李浩宇，王洪超，楊 冬，楊俊華

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

基于Web的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)圖路由時(shí)隙調(diào)度

李浩宇，王洪超，楊 冬，楊俊華

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院 下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其低成本、低功耗、易部署等優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。在工業(yè)環(huán)境中，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性要求非常高，但是目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要工作在分布式系統(tǒng)下，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芸?、?shí)時(shí)性和可靠性難于保證。為解決這一問題，文中設(shè)計(jì)的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用集中控制思想，使用系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離的系統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)圖路由和時(shí)隙資源調(diào)度進(jìn)行集中控制，以提高網(wǎng)絡(luò)的可控可管性、實(shí)時(shí)性和可靠性，滿足工業(yè)應(yīng)用需求。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種路由時(shí)隙調(diào)度機(jī)制和基于Web的可視化管理系統(tǒng)，用戶可以方便地通過Web界面集中控制整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行路徑選擇并生成相應(yīng)的路由圖，進(jìn)而可根據(jù)不同的工業(yè)應(yīng)用需求靈活調(diào)度時(shí)隙資源。隨后建立起了基于方案的實(shí)驗(yàn)環(huán)境并進(jìn)行了圖路由規(guī)劃和時(shí)隙調(diào)度測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該方案能夠有效對(duì)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的圖路由拓?fù)浜蜁r(shí)隙資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，提升了通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。

工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；集中控制；圖路由；可視化管理

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)[1]是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線通信方式形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。WSN綜合了嵌入計(jì)算技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知、采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理[2-3]。由于具有通信成本低、組網(wǎng)靈活、使用方便等優(yōu)勢(shì)，其廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等領(lǐng)域[4-5]。目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)應(yīng)用中還面臨著許多挑戰(zhàn)：一方面，惡劣的工業(yè)環(huán)境造成工業(yè)應(yīng)用需求的實(shí)時(shí)性和可靠性難于保證；另一方面，工業(yè)應(yīng)用需求多變，不同的工業(yè)應(yīng)用對(duì)采樣應(yīng)用的類別和采樣的頻率等具有不同的需求。目前分布式設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法在組網(wǎng)后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的路由、時(shí)隙資源以及采樣應(yīng)用和采樣頻率等進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的可管、可控能力差，不能滿足工業(yè)應(yīng)用的需求。在關(guān)鍵的時(shí)隙調(diào)度方面，目前基于時(shí)隙調(diào)度的協(xié)議基本上采用等長的時(shí)隙大小，不能適應(yīng)數(shù)據(jù)流量變化大的網(wǎng)絡(luò)且忽略與網(wǎng)絡(luò)層的融合，沒有利用路由層信息來降低時(shí)隙分配算法性能代價(jià)[6-8]。

文中所設(shè)計(jì)的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用集中控制的思想，使用系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離的系統(tǒng)架構(gòu)，由控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)圖路由和時(shí)隙資源調(diào)度，以提高網(wǎng)絡(luò)的可控可管性，使網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性和可靠性得以保證，滿足了工業(yè)應(yīng)用需求。在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制后，為了滿足不同的工業(yè)應(yīng)用需求，用戶可以根據(jù)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度、剩余電量、處理能力以及實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)量等信息，動(dòng)態(tài)改變節(jié)點(diǎn)的路由，調(diào)度時(shí)隙資源。

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)在短時(shí)間內(nèi)采集大量信息時(shí)，在控制器端直接查詢和處理這些信息非常不便[9]。例如節(jié)點(diǎn)在組網(wǎng)過程中會(huì)返回節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、鄰居信息等大量網(wǎng)絡(luò)資源信息，控制器需要知道這些信息才能完成圖路由調(diào)度和時(shí)隙調(diào)度，準(zhǔn)確定位到路徑中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)的監(jiān)控終端基本屬于單機(jī)、本地模式，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、靈活監(jiān)控；同時(shí)采用通用監(jiān)控軟件，存在使用不便、功能簡單的缺點(diǎn)。Web服務(wù)是一種邏輯性地為其他應(yīng)用程序提供服務(wù)與數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與服務(wù)組件，具有良好的自包含、自描述性，跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺(tái)、跨系統(tǒng)等松散耦合性，可編程控制且高度集成[4,10-11]。為了便于對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)管理方便、界面友好、操作高效的可視化Web管理系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以方便實(shí)現(xiàn)查看節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)，實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息、鏈路信息、鄰居信息和信號(hào)強(qiáng)度，規(guī)劃圖路由，調(diào)度時(shí)隙資源，下發(fā)應(yīng)用，查看采樣數(shù)據(jù)等功能。

