一種基于組件的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)的建設策略
摘要：針對無線傳感器網(wǎng)關(guān)設計的適應性和重用性問題，我們提出了一個基于構(gòu)件的WSN網(wǎng)關(guān)設計方法。該設計具有下列優(yōu)點：服務和協(xié)議可以被配置和遠程更新;網(wǎng)關(guān)可以連接異構(gòu)網(wǎng)絡并且網(wǎng)關(guān)兩側(cè)的協(xié)議可以靈活組合并提供服務解釋轉(zhuǎn)換。該網(wǎng)關(guān)設計用XML描述模塊和配置接口，允許不同的協(xié)議棧組合和網(wǎng)絡層相結(jié)合，以滿足特定的WSN應用要求。為了證明模塊化設計的可行性，我們首先實現(xiàn)了一個原型，并給出網(wǎng)關(guān)的一些實施細節(jié)，并給出了基于ZIGBEE的無線傳感器網(wǎng)絡實驗步驟.最終實現(xiàn)了一個基于構(gòu)件的無線傳感器網(wǎng)絡，驗證該設計模型的有效性和可用性。
關(guān)鍵詞：組件;傳感器網(wǎng)關(guān)， 協(xié)議棧組合;高效查詢
無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)是一組無線連接的傳感器節(jié)點，用于執(zhí)行分布式傳感檢測任務。主要應用包括環(huán)境與健康監(jiān)測，工業(yè)自動化和監(jiān)視檢測。無線傳感器網(wǎng)絡和傳統(tǒng)網(wǎng)絡之間的主要區(qū)別是節(jié)點通常具有非常有限的能量和計算能力。通信協(xié)議的設計應適應于該特點。顯然直接在WSN使用HTTP協(xié)議將引進高開銷，因此，無線傳感器網(wǎng)絡通常使用專有協(xié)議和無線接口，需要通過訪問網(wǎng)關(guān)獲得無線傳感器網(wǎng)絡的服務。
在本文中，我們假設無線傳感器網(wǎng)絡通過網(wǎng)關(guān)連接到廣域網(wǎng)，如廣域網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)和蜂窩移動網(wǎng)絡。通常配有一個WSN網(wǎng)關(guān)，至少有兩個網(wǎng)絡接口：一個用于在廣域網(wǎng)絡端，另一個用于無線傳感器網(wǎng)絡一端。我們的網(wǎng)關(guān)設計基于應用級網(wǎng)關(guān)[1]概念，網(wǎng)關(guān)包含了所有發(fā)生在應用層的網(wǎng)絡協(xié)議和協(xié)議轉(zhuǎn)換。該情況是典型的數(shù)據(jù)交換模式，從廣域主機收到請求，發(fā)送請求消息到無線傳感器網(wǎng)絡中，無線傳感器網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)，將回復數(shù)據(jù)消息回送給請求主機。
關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡中的網(wǎng)關(guān)的研究都大多集中在網(wǎng)關(guān)的基本功能：分布查詢和數(shù)據(jù)聚合[2-3]。這些建議提供了高效節(jié)能的傳感器網(wǎng)絡的通信方案。在文獻中，介紹了基于Web技術(shù)的WSN網(wǎng)關(guān)架構(gòu)[4]。在這個設計中，所有的查詢和管理，可以通過基于Web的方法來處理。WSN網(wǎng)關(guān)的研究往往假設WSN一端和廣域網(wǎng)一端幾乎同構(gòu)的網(wǎng)絡環(huán)境。因此，目前的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)通常是預定義的網(wǎng)絡協(xié)議的某種組合。
在實踐中，不同的無線傳感器網(wǎng)絡可能使用不同的協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集、路由，并且各種不同的應用程序可能運行在無線傳感器網(wǎng)絡中。經(jīng)常還可能有幾種不同的廣域網(wǎng)中，需要無線傳感器網(wǎng)絡的相同服務。伴隨著完美的WSN網(wǎng)關(guān)設計，維護和升級可能會相當復雜。我們的研究動機是解決該問題，給出在各種網(wǎng)絡環(huán)境中部署相同的網(wǎng)關(guān)的設計方案。
