基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)

蹇文軍

（巴音郭楞職業(yè)技術學院 新疆維吾爾自治區(qū)庫爾勒市 841000）

物聯(lián)網(wǎng)是近年來較熱的一個發(fā)展方向，隨著5G 技術的應用，物聯(lián)網(wǎng)時代逐漸來臨，其主要指的是通過無線網(wǎng)絡以感知設備、智能設備為基礎將我們生活中的物品進行互聯(lián)，在物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的過程中無線傳感網(wǎng)占有重要的地位。無線傳感網(wǎng)是由大量無線傳感器節(jié)點結合形成的網(wǎng)絡，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎終端感知設備，對于物聯(lián)網(wǎng)的意義重大。隨著物聯(lián)網(wǎng)的推進與發(fā)展，無線傳感網(wǎng)也日益復雜，其要求與功能也越來越多。而無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)是其中重要的組成部分，其可以實現(xiàn)對設備的遠程監(jiān)控與感知，實時監(jiān)測設備的參數(shù)與狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡進入物聯(lián)網(wǎng)之中，實現(xiàn)遠程管理與控制。由于物聯(lián)網(wǎng)是以萬物互聯(lián)為基礎，不同的物品其特點和對于監(jiān)測的要求也不同，因此對于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的要求與功能也不同，這在一定程度上增加了其研究與分析的難度。

1 基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究的意義

在物聯(lián)網(wǎng)的應用中，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)，因此其具有低功耗、多節(jié)點以及自組織的特點，其集合了數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸?shù)榷喾N功能，涉及到的技術與知識較多，是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術中發(fā)展較迅速的一個方向?？梢哉f無線傳感網(wǎng)的研究與發(fā)展直接關系到物聯(lián)網(wǎng)的進步，是當前世界科技競爭的熱點方向之一。而基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)指的是可以實現(xiàn)自動組網(wǎng)、遠程監(jiān)控以及無線傳輸信息的智能監(jiān)控系統(tǒng)，對于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展意義重大，可以極大的提高人們生活的便利程度，將復雜的應用簡單化，提高社會運行的效率，進而推動社會經(jīng)濟的進步。

2 基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

2.1 無線傳感網(wǎng)的特點

無線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)應用的基礎技術之一，其是以嵌入式系統(tǒng)為載體，以無線傳感器為基礎的一種數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。通過分布在物品上的大量無線傳感器組成一個既有低功耗、多節(jié)點以及自組織的網(wǎng)絡，可以實現(xiàn)對物品基礎數(shù)據(jù)以及實時狀態(tài)的感知，并且進行簡單的處理，相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其主要有如下的特點：

（1）由于其較強的適應性，因此決定了其價格、體積以及功耗都必須要盡量降低，這在一定程度上限制了其功能，因此其結構較為簡單；

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的特性是實現(xiàn)萬物互聯(lián)，因此無線傳感網(wǎng)的節(jié)點規(guī)模非常大，面對的工作環(huán)境也極其復雜，且要隨時接入網(wǎng)絡之中，因此其適應性較強且具有一定的糾錯能力；

（3）無線傳感網(wǎng)主要是實現(xiàn)對物品的實時監(jiān)測與感知，因此其要具有一定的通信能力，隨著5G 技術的應用與發(fā)展，將5G 技術與無線傳感網(wǎng)結合應用可以極大的提高無線傳感網(wǎng)的通信能力；

（4）由于應用場景與應用環(huán)境較多，很多時候無法接入外接電源，因此為了提高其應用效率，無線傳感器要具有低功耗的特點。

2.2 無線傳感網(wǎng)中間件技術

由于無線傳感器的應用場景與應用環(huán)境非常復雜，因此，需要一個可以解決其通用性的技術，提高其可擴展性與適應性，中間件就是這樣一種技術，其可以屏蔽底層環(huán)境的異構性，為無線傳感器的應用提供較為統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境，大大降低無線傳感系統(tǒng)的開發(fā)難度。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展越來越深入，無線傳感網(wǎng)的應用越來越廣泛，中間件的應用也越來越廣泛，中間件技術可以為復雜多變的無線傳感網(wǎng)應用提供一個統(tǒng)一與開放的平臺與架構，提高無線傳感網(wǎng)開發(fā)效率。無線傳感網(wǎng)中間件技術有多種設計方法，主要分為以下幾種：

