基于C／B／S的氣象無線傳感網(wǎng)中間件設(shè)計(jì)

張衛(wèi)江，周 杰，杜景林

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引 言

傳統(tǒng)的氣象自動(dòng)站都是屬于集中式的，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)比較封閉，而不同廠商生產(chǎn)的傳感器交互性差，不利于構(gòu)建異構(gòu)的氣象無線傳感網(wǎng)。為了保證傳統(tǒng)氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，每進(jìn)行一次維護(hù)或者更換氣象傳感器設(shè)備，氣象部門都需要重新校準(zhǔn)標(biāo)度，這樣既提高了維護(hù)費(fèi)用，也浪費(fèi)了人力資源。面對(duì)以上種種弊端，網(wǎng)絡(luò)型的自動(dòng)氣象站成為一種發(fā)展趨勢(shì)［1］。本文提出的氣象無線傳感網(wǎng)是由多種不同類型的氣息信息傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以自主地采集信息，數(shù)據(jù)通過多跳路由發(fā)送到匯集節(jié)點(diǎn) （sink node），匯聚節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或者無線方式 （GPRS、GSM）發(fā)送到遠(yuǎn)程中間件，中間件對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、融合、存儲(chǔ)，并實(shí)時(shí)維持與終端用戶的通信［2］。中間件的設(shè)計(jì)［3］充分保證了氣象信息獲取的準(zhǔn)確性、及時(shí)性以及可靠性，實(shí)現(xiàn)了底層硬件設(shè)備和應(yīng)用程序的無縫連接。

1 關(guān)鍵要點(diǎn)

1.1 中間件技術(shù)

氣象無線傳感網(wǎng)是一個(gè)典型的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)［4］，其內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)通常用于監(jiān)控不同的氣象要素 （溫濕度、氣壓、光照等），以滿足不同的業(yè)務(wù)需求。這些節(jié)點(diǎn)可能來自不同的供應(yīng)商，它們采用不同的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，建立一個(gè)用于采集氣象信息的網(wǎng)絡(luò)。采集到的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)集中的位置，在此之后，數(shù)據(jù)將被加密發(fā)送到相應(yīng)的應(yīng)用程序或等待應(yīng)用請(qǐng)求。不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序可以通過不同的平臺(tái) （如PDA、Smartphone、PC）將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以便得到一個(gè)有意義的輸出值。一旦數(shù)據(jù)被接收和處理后，業(yè)務(wù)應(yīng)用程序可以改變WSN的配置，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期［5］。例如，可以通過減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)目或者在夜間關(guān)閉部分節(jié)點(diǎn)，以減少節(jié)點(diǎn)的功耗。圖1給出了WSN系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

圖1 WSN系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

中間件作為平臺(tái)和應(yīng)用之間的通用服務(wù)技術(shù)，其將應(yīng)用集成進(jìn)行簡(jiǎn)化，增強(qiáng)了應(yīng)用的生命力。為了更好地支持應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、部署、執(zhí)行和維護(hù)，確保系統(tǒng)的無縫連接，提高應(yīng)用程序的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，結(jié)合氣象無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的中間件滿足以下幾個(gè)要求［6］：

（1）代理模式：中間件扮演一個(gè)代理的角色，它處理來自應(yīng)用程序的請(qǐng)求。

（2）并行處理：一個(gè)中間件必須支持多線程來處理所有來自業(yè)務(wù)應(yīng)用層的請(qǐng)求，并實(shí)現(xiàn)最小延遲。

（3）數(shù)據(jù)交換模式：中間件必須要能夠處理兩種主要類型的數(shù)據(jù)交換模型，即拉和推模型。拉模型需要中間件處理來自業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的請(qǐng)求，這就要求中間件可以按照一個(gè)預(yù)定義的格式來收集和整合數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送給業(yè)務(wù)應(yīng)用層。推模型需要中間件能夠支持發(fā)布／訂閱模式，以便能夠?qū)崿F(xiàn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