1 WSN網(wǎng)關(guān)模塊化架構(gòu)
圖1中給出了模塊化WSN網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)的功能可以分為控制功能集和數(shù)據(jù)功能集。數(shù)據(jù)功能集實體處理用戶接入到無線傳感器網(wǎng)絡[5]。它可以為用戶提供不同的接口來訪問WSN服務。通過控制功能集的功能，具有管理權(quán)限的用戶可以維護和更新數(shù)據(jù)功能集實體。此外，在數(shù)據(jù)功能集的狀態(tài)，可以由控制功能集實體監(jiān)視。
在功能分配到控制功能集和數(shù)據(jù)功能集有幾個優(yōu)勢。由于在數(shù)據(jù)功能集處理用戶請求和數(shù)據(jù)答復，其數(shù)據(jù)流量遠遠高于在控制功能集中。為了實現(xiàn)高效率，如果平臺的操作系統(tǒng)具有這樣的兩層體系結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)功能集和控制功能集實體可以在內(nèi)核空間與用戶空間分別實施。劃分成不同的功能集合的另一個原因是，對于不同的功能集可以是不同的安全性和認證要求。很顯然，該配置功能集需要比無線傳感器網(wǎng)絡的用戶訪問更高的安全級別。
1) 控制功能集實體：控制功能集包含配置界面、注冊表配置和控制和監(jiān)視實體。配置接口發(fā)送和接收控制消息。解析傳入的控制消息后配置被存儲到網(wǎng)關(guān)配置注冊表中�？刂坪捅O(jiān)視實體提供一個界面，用于管理和更新數(shù)據(jù)功能集實體，監(jiān)測數(shù)據(jù)功能集實體的狀態(tài)。例如，在數(shù)據(jù)功能集可以為控制功能集生成網(wǎng)絡兩側(cè)上的流量負載信息。如果有多個網(wǎng)關(guān)連接到無線傳感器網(wǎng)絡，交通信息可以在交換網(wǎng)關(guān)之間進行負載均衡。
2) 數(shù)據(jù)功能集實體：數(shù)據(jù)功能集包含了TCP/IP協(xié)議包，WSN協(xié)議包，協(xié)議轉(zhuǎn)換單元�；赪SN網(wǎng)關(guān)協(xié)議棧應包括幾種不同的協(xié)議棧，它們可以靈活組合，建立廣域網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關(guān)功能。協(xié)議棧應包含幾層的因特網(wǎng)協(xié)議，即網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層的分層結(jié)構(gòu)。每層包含對應的協(xié)議元素和其內(nèi)建的協(xié)議支持。協(xié)議模塊化結(jié)構(gòu)的詳細信息將在第三部分描述。
顯然用于描述服務中的協(xié)議轉(zhuǎn)換器需要一個共同的格式。統(tǒng)一格式將簡化解釋、記錄和匹配服務。應該定義一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)回復格式，簡化數(shù)據(jù)應答消息的解釋并轉(zhuǎn)化為不同的WSN服務。這種格式可以是標準的，例如文獻定義的UPNP [6]，或一種特有的XML的服務描述。適配器作為一個典型的協(xié)議轉(zhuǎn)換工作，即他們的主要任務是以預定義的格式翻譯到達和離開協(xié)議棧的特定消息。無線傳感器網(wǎng)絡服務在服務注冊表中記錄的信息可能包含的服務類型(如定期測量或事件觸發(fā)服務)，傳感器地址，單位和精度。此外，服務描述應在底層協(xié)議中給出，供 WSN的應用程序所使用詳細協(xié)議，即定義消息是如何穿越WSN協(xié)議棧。通過配置接口描述可配置的服務。
2 WSN網(wǎng)關(guān)模塊化架構(gòu)的實現(xiàn)
在本節(jié)中，我們首先解釋WSN網(wǎng)關(guān)使用的模塊化概念。然后描述目前的內(nèi)部和外部接口以及消息。最后，給出數(shù)據(jù)功能集實體協(xié)議包和協(xié)議轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)細節(jié)。
