無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)中間件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 恒，趙曉瑞，王 平

(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自組織網(wǎng)絡(luò)［1］，但是該網(wǎng)絡(luò)并不是孤立存在的。為了達(dá)到不同的應(yīng)用需求，網(wǎng)關(guān)需要通過(guò)特定的方式將傳感器節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心或用戶，監(jiān)控中心或用戶再通過(guò)上位機(jī)軟件查看相關(guān)數(shù)據(jù)和信息，同時(shí)監(jiān)控中心將控制管理命令發(fā)送到網(wǎng)關(guān)完成對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可視化管理系統(tǒng)，如美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的TinyViz［3］、英國(guó)伍爾弗漢普頓大學(xué)的M-DAD以及我國(guó)中科院寧波分所開(kāi)發(fā)的SNAMP［4］等。這些系統(tǒng)都具有顯示節(jié)點(diǎn)列表、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?shù)據(jù)實(shí)時(shí)分析、存儲(chǔ)等全部或部分功能，且都在朝著人性化、操作簡(jiǎn)單化及功能多樣化的方向發(fā)展［5］，但是它們共同存在一個(gè)缺點(diǎn)，即建立在特定的應(yīng)用環(huán)境基礎(chǔ)上，采用私有協(xié)議和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)接口，通用性和移植性較差［6］。本文考慮了瀏覽器/服務(wù)器 (B/S)模式的優(yōu)點(diǎn)［7］，開(kāi)發(fā)了介于Web服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)之間的中間件，標(biāo)準(zhǔn)化了通信接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和底層傳感器網(wǎng)絡(luò)的任意掛接。

1 網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)的整體結(jié)構(gòu)

本文基于Web服務(wù)技術(shù)設(shè)計(jì)出一個(gè)具有標(biāo)準(zhǔn)化服務(wù)接口的Web服務(wù)中間件［8］，該中間件工作在Web服務(wù)器和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)之間，是整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)的核心。當(dāng)用戶通過(guò)瀏覽器查看無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息時(shí)，首先點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)界面的相關(guān)按鈕，Web服務(wù)器便將相應(yīng)的指令發(fā)送給中間件;然后中間件解析Web服務(wù)器指令，待解析完成后便發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)指令到網(wǎng)關(guān);最后網(wǎng)關(guān)將相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)或者網(wǎng)絡(luò)信息返回給中間件，中間件再轉(zhuǎn)發(fā)給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器通過(guò)處理即可顯示在網(wǎng)頁(yè)界面上。Web服務(wù)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Web服務(wù)整體結(jié)構(gòu)

Web服務(wù)中間件有2個(gè)接口，其中傳感網(wǎng)側(cè)接口和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信，其主要功能是實(shí)現(xiàn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)指令或其它控制指令，并且接收網(wǎng)關(guān)返回的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息;服務(wù)器側(cè)接口和Web服務(wù)器進(jìn)行通信，其主要功能是實(shí)現(xiàn)接收Web服務(wù)器發(fā)送的指令，同時(shí)實(shí)現(xiàn)向服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)返回的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，其功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Web服務(wù)中間件功能結(jié)構(gòu)

2 Web服務(wù)中間件傳感網(wǎng)側(cè)接口設(shè)計(jì)

Web服務(wù)中間件提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，因此其需要和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互。為了減少網(wǎng)關(guān)開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)多種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議和無(wú)線系統(tǒng)的工作量，對(duì)Web服務(wù)中間件的傳感網(wǎng)側(cè)接口進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，為配置和訪問(wèn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型［9］。Web服務(wù)中間件傳感網(wǎng)側(cè)接口服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)指令見(jiàn)表1。

表1 接口服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)指令

中間件會(huì)在完成服務(wù)器指令解析后，然后發(fā)送上表中的具體指令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)指令內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)操作。表中的指令主要包括2類:一類需要網(wǎng)關(guān)返回節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，例如讀節(jié)點(diǎn)列表、節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞龋祟愔噶疃家浴皉”打頭，表示W(wǎng)eb服務(wù)器需要獲得相關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息時(shí)，便調(diào)用中間件，中間件發(fā)送此類指令給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)返回相關(guān)數(shù)據(jù)信息，中間件再將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器;另一類不需要網(wǎng)關(guān)返回節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，但是會(huì)返回一個(gè)操作成功的確認(rèn)標(biāo)志 (success)，例如網(wǎng)關(guān)配置、節(jié)點(diǎn)配置等，此類指令都以“w”打頭，表示W(wǎng)eb服務(wù)器需要進(jìn)行網(wǎng)關(guān)或節(jié)點(diǎn)配置時(shí)，便調(diào)用中間件，中間件發(fā)送相應(yīng)指令到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的配置操作，完成后返回一個(gè)確認(rèn)標(biāo)志。

下文就比較常用的幾條指令做以詳細(xì)的介紹，包括指令概述、參數(shù)描述以及中間件使用該指令的過(guò)程示意圖。

(1)讀取節(jié)點(diǎn)列表:當(dāng)Web服務(wù)器需要獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)列表信息時(shí)，通過(guò)調(diào)用中間件，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該指令，網(wǎng)關(guān)便把整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)列表信息返回給中間件，中間件再轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器。中間件調(diào)用該指令的過(guò)程如圖3所示。