（4）動(dòng)態(tài)綁定功能：中間件必須能夠動(dòng)態(tài)擴(kuò)展其功能以便在運(yùn)行時(shí)可以允許新的內(nèi)部服務(wù)接入，在不需要時(shí)也能夠?qū)⑵湟瞥?/p>

（5）軟件服務(wù)：這一特征定義，中間件組件必須建立一套服務(wù)以適應(yīng)來自業(yè)務(wù)應(yīng)用層的不同類型的請(qǐng)求。一個(gè)單一的中間件的基本服務(wù)應(yīng)該是相互分離，并且它們的交互操作可以動(dòng)態(tài)定義。每一個(gè)應(yīng)用程序都可以根據(jù)相應(yīng)的流程定義來訪問其指定的服務(wù)。

1.2 C／B／S混合模式

中間件與底層通信采用C／S模式，通過選用客戶機(jī)（Linux操作平臺(tái)）、中間件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三級(jí)模式，并將應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯定位在中間件層，從而提高了系統(tǒng)開發(fā)的靈活性、可靠性、安全性，維護(hù)比較容易，同時(shí)功能也易于擴(kuò)展。

與Web端通信采用B／S模式，終端用戶通過瀏覽器向中間件發(fā)送請(qǐng)求后，瀏覽器與中間件之間通過 WebSocket［7－8］建立連接，然后客戶端將請(qǐng)求的信息以預(yù)定義的格式發(fā)送給中間件，中間件將對(duì)客戶端的請(qǐng)求做出響應(yīng)處理，再將應(yīng)答信息以預(yù)定義的格式返回給客戶端。

1.3 氣象數(shù)據(jù)特點(diǎn)

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)的類型

氣象數(shù)據(jù)的類型繁多，內(nèi)容也比較豐富。按照內(nèi)容可以分為常規(guī)和特殊觀測(cè)資料，比如我們熟知的溫濕度、氣壓、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等就屬于常規(guī)觀測(cè)資料，雷達(dá)、衛(wèi)星云圖、全球定位系統(tǒng)等探測(cè)資料則屬于特殊觀測(cè)資料。本文主要是對(duì)一些常規(guī)氣象觀測(cè)資料進(jìn)行解析、挖掘、存儲(chǔ)，同時(shí)將常規(guī)氣象資料與雷達(dá)、衛(wèi)星云圖等特殊觀測(cè)資料進(jìn)行融合，得出有用的決策信息。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù)的格式

氣象數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化有利于數(shù)據(jù)的處理［9］，圖2給出了數(shù)據(jù)包的類圖關(guān)系。該格式采用16進(jìn)制的字節(jié)數(shù)組存儲(chǔ)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是：字節(jié)數(shù)組便于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸，可以直接進(jìn)行解析；數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，如果傳輸過程中出現(xiàn)丟包，可以通過預(yù)定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行判斷，減小數(shù)據(jù)損失；該數(shù)據(jù)格式的可擴(kuò)展性、靈活性較強(qiáng)，使用廣泛。

圖2 數(shù)據(jù)包類圖關(guān)系

2 中間件總體框架的設(shè)計(jì)

2.1 中間件的框架設(shè)計(jì)

根據(jù)氣象無線傳感網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，中間件的具體模塊設(shè)計(jì)如圖3所示［10］。本文所設(shè)計(jì)的中間件位于匯集節(jié)點(diǎn)（sink node）和終端用戶 （Web客戶端）之間，主要負(fù)責(zé)氣象無線傳感網(wǎng)和工作人員的交互，包括基本信息的初始化，報(bào)警閾值的設(shè)定和報(bào)警信息的確認(rèn)、分析、處理，對(duì)節(jié)點(diǎn)的指令下達(dá)操作，以及對(duì)不同類型的氣象要素傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。各模塊的具體功能描述如下［11－12］：

（1）服務(wù)管理模塊：主要由應(yīng)用服務(wù)管理和應(yīng)用服務(wù)接口兩部分組成。其中應(yīng)用服務(wù)管理負(fù)責(zé)處理來自Web端及底層Sink Node的服務(wù)請(qǐng)求信息，而應(yīng)用服務(wù)接口則是負(fù)責(zé)初始化通信接口及相關(guān)配置信息。