1 基于Web的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)圖路由規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

基于Web的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)圖路由規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)包括三部分：節(jié)點(diǎn)端、服務(wù)器端和客戶端。

因?yàn)闊o線傳感器節(jié)點(diǎn)處理能力和存儲(chǔ)能力有限，所以節(jié)點(diǎn)端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、控制命令和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理交給功能強(qiáng)大的服務(wù)器端來完成。用戶通過客戶端就可以調(diào)用服務(wù)器資源，集中管理和控制傳感器網(wǎng)絡(luò)，便于進(jìn)行圖路由的規(guī)劃和時(shí)隙的調(diào)度。服務(wù)器端響應(yīng)用戶的需求，處理和轉(zhuǎn)發(fā)由用戶需求轉(zhuǎn)化成的相應(yīng)信息到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，下發(fā)圖路由和時(shí)隙劃分信息到無線傳感器節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)按照用戶的需求進(jìn)行工作。

1.1 節(jié)點(diǎn)端

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)端主要由接入網(wǎng)關(guān)、普通節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成。

普通節(jié)點(diǎn)具有雙重功能，既可以采集數(shù)據(jù)，又可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。普通節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過多跳的方式轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信以完成無線數(shù)據(jù)包到有線數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)換，同時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)還會(huì)收到網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)來的包含圖路由信息、時(shí)隙調(diào)度信息和采樣應(yīng)用信息等的數(shù)據(jù)包。根據(jù)不同需求，匯聚節(jié)點(diǎn)通過單播或廣播方式將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。

1.2 服務(wù)器端

服務(wù)器端主要由管理服務(wù)器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三部分組成，這三部分共同完成對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的集中控制。

網(wǎng)關(guān)接收匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到管理服務(wù)器；管理服務(wù)器是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的集中控制器，是整套網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的核心部分，完成傳感器節(jié)點(diǎn)整套網(wǎng)絡(luò)的管理，同時(shí)還與Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行交互，將處理的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)將實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)和報(bào)警數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到Web服務(wù)器進(jìn)行處理；Web服務(wù)器是用戶和管理服務(wù)器交互的橋梁，一方面接收管理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶，另一方面響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，將用戶請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到管理服務(wù)器進(jìn)行處理，同時(shí)Web服務(wù)器還需要隨時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行讀取操作；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要用于存儲(chǔ)用戶信息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、鏈路信息等，是整套網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的關(guān)鍵部分。

1.3 客戶端

客戶端由與Web服務(wù)器相連的一臺(tái)或多臺(tái)終端組成。

客戶端從Web服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)，為用戶提供了一個(gè)直接與無線傳感器系統(tǒng)進(jìn)行交互的可視化平臺(tái)。在客戶端的Web界面，用戶可以查看無線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的信息，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由規(guī)劃和時(shí)隙調(diào)度。與傳統(tǒng)的命令行控制方式相比有諸多優(yōu)點(diǎn)：圖形化界面操作簡潔，不需要通過配置文件進(jìn)行配置；對(duì)專業(yè)知識(shí)要求低，易上手；沒有命令行界面中的一些高級(jí)權(quán)限，不會(huì)因操作不當(dāng)引發(fā)系統(tǒng)問題，安全性強(qiáng)。