圖3 中間件讀取節(jié)點(diǎn)列表

(2)讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù):當(dāng)Web服務(wù)器需要獲取網(wǎng)內(nèi)某節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，通過(guò)調(diào)用中間件，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該指令即可獲取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其中參數(shù)d_x中的x表示需要讀取數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。中間件調(diào)用該指令的過(guò)程如圖4所示。

圖4 中間件讀取節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)

(3)讀取節(jié)點(diǎn)ID:當(dāng)Web服務(wù)器需要獲取網(wǎng)內(nèi)某個(gè)節(jié)點(diǎn)的ID時(shí)，通過(guò)調(diào)用中間件，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該指令即可獲取相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的ID，其中參數(shù)d_x中的x表示需要讀取ID的節(jié)點(diǎn)編號(hào)。中間件調(diào)用該指令的過(guò)程如圖5所示。

圖5 中間件讀取節(jié)點(diǎn)ID

(4)讀取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):當(dāng)Web服務(wù)器需要獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息時(shí)，通過(guò)調(diào)用中間件，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該指令，網(wǎng)關(guān)將節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)信息返回給中間件，中間件運(yùn)行拓?fù)洳季炙惴?，最后將拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)發(fā)到Web服務(wù)器。中間件調(diào)用該指令的過(guò)程如圖6所示。

圖6 中間件獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

(5)網(wǎng)關(guān)配置:當(dāng)Web服務(wù)器需要進(jìn)行網(wǎng)關(guān)配置時(shí)，通過(guò)調(diào)用中間件，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該指令，網(wǎng)關(guān)即可完成配置操作，并將確認(rèn)標(biāo)志返回給服務(wù)器。中間件調(diào)用該指令的過(guò)程如圖7所示。

圖7 中間件進(jìn)行網(wǎng)關(guān)配置

(6)節(jié)點(diǎn)配置:當(dāng)Web服務(wù)器需要對(duì)網(wǎng)內(nèi)某一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置時(shí)，通過(guò)調(diào)用中間件，中間件向網(wǎng)關(guān)發(fā)送該指令，網(wǎng)關(guān)即可完成對(duì)相關(guān)節(jié)點(diǎn)的配置操作，并將確認(rèn)標(biāo)志返回給服務(wù)器，其中參數(shù)d_x表示配置節(jié)點(diǎn)的編號(hào)。中間件調(diào)用該指令的過(guò)程如圖8所示。

圖8 中間件進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置

3 Web服務(wù)中間件服務(wù)器側(cè)接口設(shè)計(jì)

Web服務(wù)中間件的服務(wù)器側(cè)接口和Web服務(wù)器通信，主要用于接收服務(wù)器的調(diào)用指令和向服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)關(guān)返回的數(shù)據(jù)。首先，中間件接收到Web服務(wù)器發(fā)送的指令，然后進(jìn)行解析指令，指令解析后調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)指令通過(guò)傳感網(wǎng)側(cè)接口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，如果服務(wù)器發(fā)送的是讀取數(shù)據(jù)指令，則等待網(wǎng)關(guān)把相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送回來(lái)，最后再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給Web服務(wù)器。

Web服務(wù)器采用CGI腳本和中間件進(jìn)行交互，并且將服務(wù)指令通過(guò)參數(shù)的形式傳遞給中間件［10］，具體過(guò)程如圖9所示。

4 應(yīng)用舉例

Web服務(wù)中間件在提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)的過(guò)程中起著重要作用，下面以用戶獲取某一溫度傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)為例，說(shuō)明其工作的整個(gè)過(guò)程。該過(guò)程如圖10所示。

5 無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)的測(cè)試與驗(yàn)證

5.1 測(cè)試平臺(tái)

本設(shè)計(jì)測(cè)試中的無(wú)線傳感網(wǎng)采用802.15.4標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)采用ARM網(wǎng)關(guān)，Web服務(wù)器采用輕量級(jí)嵌入式Web服務(wù)器Boa［11］，測(cè)試使用的傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)都是由重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)與研制。測(cè)試使用硬件實(shí)物如圖11所示。

圖9 Web服務(wù)器調(diào)用中間件工作流程

圖10 溫度傳感器數(shù)據(jù)讀取全過(guò)程

圖11 測(cè)試硬件實(shí)物

5.2 測(cè)試結(jié)果

5.2.1 服務(wù)接口數(shù)據(jù)交互

為了能夠清楚的查看Web服務(wù)中間件工作的流程，在終端中將其服務(wù)接口數(shù)據(jù)的交互過(guò)程打印出來(lái)，結(jié)果如圖12所示。

圖12 模擬Web服務(wù)器調(diào)用中間件，圖12中第一行表示W(wǎng)eb服務(wù)器將指令以參數(shù)的形式傳遞給中間件，第二行表示中間件接收到服務(wù)器的指令，第三行表示中間件解析Web服務(wù)器的指令后發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)化指令到網(wǎng)關(guān)，第四行表示網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)返回給中間件，中間件再轉(zhuǎn)發(fā)給Web服務(wù)器，最終在網(wǎng)頁(yè)界面顯示出來(lái)［12］。