（2）元信息模塊：主要包括 Web端用戶、Sink Node、Sensor Node的基本信息。元數(shù)據(jù)主要有兩種類型，即靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括Web端用戶的編號(hào)、用戶名，節(jié)點(diǎn)的編號(hào)、地理位置信息以及節(jié)點(diǎn)的芯片類型等，而動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余電量、節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間等。

（3）狀態(tài)信息模塊：主要記錄Sink Node和Sensor Node當(dāng)前的工作狀態(tài)，并將相關(guān)信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，以便實(shí)時(shí)維護(hù)整個(gè)氣象無線傳感網(wǎng)，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生命周期。

（4）數(shù)據(jù)解析模塊：主要負(fù)責(zé)從底層網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)，該模塊是整個(gè)中間件的一個(gè)核心部分。

（5）指令下達(dá)和查詢模塊：主要負(fù)責(zé)指令的下達(dá)以及處理客戶端的查詢請(qǐng)求。該模塊首先要判斷來自Web客戶端的數(shù)據(jù)包內(nèi)容是屬于指令操作還是查詢操作，然后根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的處理方法。

（6）路由信息模塊：主要是根據(jù)解析的數(shù)據(jù)包內(nèi)容，將各節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的路由信息記錄到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。路由信息主要包括節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的中繼節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)、最終到達(dá)的Sink Node的ID號(hào)以及所經(jīng)過的跳數(shù)。

2.2 中間件的工作模式

圖4所示為中間件的工作模式，其中中間件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和終端用戶之間相互通信，組成網(wǎng)狀模型。中間件建立氣象傳感器數(shù)據(jù)接收線程，當(dāng)接收到傳感器數(shù)據(jù)包后，判斷數(shù)據(jù)包是否符合相應(yīng)的協(xié)議并對(duì)其進(jìn)行合法性和完整性驗(yàn)證。數(shù)據(jù)包通過合法性檢驗(yàn)后，再根據(jù)預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行解析，對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的數(shù)據(jù)，例如傳感器數(shù)值超過報(bào)警閾值或者部分傳感器不能正常工作，將及時(shí)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給各終端用戶，提示其訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行更新操作［13］。在該工作模式中，終端用戶也可以直接訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，這樣既降低了中間件的負(fù)載，也使實(shí)時(shí)性得到了保證。

圖3 中間件總體架構(gòu)

圖4 中間件的工作模式

3 中間件軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

結(jié)合氣象無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)及需求分析，中間件主要有兩大功能：①氣象無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、解析、挖掘、融合、存儲(chǔ)；②通過對(duì)節(jié)點(diǎn)的指令操作來優(yōu)化整個(gè)氣象無線傳感網(wǎng)，以延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3.1 匯集節(jié)點(diǎn)C／S模式通信設(shè)計(jì)

與匯聚節(jié)點(diǎn)通信的具體流程如圖5所示。氣象無線傳感網(wǎng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較高，這也是衡量整個(gè)系統(tǒng)

好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。氣象信息的生成可以分為定時(shí)數(shù)據(jù)包信息和即時(shí)數(shù)據(jù)包信息。其中定時(shí)數(shù)據(jù)包信息的生成周期是固定的、系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的，而即時(shí)數(shù)據(jù)包信息的生成就比較隨機(jī)，其可能來自Web端的即時(shí)數(shù)據(jù)查詢請(qǐng)求或者報(bào)警信息等。