2 基于Web的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)圖路由規(guī)劃與調(diào)度的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 圖路由規(guī)劃設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的工業(yè)無限傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了圖路由協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過相互間的信息交互獲取鄰居信息，生成鄰居表，還可以獲取鏈路信息和節(jié)點(diǎn)信息。節(jié)點(diǎn)將這些信息通過周期匯報(bào)的方式上傳到管理服務(wù)器，管理服務(wù)器通過這些信息生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的全局信息。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)完成之前，每個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)處于偵聽狀態(tài)來感知鄰居節(jié)點(diǎn)信息，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通過自組織形式生成一個(gè)默認(rèn)圖路由，這個(gè)過程是不受控的。組網(wǎng)完成后，用戶可以根據(jù)不同需求通過管理服務(wù)器對(duì)路由進(jìn)行人工配置，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管控。文中重點(diǎn)研究的是組網(wǎng)完成后的集中管控配置方式，根據(jù)工業(yè)應(yīng)用需求，用戶可以通過Web界面規(guī)劃并下發(fā)相應(yīng)的圖路由信息到無線傳感器節(jié)點(diǎn)。在圖路由規(guī)劃的設(shè)計(jì)中，主要研究的是Web界面的設(shè)計(jì)，Web服務(wù)器和管理服務(wù)器數(shù)據(jù)的交互。管理服務(wù)器中的路徑度量算法和路徑選擇算法可參考文獻(xiàn)[12]。

以圖1所示的簡單網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇槔?。圖中顯示由6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的多跳網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，圖中帶箭頭的線表示入網(wǎng)形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫纬珊蠊?jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的上傳都是沿箭頭所示的方向。虛線表示節(jié)點(diǎn)相互感知的鄰居信息，只有是節(jié)點(diǎn)自己的鄰居節(jié)點(diǎn)才能作為圖路由選擇的源節(jié)點(diǎn)或目的節(jié)點(diǎn)。

圖1 圖路由規(guī)劃

圖中節(jié)點(diǎn)N5為第三跳節(jié)點(diǎn)，默認(rèn)情況下數(shù)據(jù)包上傳過程中下一跳節(jié)點(diǎn)是自己入網(wǎng)的父節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)N4。當(dāng)需要自己定義一條新的路由時(shí)，可以根據(jù)Web界面顯示的鏈路信息、節(jié)點(diǎn)鄰居信息、節(jié)點(diǎn)間信號(hào)強(qiáng)度等信息自己設(shè)計(jì)路由圖。在Web界面規(guī)劃好圖路由后，下發(fā)如表1所示的信息到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到信息后生成圖路由表，圖路由表中包含圖路由號(hào)和下一跳節(jié)點(diǎn)。當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送或轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)圖路由號(hào)查詢路由表，確定下一跳節(jié)點(diǎn)。在圖1中，當(dāng)下發(fā)了表1中的圖路由信息后，形成了圖中點(diǎn)線所示的新路由。當(dāng)節(jié)點(diǎn)N5采集到傳感數(shù)據(jù)時(shí)，查詢路由表，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到N6，N6在查詢路由表后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到N1，N1直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)到管理服務(wù)器進(jìn)行處理，最終將數(shù)據(jù)以圖表的形式顯示在Web界面上。但是，只進(jìn)行圖路由的規(guī)劃并不能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾矸?wù)器，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)端使用了TDMA協(xié)議，所以還需要給節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙，即進(jìn)行時(shí)隙調(diào)度，才能正常傳輸數(shù)據(jù)。

表1 圖路由調(diào)度信息

2.2 時(shí)隙調(diào)度設(shè)計(jì)

因?yàn)楣?jié)點(diǎn)端使用了TDMA協(xié)議，所以還需要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙調(diào)度，才能正常傳輸數(shù)據(jù)。

2.2.1 時(shí)隙分配

所設(shè)計(jì)的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙分配策略是由100個(gè)時(shí)隙構(gòu)成一個(gè)超幀，將超幀的第0～39個(gè)時(shí)隙用作管理時(shí)隙，第40～99個(gè)時(shí)隙用作數(shù)據(jù)時(shí)隙。為了擴(kuò)展管理時(shí)隙的管控功能，引入復(fù)用因子。在所設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)中，復(fù)用因子為5，表示5個(gè)普通超幀構(gòu)成一個(gè)管理超幀。管理時(shí)隙的循環(huán)周期為5個(gè)普通超幀，數(shù)據(jù)時(shí)隙每個(gè)超幀循環(huán)一次。管理時(shí)隙又分配廣播時(shí)隙、管理共享時(shí)隙和管理上行時(shí)隙，這些時(shí)隙的分配由管理服務(wù)器統(tǒng)一調(diào)度，用于節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)間廣播，鄰居發(fā)現(xiàn)，狀態(tài)匯報(bào)等。管理服務(wù)器沒有對(duì)數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行分配，由用戶根據(jù)不同的工業(yè)應(yīng)用需求靈活分配。