圖12 服務(wù)接口數(shù)據(jù)交互過(guò)程

5.2.2 網(wǎng)頁(yè)顯示界面

測(cè)試網(wǎng)絡(luò)掛接了4種傳感器節(jié)點(diǎn):無(wú)線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線粉塵傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線煙霧傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線瓦斯傳感器節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)列表顯示頁(yè)面和無(wú)線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面分別如圖13和圖14所示。

圖13 節(jié)點(diǎn)列表顯示頁(yè)面

圖14 無(wú)線溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面

5.3 結(jié)果分析

本測(cè)試中使用的傳感器節(jié)點(diǎn)都是實(shí)際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，測(cè)試所得數(shù)據(jù)真實(shí)有效，測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)中間件能夠有效地完成Web服務(wù)器和無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)信息交互，進(jìn)而協(xié)助服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)完成對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和控制管理。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在現(xiàn)有網(wǎng)關(guān)和Web服務(wù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)中間件，標(biāo)準(zhǔn)化了無(wú)線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)Web服務(wù)接口。一方面，該Web服務(wù)中間件的傳感器側(cè)接口能夠和底層通用型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)任意掛接，在一定程度上減輕開(kāi)發(fā)的工作量和復(fù)雜度，避免二次開(kāi)發(fā)，有效節(jié)省開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間，而且有利于在不同網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)之間的移植;另一方面，該Web服務(wù)中間件能夠協(xié)助服務(wù)器，使得用戶通過(guò)瀏覽器網(wǎng)頁(yè)界面遠(yuǎn)程查看傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，并且能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和管理。

［1］QIAN Zhihong.Internet of things-oriented wireless sensor networks review ［J］.Journal of Electronics and Information Technology，2013，35(1):215-227(in Chinese).［錢志鴻.面向物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2013，35(1):215-227.］

［2］KUANG Xinghong，SHAO Huihe.Study of the gateway of wireless sensor networks［J］.Computer Engineering，2007(6):228-230(in Chinese).［匡興紅，邵惠鶴.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)研究［J］.計(jì)算機(jī)工程，2007(6):228-230.］

［3］LIU Ying，YU Hongyi.Technology of application developing based on TinyOS in wireless sensor network［J］.Transducer and Microsystem Technologies，2007，26(3):93-96(in Chinese).［劉營(yíng)，于宏毅.基于TinyOS的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)技術(shù)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(3):93-96.］

［4］LIRuijun，HU Shujuan，HOUWeiyan.Industrialwireless networks protocolwith time synchronization and node positioning［J］.Computer Engineering and Design，2008，29(18):4701-4703(in Chinese).［李銳君，胡淑娟，侯維巖.具有時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2008，29(18):4701-4703.］

［5］HE Pengju，HAN Shuren，ZHOU Xianjuan.Research on the data managementsystem in wireless sensor network［J］.Mining and Processing Equipment，2008(10):38-41(in Chinese).［何鵬舉，韓樹(shù)人，周賢娟.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)研究［J］.礦山機(jī)械，2008(10):38-41.］

［6］YUAN Nan，ZHOU Huachun，ZHENG Tao.Design and implementation of web-based visualization management system for wireless sensor network ［J］.Modern Electronics Technique，2011，34(17):43-46(in Chinese).［元男，周華春，鄭濤.基于Web的無(wú)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.］

［7］LIU Yanpeng，YANG Baozhu，WANG Yuansheng.Design of forest warning and command system based on browse/server architecture［J］.Computer Engineering and Design，2013，34(1):360-365(in Chinese).［劉艷朋，楊寶祝，王元?jiǎng)?基于B/S的森林火災(zāi)預(yù)警與指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2013，34(1):360-365.］

［8］WANG Zhenhui，WANG Zhenduo，ZHANGMin，etal.Design and implement of security middleware of web database［J］.Science Technology and Engineering，2013(5):1335-1340(in Chinese).［王振輝，王振鐸，張敏，等.Web數(shù)據(jù)庫(kù)安全中間件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013(5):1335-1340.］

［9］ISA-100.11a-2011:Wireless systems for industrial automation:Process control and related applications［S］.2011.

［10］XIE Shiyi，XU Bing.Design of embedded web server and its implementation of CGI［J］.Computer Engineering and Design，2007，28(7):1598-1600(in Chinese).［謝仕義，徐兵.嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)及其CGI實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2007，28(7):1598-1600.］

［11］SONG Kai，YAN Liping，GAN Lan.Design and implementation of embedded Web server［J］.Computer Engineering and Design，2009，30(4):808-810(in Chinese).［宋凱，嚴(yán)麗平，甘嵐.嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30(4):808-810.］

［12］YU Haichao，WANG Honglei.Design and realization of intelligent network about home systems based on ARM processor［J］.Information Technology，2012(4):162-165(in Chinese).［玉海超，王紅蕾.基于ARM的智能網(wǎng)絡(luò)家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.信息技術(shù)，2012(4):162-165.］