圖5 與匯聚節(jié)點(diǎn)通信流程

中間件作為代理人，首先需要解析接收到的數(shù)據(jù)包，以確定其類型：①如果是來自Web端的歷史數(shù)據(jù)查詢，則可以直接訪問數(shù)據(jù)庫獲取存儲(chǔ)記錄，這些記錄是氣象傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，屬于定時(shí)數(shù)據(jù)包；②對(duì)Web端指令的處理，中間件反饋的應(yīng)答數(shù)據(jù)包均屬于即時(shí)數(shù)據(jù)包，因?yàn)橹噶钍羌磿r(shí)產(chǎn)生的。例如想查詢氣象無線傳感網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的最新狀態(tài)，則需要直接對(duì)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，此時(shí)返回的是即時(shí)數(shù)據(jù)包；③如果監(jiān)測(cè)到某個(gè)類型的氣象傳感器數(shù)值超過了設(shè)定的閾值，則會(huì)生成報(bào)警數(shù)據(jù)包發(fā)送給Web端，該包也屬于即時(shí)數(shù)據(jù)包。

將數(shù)據(jù)包正確解析后，中間件將根據(jù)解析出來的內(nèi)容選擇存入數(shù)據(jù)庫或者采取進(jìn)一步的操作。

3.2 Web頁面B／S模式通信設(shè)計(jì)

WebSocket是一種瀏覽器和服務(wù)器之間全雙工通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)消息的主動(dòng) “推送”和 “拉取”。本文所設(shè)計(jì)的中間件軟件與Web端的實(shí)時(shí)通信采用的就是WebSocket技術(shù)［14］，瀏覽器使用的Chrome，具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

（1）Web客戶端發(fā)送連接請(qǐng)求，通過創(chuàng)建 WebSocket對(duì)象，綁定到中間件的IP地址和端口號(hào)：ws＝new Websocket （"ws：／／" ＋document.getElementById （"Connection"））.value）；

（2）中間件根據(jù)http header判斷是否是 WebSocket請(qǐng)求，如果是，則通過Connection：Upgrade將請(qǐng)求升級(jí)為一個(gè)WebSocket連接；

（3）握手成功后，Web客戶端和中間件將進(jìn)入雙向長(zhǎng)連接的數(shù)據(jù)傳輸階段，通過 ws.onopen、ws.onmessage、ws.onclose、ws.onerror等方法進(jìn)行通信。

WebSocket的數(shù)據(jù)傳輸是基于幀的方式，以0x00表示數(shù)據(jù)開始，0xff表示數(shù)據(jù)結(jié)束，數(shù)據(jù)采用的編碼方式是UTF8。在對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需要對(duì)兩個(gè)字節(jié)的幀頭數(shù)據(jù)進(jìn)行按位解析，以判斷傳輸?shù)南㈩愋?、是否有掩碼、傳輸數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度等基本信息［15］。圖6給出了與 Web端通信處理的流程圖。

圖6 與Web通信處理流程

4 系統(tǒng)運(yùn)行

本系統(tǒng)采用C＃語言和最新的ASP.NET技術(shù)編程，同時(shí)結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)解析后的數(shù)據(jù)，便于歷史記錄的查詢。系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為 Windows XP Professional SP3，實(shí)際的運(yùn)行效果表明該系統(tǒng)各項(xiàng)性能良好，能夠滿足中間件開發(fā)設(shè)計(jì)的功能要求。圖7給出了系統(tǒng)運(yùn)行部分效果圖。

5 結(jié)束語

圖7 部分運(yùn)行效果

基于氣象無線傳感網(wǎng)的中間件平臺(tái)軟件，提高了氣象數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性，并大大降低了應(yīng)用程序開發(fā)的復(fù)雜性。該方案：①有效地集成了中間件的各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求，并充分利用現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)具有統(tǒng)一業(yè)務(wù)架構(gòu)的中間件軟件平臺(tái)；②系統(tǒng)采用C／B／S混合模式進(jìn)行開發(fā)，各功能進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展；③與Web端采用WebSocket的通信技術(shù)，與傳統(tǒng)的AJAX長(zhǎng)輪詢相比［16］，本系統(tǒng)為Web實(shí)時(shí)通信提供了低網(wǎng)絡(luò)吞吐量、低延時(shí)的解決方案，進(jìn)一步保證了氣象信息獲取的實(shí)時(shí)性。在接下來的研究中，將逐步優(yōu)化各模塊的設(shè)計(jì)，在保證系統(tǒng)高性能運(yùn)行的同時(shí)不斷集成更多的功能。

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