2.2.2 時(shí)隙調(diào)度

在時(shí)隙非分配過程中，管理時(shí)隙的分配由管理服務(wù)器根據(jù)節(jié)點(diǎn)的功能和節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)順序統(tǒng)一分配，其分配算法可參考文獻(xiàn)[13]中的時(shí)隙分配算法。文中設(shè)計(jì)的時(shí)隙調(diào)度就是對(duì)時(shí)隙號(hào)為40～99的數(shù)據(jù)時(shí)隙進(jìn)行調(diào)度，下發(fā)時(shí)隙調(diào)度信息到各無線傳感器節(jié)點(diǎn)后節(jié)點(diǎn)在相應(yīng)的時(shí)隙傳輸采樣數(shù)據(jù)。

對(duì)圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行時(shí)隙調(diào)度，時(shí)隙調(diào)度時(shí)需要和圖路由規(guī)劃時(shí)分配的圖路由號(hào)相匹配才能正確完成數(shù)據(jù)的傳輸。

表2是對(duì)上一節(jié)中圖路由經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙調(diào)度的信息，對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙時(shí)，需要分配下發(fā)起始時(shí)隙號(hào)、時(shí)隙數(shù)目，這樣才能知道將40～99這60個(gè)時(shí)隙的哪些時(shí)隙資源分配到哪些節(jié)點(diǎn)。為了滿足工業(yè)應(yīng)用中實(shí)時(shí)性和可靠性的需求，對(duì)時(shí)隙進(jìn)行調(diào)度時(shí)，可以給同一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配多個(gè)時(shí)隙用于數(shù)據(jù)的傳輸。若某個(gè)節(jié)點(diǎn)采樣的數(shù)據(jù)較多，需要很快將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾矸?wù)器進(jìn)行處理，可以給該節(jié)點(diǎn)分配多個(gè)時(shí)隙，使其數(shù)據(jù)可以通過多個(gè)時(shí)隙發(fā)送到目的節(jié)點(diǎn)。

表2 時(shí)隙調(diào)度信息

圖2顯示了給節(jié)點(diǎn)N5規(guī)劃的這條圖路由經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行時(shí)隙調(diào)度后，各節(jié)點(diǎn)時(shí)隙資源的占用情況，箭頭表示數(shù)據(jù)上行傳輸。由于節(jié)點(diǎn)MAC層采用了TDMA協(xié)議，所以時(shí)隙的調(diào)度都是成對(duì)的。當(dāng)給某節(jié)點(diǎn)分配時(shí)隙后，其相應(yīng)的下一跳目的節(jié)點(diǎn)也要分配相同時(shí)隙號(hào)的時(shí)隙資源，處于監(jiān)聽狀態(tài)以接收該時(shí)隙上的數(shù)據(jù)包。圖中N1，N3，N6，N5分別為0至3跳節(jié)點(diǎn)，相同顏色的時(shí)隙是分配給某一跳的源和目的節(jié)點(diǎn)用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的。例如，40、41時(shí)隙分配給N5節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，其下一跳目的節(jié)點(diǎn)N6在這兩個(gè)時(shí)隙接收N5發(fā)送的數(shù)據(jù)。

圖2 時(shí)隙資源分配示例

時(shí)隙調(diào)度完成后，節(jié)點(diǎn)可以在規(guī)劃好的圖路由上傳輸數(shù)據(jù)，接下來用戶可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求下發(fā)信息到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)以采集數(shù)據(jù)，Web界面端將采集的數(shù)據(jù)以圖形界面的方式顯示以供用戶查看、分析等。