如果假設操作系統(tǒng)支持一個兩層的架構(gòu)(不同的內(nèi)核和用戶空間)，例如Linux，實現(xiàn)模塊化WSN網(wǎng)關(guān)可以使用多線程的用戶空間，或內(nèi)核/用戶空間結(jié)構(gòu)。在第一種方法中，所有的功能集實體編譯成一個多進程程序。在第二種方法中，在不同的功能集中的實體作為獨立的進程在用戶空間中運行。第三個選項是將一些實體移動到內(nèi)核空間中，以提高性能。但該方案開發(fā)和調(diào)試代碼難度都較大。我們采用了多進程的用戶空間結(jié)構(gòu)原型，因為它與內(nèi)核空間的方法相比，更容易地開發(fā)，它允許為每個功能集實體的進行隔離測試。
2.1 模塊化概念
WSN網(wǎng)關(guān)具有模塊化結(jié)構(gòu)使其可配置。模塊代表協(xié)議和服務的描述，可以通過配置接口進行維護和更新。當網(wǎng)關(guān)部署在不同的環(huán)境中，網(wǎng)絡環(huán)境經(jīng)常發(fā)生變化，模塊化結(jié)構(gòu)位于數(shù)據(jù)功能集實體：
在協(xié)議棧每一層協(xié)議包中的協(xié)議元素，協(xié)議轉(zhuǎn)換器中的適配器，以及無線傳感器網(wǎng)絡的服務描述。在我們的網(wǎng)關(guān)設計方案中，模塊被表示為XML格式。協(xié)議信息，如數(shù)據(jù)包格式，也通過XML描述。傳感器節(jié)點的幀結(jié)構(gòu)中以 XML格式表示。引入了新的數(shù)據(jù)類型到XML描述中，解析處理相同的約定處理消息的協(xié)議元素。通過XML模式文件驗證數(shù)據(jù)類型和其他規(guī)則的有效性。WSN 網(wǎng)關(guān)協(xié)議的描述可以建立在一個內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于解析和封裝消息的協(xié)議元素。
2.2 接口和消息
在控制功能集，配置接口實現(xiàn)作為一個Web服務(WS)，基于C/C++ Web服務的開發(fā)環(huán)境，GSOAP。通過使用HTTP作為底層協(xié)議，WS客戶端和服務器交換SOAP(簡單對象訪問協(xié)議)消息，它可以穿越防火墻或 NAT。在我們的原型，WS服務器運行在WSN網(wǎng)關(guān)端。與WS客戶端，用戶可以連接到WS服務器和發(fā)送模塊的描述(XML文件)�？刂坪捅O(jiān)視實體提供了一個接口連接的控制平面和數(shù)據(jù)平面。通過這個接口交換的消息包括模塊描述數(shù)據(jù)功能集和數(shù)據(jù)功能集的監(jiān)測結(jié)果。
根據(jù)不同的實現(xiàn)方法，不同的機制可用于功能實體之間的消息傳遞和控制/數(shù)據(jù)集。在單進程方案中，消息傳遞可以通過函數(shù)調(diào)用。在用戶空間中多進程實現(xiàn)方案，進程間通信機制是必要的。在我們的實現(xiàn)，數(shù)據(jù)功能集實體打開一個TCP套接字用于數(shù)據(jù)和控制功能集之間的消息傳遞。
為支持用戶接入WSN，Web服務器服務需支持多個接口。在我們的實現(xiàn)中，為用戶提供了一個網(wǎng)頁提交請求。然后觸發(fā)后臺程序生成請求消息協(xié)議轉(zhuǎn)換。在采集數(shù)據(jù)以后，可以文本或圖形格式呈現(xiàn)在網(wǎng)頁上。 Web服務接口更適合于應用程序間的通信。對于一個用戶特定的訪問，需要在協(xié)議轉(zhuǎn)換器的適配器翻譯消息到通用格式的服務描述。
2.3 分層協(xié)議棧
協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)如圖4所示。在原型中，該協(xié)議棧被定義為一個C++類，它可能包含幾個協(xié)議層。每個層可以包括幾個協(xié)議元素，代表各自支持的協(xié)議。主要數(shù)據(jù)功能集處理進程啟動，讀取配置注冊表，存儲為一個原型中的配置文件，包含兩個協(xié)議棧協(xié)層次和元素信息。協(xié)議層以及元素的實例相繼啟動并連接。
每個協(xié)議棧包含兩個存儲消息的緩沖區(qū)：存儲自下向上的消息(即網(wǎng)絡接口)，以及記錄來自上級的層(即協(xié)議轉(zhuǎn)換器)的消息的。此設計可避免不同層之間的內(nèi)存拷貝，因此只有消息緩沖區(qū)的索引，偏移和大小需要在協(xié)議層之間傳遞。
2.4 協(xié)議轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)
