué)學(xué)生宿舍的信息化環(huán)境需求。

結(jié)束語

在中小學(xué)學(xué)生宿舍構(gòu)建中，考慮當(dāng)代正直智慧校園建設(shè)，提出的異頻異構(gòu)（Different Frequency Isomerism）中小學(xué)學(xué)生宿舍網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架是一種較理想的策略。但是組網(wǎng)路由（Network Routing）和節(jié)點能耗（Node Energy Consumption）將影響整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的運行，故此，在未來的應(yīng)用中還需進一步研究，把中小學(xué)學(xué)生宿舍構(gòu)建得更加陽光、便捷和智能。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.018