2.3 Web界面設(shè)計(jì)

在Web界面，用戶可以看到傳感器節(jié)點(diǎn)的在線狀態(tài)、工作狀態(tài)、鏈路狀態(tài)、鄰居狀態(tài)、圖路由規(guī)劃、時(shí)隙調(diào)度、應(yīng)用下發(fā)等模塊。在線狀態(tài)模塊可以看到節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)狀態(tài)，是處于離線狀態(tài)，正在入網(wǎng)狀態(tài)還是在線狀態(tài)；工作狀態(tài)模塊可以看出節(jié)點(diǎn)的隊(duì)列長度、電池電量、CPU利用率、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)量等信息，這些指標(biāo)可以用來判斷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量等；鏈路狀態(tài)可以看到節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)形成的最初的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)；鄰居狀態(tài)可以看到節(jié)點(diǎn)之間的鄰居關(guān)系和鄰居之間的信號(hào)強(qiáng)度，是進(jìn)行圖路由規(guī)劃的重要依據(jù)；圖路由規(guī)劃，時(shí)隙調(diào)度，應(yīng)用下發(fā)模塊完成節(jié)點(diǎn)路由信息的下發(fā)，時(shí)隙資源的分配和采樣應(yīng)用的下發(fā)，是該Web系統(tǒng)的核心部分。

參照以上功能需求，Web界面的設(shè)計(jì)使用了adobe公司開發(fā)的flex技術(shù)。flex是一個(gè)高效、免費(fèi)的開源框架，可以構(gòu)建出操作方便、界面友好的Web應(yīng)用程序。文中使用了flex的Cairngorm框架[14]，客戶端與服務(wù)器的交互使用了兩種機(jī)制：一種是事件響應(yīng)機(jī)制，有用戶需求才會(huì)請(qǐng)求數(shù)據(jù)；另一種是服務(wù)器推送機(jī)制，需要隨時(shí)動(dòng)態(tài)更新數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性要求高。

2.3.1 事件響應(yīng)機(jī)制

Cairngorm框架將用戶的請(qǐng)求當(dāng)作一個(gè)Event事件來處理，框架已經(jīng)寫好相應(yīng)的接口函數(shù)，只需要按照框架的工作流程編寫或復(fù)寫函數(shù)即可調(diào)用服務(wù)器端的資源，服務(wù)器響應(yīng)用戶需求后將數(shù)據(jù)返回用戶。

由于每次獲取數(shù)據(jù)都需要用戶主動(dòng)去發(fā)送請(qǐng)求，所以該方式只適合獲取登陸信息，節(jié)點(diǎn)硬件信息等不經(jīng)常更新的信息。由于工業(yè)應(yīng)用對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較高，所以很多數(shù)據(jù)的獲取都是服務(wù)器主動(dòng)推送到界面顯示。

2.3.2 服務(wù)器推送機(jī)制

為保證數(shù)據(jù)顯示的實(shí)時(shí)性，界面需要實(shí)時(shí)更新節(jié)點(diǎn)路由信息，鄰居、工作狀態(tài)等信息。flex提供了后臺(tái)推送數(shù)據(jù)的機(jī)制，文中采用flex的AMF協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的推送。AMF采用二進(jìn)制編碼，可以高度壓縮數(shù)據(jù)，非常適合傳輸大量的數(shù)據(jù)。每當(dāng)一個(gè)新用戶連接服務(wù)器時(shí)，都會(huì)為該用戶創(chuàng)建一個(gè)線程用于數(shù)據(jù)同步，當(dāng)相同用戶打開多個(gè)網(wǎng)頁檢測(cè)時(shí)，服務(wù)器可以判斷出該用戶已經(jīng)連接到服務(wù)器了，就不再創(chuàng)建新的線程，而是推送與第一次打開線程相同的數(shù)據(jù)，以減小網(wǎng)絡(luò)帶寬。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜凸?jié)點(diǎn)的狀態(tài)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，如果服務(wù)器還繼續(xù)推送這些數(shù)據(jù)，不僅會(huì)增大服務(wù)器負(fù)擔(dān)與網(wǎng)絡(luò)帶寬，因?yàn)闉g覽器要隨時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)，還會(huì)增大瀏覽器的負(fù)擔(dān)。為解決這樣的問題，在服務(wù)端編寫了相應(yīng)的算法來分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)、拓?fù)涞刃畔?huì)不會(huì)發(fā)生變化，直到有數(shù)據(jù)變化時(shí)才會(huì)向?yàn)g覽器推送信息，即做到了增量更新。

3 功能測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能，在實(shí)驗(yàn)室中搭建了16個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的多跳工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在所有節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)完成后形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 測(cè)試拓?fù)?/p>