一個通用的服務描述格式定義為原型。它包含傳感器節(jié)點的基本屬性，如地址、傳感器類型和精度。 WSN服務可以通過接口進行配置為XML配置文件。為了簡化實現(xiàn)，我們使用一個專有的服務描述。一旦從配置接口接收服務描述信息，立即對該服務信息進行分析，并記錄在服務注冊表中(通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn))。
TCP/IP適配器解釋服務請求并轉(zhuǎn)換形成通用格式的服務描述，服務解釋器查詢服務注冊表，將用戶的請求映射到WSN服務。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡提供的服務，一個廣域網(wǎng)的請求可能被映射到多個無線傳感器網(wǎng)絡的服務，從而生成不同的無線傳感器網(wǎng)絡請求。網(wǎng)絡的TCP /IP適配器的幾個請求也可能以被映射到一個單一的無線傳感器請求。
我們在下層的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議實體中保持請求緩沖區(qū)的標識符。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡的應用程序和無線傳感器網(wǎng)絡的較低層實現(xiàn)，也可以在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)報頭或有效載荷字中添加的請求標識符。由于協(xié)議棧和請求注冊表共享一個共同的標識，所述數(shù)據(jù)報文可以正確地傳遞回給用戶。
3 實驗過程
我們的無線傳感器網(wǎng)關(guān)基于Linux，使用C和C++編程實現(xiàn)，也使用了基于HTML和JavaScript的Web網(wǎng)頁用于人機交互。圖2顯示了測試平臺配置包括三個主要部分組成：傳感器網(wǎng)絡仿真器，傳感器網(wǎng)關(guān)，基于Web瀏覽器的傳感網(wǎng)絡管理系統(tǒng)。三個部分都在不同的PC上執(zhí)行，并通過無線信號將無線傳感器節(jié)點，傳感器網(wǎng)絡仿真器和傳感器網(wǎng)關(guān)連接。
因為實驗條件所限，難以實現(xiàn)一個節(jié)點數(shù)量眾多的無線傳感器網(wǎng)絡，而且我們專注于傳感器網(wǎng)關(guān)的設計實驗，我們實現(xiàn)了一個網(wǎng)絡仿真器，它模擬的傳感器網(wǎng)絡具有一個3層結(jié)構(gòu)的分簇聚合網(wǎng)絡，并隨機生成的檢測數(shù)據(jù)用于測試。
同時，我們已在測試平臺與無線接口使用兩個真實的傳感器節(jié)點：一個直接連接到傳感器的網(wǎng)關(guān)，另一個傳感器節(jié)點連結(jié)到最近的匯聚節(jié)點。他們彼此之間通過無線網(wǎng)絡通信。由于這些節(jié)點執(zhí)行代碼在節(jié)點物理硬件運行，我們可以獲取數(shù)據(jù)包處理時間和網(wǎng)絡傳輸延遲供模擬器使用
3.1 傳感器網(wǎng)絡仿真器
我們已經(jīng)完成模擬器來模擬一個大型傳感器網(wǎng)絡。仿真器的程序是由C++編寫。仿真器具有三種類型的對象，區(qū)域頭對象，簇頭對象，傳感器節(jié)點對象。該文中傳感器網(wǎng)絡的路由協(xié)議因為它不直接與傳感器網(wǎng)關(guān)相關(guān)，未加以考慮。
最初，仿真器生成的區(qū)域頭對象和簇頭對象，它們具有隨機選取數(shù)量的傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點對象的基本信息也是隨機選擇的。該仿真器通過RS-232C 串行接口與匯聚節(jié)點直接連接，繼而通過無線網(wǎng)絡與實際傳感器節(jié)點進行通信。即，連接到仿真器的傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點接收來自網(wǎng)關(guān)傳播的查詢，然后將查詢通過串行接口發(fā)送到仿真器程序。查詢被傳遞給內(nèi)部的簇頭，然后翻譯查詢并產(chǎn)生查詢結(jié)果。每個區(qū)域中簇頭產(chǎn)生一個新的查詢結(jié)果，然后等待一段自己的傳播時間后將它發(fā)送給區(qū)域頭加以匯聚。因此，來自區(qū)域的應答數(shù)據(jù)是以不同的時間到達網(wǎng)關(guān)。
