基于Web的无线传感器网络可视化管理系统的设计与实现

摘要：无线传感器网络广泛部署于工业、农业、医疗及多种场景。面向网络应用的信息管理需求，设计并实现了一种基于Web的无线传感器网络可视化管理系统。传感器节点采集用户感兴趣的对象信息，通过多跳方式汇聚至网关，网关利用以太网或GPRS／CDMA等多种Internet接入方式将信息传送给网络服务器。用户利用终端设备，可跨平台访问此管理系统，执行对IPv6无线传感器网络状态信息和传感信息的动态实时检测，并可对节点设备进行远程控制与管理。
关键词：无线传感器网络；可视化；管理系统；监测；控制

0 引言
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是由大量传感器节点通过无线通信方式组成的一个多跳自组织网络系统。无线传感器节点可以将节点覆盖区域内的传感信息通过无线多跳路由方式传送到接收者，也可以通过反向路由方式传送控制命令，使受控对象按照指令执行相应操作。无线传感器网络极大地提高了人类对世界的认识能力和改造能力，在国防军事、环境检测、农业生产、医疗卫生、智能家居等领域扮演着越来越重要的角色。
本文以室内环境检测IPv6无线传感器网络为研究背景。系统由传感器节点和网关设备组成。每个传感器节点既可以发送本身的传感信息，也可以路由转发其他传感器节点信息。监测区域内的传感信息由传感器节点收集，通过多跳路由方式汇聚到网关，并由网关通过以太网或GPRS／CDMA等互联网接入方式传送到网络服务器。
由于无线传感器网络中的传感器节点会在短时间内采集大量的传感信息，直接查询和处理这些大量的传感信息非常不便。因此，有必要设计一个方便、友好、高效的无线传感器网络可视化管理系统。本文设计实现了一种基于Web的无线传感器网络可视化管理系统。通过本系统，用户不仅可以实时地以曲线图或数据表的形式查看温度、湿度等多种传感信息，动态拓扑路由变化信息，还可以对传感器节点和空调等设备实现远程控制。

1 主流WSN可视化技术介绍
当前无线传感器网络的研究热点主要集中在网络体系架构、网络通信协议、网络安全管理等方面，针对传感信息可视化方面的研究相对较少。到目前为止，针对无线传感器网络设计的可视化工具主要有SpyGlass，Surge Network Viewer等。SpyGlass使用多层次的体系结构，是一个模块化的、易于扩展的无线传感器网络可视化工具。其体系结构由传感器网络、网关、可视化软件三部分组成。网关使用TCP／IP通信协议将收集到的传感信息提供给远程计算机的可视化软件。SurgeNetwork Viewer是Crossbow公司使用实现的无线传感器网络可视化工具。通过Surge Network Viewer用户可以监测传感器网络和分析mesh网络的性能。
上述无线传感器网络可视化工具虽然在一定程度上可以完成传感网络信息的管理功能，但由于建立在特定的应用环境基础上，其通用性、可移植性比较差，不能直接应用在其他平台上。针对这些局限性，考虑到当前浏览器／服务器(Browser／Server，B／S)模式可以随时随地进行查询、浏览等业务处理分布性特点以及业务扩展方便、维护方便等优点，开发了基于Web的无线传感器网络可视化管理系统来实现传感信息和网络拓扑信息的可视化。通过本系统提供的传感信息、拓扑信息、节点配置信息和节点状态信息的动态显示和管理平台，可以较好地适应无线传感器网络复杂多变的部署环境。

2 基于Web的WSN可视化管理系统体系结构
基于Web的无线传感器网络可视化管理系统体系结构包括服务器端和客户端两部分，如图1所示。

考虑到传感器节点处理能力及存储能力等限制，需要及时将采集到的传感信息传送给网络服务器，由网络服务器来统一存储和管理，并向用户提供所需的可视化管理服务。在客户端，用户可以使用计算机、移动终端等终端设备通过互联网访问网络服务器的方式随时随地进行对无线传感器网络的管理。
2．1 服务器端
服务器端主要包括Web服务器、数据发送模块、数据接收模块、数据服务模块、数据管理模块。服务器端各模块提供的功能如下：
Web服务器提供互联网信息浏览服务，是服务器端的核心部分；数据发送模块将控制命令发送到网关，由网关解析并转发到相应的传感器节点；数据接收模块使用套接字通信技术接收网关传送的传感信息或控制命令的反馈信息，解析并交给数据管理模块；数据服务模块是基于Web服务器基础上实现的，接受客户端的请求进行处理，再将处理结果格式化输出给客户端；数据管理模块主要指一个关系型数据库，进行数据的组织、存储和管理。
2．2 客户端
在B／S模式中客户端就是浏览器，是用户直接面对的可视化管理平台，包括拓扑路由信息模块、传感信息模块、空调控制模块等。客户端各模块提供的功能如下：
拓扑路由信息模块动态显示当前无线传感器网络的传感器节点及其状态信息和拓扑路由信息。通过该模块，用户可以实时查看当前网络的拓扑变化，更好地管理网络。传感信息模块以动态数据表、动态曲线图等形式显示温度、湿度、光强等传感信息。用户可以对传感信息进行排序、筛选等操作，以所需方式查看传感信息。节点及空调控制模块能控制节点的工作模式和状态，如改变节点的采集信息速率、控制节点进行休眠等。同时，还可以通过节点控制空调设备，如控制空调的工作状态、工作模式等。

3 基于Web的WSN可视化管理系统设计及其实现
3．1 系统层次结构
根据功能，可以将本系统划分为数据层、业务层和表现层三层结构，如图2所示。

数据层包括数据库或数据源以及数据接入部分，位于最底层；业务层是系统的核心业务部分，负责业务逻辑实现，位于中间层，是数据层与表现层的连接桥梁；表现层指用户交互界面，位于最上层。