在測(cè)試環(huán)境中，節(jié)點(diǎn)0001為匯聚節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有線和無線數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，其他節(jié)點(diǎn)都可以采集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)形成了兩跳網(wǎng)絡(luò)，在不對(duì)其進(jìn)行圖路由規(guī)劃前，節(jié)點(diǎn)間除了廣播數(shù)據(jù)包，其他數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)都只能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)的靈活度不夠高。規(guī)劃圖路由后就可以通過自己的鄰居節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活性。

3.2 圖路由規(guī)劃測(cè)試

在圖路由規(guī)劃前需要知道每個(gè)節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)信息，節(jié)點(diǎn)在工作過程中周期上報(bào)自己的鄰居信息，匯聚到服務(wù)器后形成了圖3中所示的鄰居狀態(tài)圖，根據(jù)狀態(tài)圖可以看出所有節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)。

在Web界面中可以規(guī)劃自己的圖路由，在測(cè)試過程中規(guī)劃的圖路由的相關(guān)配置信息結(jié)構(gòu)如表1所示。其中不同的圖路由號(hào)用來劃分不同的應(yīng)用，每條圖路由用圖路由號(hào)進(jìn)行區(qū)分。

給節(jié)點(diǎn)下發(fā)圖路由配置信息后，節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后會(huì)將自己的圖路由拓?fù)湫畔⒎祷亟o管理服務(wù)器，管理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給Web服務(wù)器，最終在客戶端的Web界面顯示規(guī)劃好的圖路由拓?fù)?。圖3中的圖路由拓?fù)浼词窍掳l(fā)圖路由配置信息后節(jié)點(diǎn)返回的4條圖路由，不同的圖路由用不同的線顯示。在圖路由配置信息下發(fā)的過程中，為了保證相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)都接收到數(shù)據(jù)，在Web服務(wù)器端設(shè)置了檢測(cè)機(jī)制，若在2秒內(nèi)不能收到節(jié)點(diǎn)返回的圖路由信息則重新給沒反饋信息的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，以保證工業(yè)應(yīng)用的可靠性需求。

3.3 時(shí)隙調(diào)度測(cè)試

節(jié)點(diǎn)圖路由拓?fù)湫纬珊螅枰o圖路由經(jīng)過節(jié)點(diǎn)分配相應(yīng)的時(shí)隙資源來完成數(shù)據(jù)的傳輸。在Web界面為各節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙信息結(jié)構(gòu)如表2所示。由于時(shí)隙資源比較寶貴，所以在時(shí)隙的調(diào)度中有共享時(shí)隙存在。共享時(shí)隙是一個(gè)復(fù)合時(shí)隙，可用作多種數(shù)據(jù)的交互，這樣就可以保證在相同的時(shí)隙上傳輸一些實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)，合理利用時(shí)隙資源。當(dāng)遇到實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)據(jù)可以多分配時(shí)隙，保證數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)地傳輸?shù)焦芾矸?wù)器，最終顯示給用戶。

當(dāng)圖路由規(guī)劃好且時(shí)隙調(diào)度完成后，就可以在規(guī)劃好的圖路由上傳輸數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證圖路由規(guī)劃和時(shí)隙調(diào)度的合理性，用傳感器節(jié)點(diǎn)自帶的光強(qiáng)傳感器采集實(shí)驗(yàn)室光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 光強(qiáng)采樣動(dòng)態(tài)曲線

4 結(jié)束語

工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)重要應(yīng)用，圖路由規(guī)劃和時(shí)隙調(diào)度提高了網(wǎng)絡(luò)的靈活度，用戶可以根據(jù)不同的工業(yè)應(yīng)用需求規(guī)劃不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳⒄{(diào)度不同的時(shí)隙資源。文中在管理服務(wù)器和節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了圖路由規(guī)劃和時(shí)隙調(diào)度算法，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了Web形式的管理界面，通過抽象出管理服務(wù)器和Web服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互接口，實(shí)現(xiàn)了通過Web可視化界面查看底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)在線狀態(tài)等參數(shù)，重要的是可以便于對(duì)網(wǎng)絡(luò)的圖路由拓?fù)浜蜁r(shí)隙資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。在后續(xù)的工作中，可以根據(jù)不同的工業(yè)應(yīng)用需求，增加更多的功能。

[1] YICK J,MUKHERJEE B,GHOSAL D.Wireless sensor network survey[J].Computer Networks,2008,52(12):2292-2330.