3.2 通過Web瀏覽器查詢和管理傳感器網(wǎng)絡
在本節(jié)中，我們將展示我們的傳感器網(wǎng)關(guān)如何處理從用戶的Web瀏覽器的傳感器網(wǎng)絡查詢和管理的要求。圖3示出了用于處理查詢請求的每個階段。首先，連接到網(wǎng)關(guān)后，用戶會收到圖所示的登錄頁面。圖3-1，進行認證。如果登錄用戶的數(shù)據(jù)是正確的，則網(wǎng)關(guān)開始發(fā)送廣播消息。在接收的廣播消息的所有答復時，傳感器網(wǎng)關(guān)發(fā)送傳感器管理頁面。圖3-2顯示了用戶的Web瀏覽器。
該頁面有三個部分，包括用于輸入和輸出的數(shù)量的形式。第一部分用于用戶的查詢，第二個部分識別網(wǎng)關(guān)收到的查詢和答復，最后一個部分顯示用戶的傳感器網(wǎng)絡查詢的結(jié)果。
4 未來的工作和結(jié)論
本文給出的模塊化WSN網(wǎng)關(guān)設計，仍需要研究的模塊化WSN網(wǎng)關(guān)設計的效率。消息處理需要消耗能量，引入了延遲。此外，如果使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，查詢和添加新條目的操作可能需要訪問磁盤，這可能會非常耗時。登記數(shù)據(jù)功能集中的每個數(shù)據(jù)包將使這種瓶頸效應越來越明顯。這個問題的一個解決方案是使用內(nèi)存中的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以顯著降低數(shù)據(jù)庫訪問的時間，從而提高性能的網(wǎng)關(guān)。
該網(wǎng)關(guān)專注實于現(xiàn)單一WSN網(wǎng)關(guān)架構(gòu)。我們的模塊化網(wǎng)關(guān)的設計可以很容易地擴展，以支持多個網(wǎng)關(guān)。我們設計了一個可配置的WSN網(wǎng)關(guān)框架，允許進行配置，以適合在異構(gòu)網(wǎng)絡環(huán)境的功能。模塊化概念使得在網(wǎng)關(guān)上維護和更新協(xié)議和服務成為可能。用XML描述的模塊和配置接口，可以實現(xiàn)遠程網(wǎng)關(guān)管理。此外，協(xié)議棧允許不同的協(xié)議和網(wǎng)絡層相結(jié)合，以滿足特定的WSN應用要求。
參考文獻：
[1] 匡興紅，邵惠鶴.無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)研究[J].計算機工程，2007(06).
[2] Hwang K， In J， Park N， et al.Sensor Information Networking Architecture and Applications[J].IEEE Personal Communications， 2001(8).
[3] 王曉敏.無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集與路由協(xié)議研究[D].成都：電子科技大學，2010.
[4] 楊順，章毅，陶康.基于ZigBee和以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關(guān)設計[J].計算機系統(tǒng)應用，2010(01).
[5] 李國斌，李新路，基于構(gòu)件的柔性無線傳感器網(wǎng)關(guān)設計[J].遼寧大學學報，2012，39(04)：313-316.
【一種基于組件的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關(guān)的建設策略】相關(guān)文章：
基于傳輸半徑倍數(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡交替路由11-16
無線傳感器網(wǎng)絡故障檢測11-16
無線傳感器網(wǎng)絡故障檢測研究11-21
無線傳感器網(wǎng)絡安全技術(shù)及運用實踐12-11
基于網(wǎng)絡編碼的無線網(wǎng)絡技術(shù)12-03
TCP與SCTP—CMT分析及在無線網(wǎng)絡的發(fā)展策略03-28
關(guān)于基于顧客網(wǎng)絡消費心理的網(wǎng)絡營銷策略分析12-01
- 相關(guān)推薦