[2] 崔 莉,鞠海玲,苗 勇,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展,2015,42(1):163-174.

[3] GUNGOR V C,HANCKE G P.Industrial wireless sensor networks:challenges,design principles,and technical approaches[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(10):4258-4265.

[4] 徐華結(jié),吳仲城.基于Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2013,23(6):237-240.

[5] 石軍鋒,馬永昌,陳 建.一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室Web監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009(5):76-79.

[6] YANG D,XU Y,WANG H,et al.Assignment of segmented slots enabling reliable real-time transmission in industrial wireless sensor networks[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62(6):3966-3977.

[7] YANG D,GIDLUND M,SHEN W,et al.CCA-embedded TDMA enabling acyclic traffic in industrial wireless sensor networks[J].Ad Hoc Networks,2013,11(3):1105-1121.

[8] YANG D,WANG H,ZHENG T,et al.Demonstration abstract: applying industrial wireless sensor networks to welder machine system[C]//Proceedings of the 13th international symposium on information processing in sensor networks.[s.l.]:IEEE,2014:319-320.

[9] 元 男,周華春,鄭 濤,等.基于Web的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可視化管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(17):43-46.

[10] ALI M I.A note on soft sets,rough soft sets and fuzzy soft sets[J].Applied Soft Computing,2011,11(4):3329-3332.

[11] 任永昌,邢 濤,鄂 旭.軟件項(xiàng)目開發(fā)過程管理[M].北京:北京交通大學(xué)出版社,2010.

[12] ZHAO J,QIN Y,YANG D,et al.Reliable graph routing in industrial wireless sensor networks[J].International Journal of Distributed Sensor Networks,2013(2):1-15.

[13] 張 浩,楊 冬,周華春.控制與數(shù)據(jù)分離的工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展,2015,25(8):62-66.

[14] 張 輝.PureMVC+Cairngorm+-對(duì)Flex開源框架的優(yōu)化組合[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用,2009,18(12):184-188.

GraphRoutingandSlotSchedulingofIndustrialWirelessSensorNetworkBasedonWeb

LI Hao-yu，WANG Hong-chao，YANG Dong，YANG Jun-hua

(National Engineering Laboratory for NGI Interconnection Devices，School of Electronics and Informaiton Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044,China)

Wireless sensor network is widely used in various areas because of its advantages of low cost and power consumption,and easy deployment.In industrial environments,the real-time and reliability of signal transmission are highly demanded,but the existing wireless sensor networks mainly work in distributed network,whose control of network topology,real-time and reliability are hard to guarantee.In order to improve the controllability,real-time and reliability of the network and meet the needs of industrial applications,the industrial wireless sensor network designed in this paper adopts the idea of centralized control and has the structure of system control and data forwarding separation,which can implement the centralized control of graph routing and slot scheduling.On this basis,a slot scheduling mechanism of routing and a web-based visualization management system are designed and implemented.Users can implement the centralized control of the entire wireless sensor network through Web interface conveniently,conduct routing selection and generate the corresponding routing map to schedule slot resources flexibly according to different needs of industrial applications.Then a scheme-based experimental environment is established and the map routing and time slot scheduling test are carried out.The results prove that the proposed scheme can effectively schedule the topology and slot resources of the industrial wireless sensor network and improve the real-time and reliability of the communication.

industrial wireless sensor networks;centralized control;graph routing;visualization management

TP31

A

1673-629X(2017)12-0133-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.12.029

2016-12-19

2017-04-13 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-09-27

國家“973”重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013CB329100)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(2015JBM006，2016JBM004)

李浩宇(1992-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橄乱淮ヂ?lián)網(wǎng)理論與技術(shù)、工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；王洪超，博士，講師，研究方向?yàn)橄乱淮ヂ?lián)網(wǎng)理論與技術(shù)、工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；楊 冬，博士，副教授，研究方向?yàn)橄乱淮ヂ?lián)網(wǎng)理論與技術(shù)、工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170927.0958.028.html