（1）基于虛擬機的無線傳感網(wǎng)中間件：以虛擬機為基礎的設計，因此可以適當增減一些應用，靈活性與可控性較強，但是要在所有節(jié)點運行虛擬機，因此成本較高；

（2）基于數(shù)據(jù)庫的無線傳感網(wǎng)中間件：以全部無線傳感網(wǎng)為基礎，通過節(jié)點之間的互聯(lián)形成較大的數(shù)據(jù)庫，先在絡中進行查詢然后選擇合適的節(jié)點進行數(shù)據(jù)傳輸，但是其對于異構的支持性較差，且數(shù)據(jù)未經(jīng)過第一步處理，因此難以實現(xiàn)實時性；

（3）基于服務發(fā)現(xiàn)的WSN 中間件：其具有一定的可調整性，可以根據(jù)實際情況對網(wǎng)絡應用進行調整，但是其對于資源的要求較高，難以適應復雜的應用環(huán)境；

（4）消息驅動的中間件：其是對于特定狀態(tài)或特定信息的感知，當無線傳感器檢測到相應的信息與狀態(tài)時就可以做出響應，且可以實現(xiàn)特定的通信傳輸，適應性較強且適合于大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)應用，但是其對于復合事件響應的可靠性以及處理能力還需要進一步提高；

（5）移動代理中間件：是現(xiàn)階段發(fā)展迅速的技術之一，其主要特點是可以遷移，自動與無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡進行連接，并可以主動收集信息，進行遠程通信。

除了以上的中間件技術之外，還有其他的中間件技術，在實際應用中要根據(jù)實際的應用的情況與特點進行選擇，以符合實際的應用要求。在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中并不能直接應用以上技術，還需要進行一定的設計與開發(fā)。

2.3 目前存在的問題

（1）現(xiàn)階段，無線傳感網(wǎng)的應用與開發(fā)還是以上層為主，針對中間件的研究與開發(fā)較少，主要是由于中間件的設計較為復雜，需要考慮較多的問題，保證其可用性與通用性，且需要相關的硬件支持，實現(xiàn)的功能也較多，此外，還需要保留擴展性；

（2）遠程監(jiān)控系統(tǒng)本質上是一種無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其研究也較為基礎，目前主要以數(shù)據(jù)采集為主，對于數(shù)學信息的處理與管理能力不足，擴展性與移動性不足，且還需要考慮實際應用場景，通用性較差；

（3）由于遠程監(jiān)控系統(tǒng)其需要實現(xiàn)實時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，因此要持續(xù)耗能，但是應用場景中可能無法持續(xù)提供外接能源，因此其對于耗能有一定的要求，但是現(xiàn)階段的電池技術與無線傳感器應用耗能較高，難以實現(xiàn)持續(xù)應用。

3 基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

3.1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用的特點

遠程監(jiān)控系統(tǒng)本質上是無線傳感網(wǎng)的一種數(shù)據(jù)采集技術，但是隨著物聯(lián)網(wǎng)以及無線傳感網(wǎng)的發(fā)展，現(xiàn)階段遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要具備一定的控制能力與信息處理能力，其主要有如下的特點與要求：

（1）遠程監(jiān)控系統(tǒng)首先要實現(xiàn)對監(jiān)控對象實時狀態(tài)的信息采集，并進行分析，在其狀態(tài)出現(xiàn)改變時要及時將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇刂贫耍饕譃楸粍颖O(jiān)控、主動監(jiān)控以及主被動結合監(jiān)控三類監(jiān)控方式，根據(jù)不同的場景，選擇也有所不同；

（2）遠程監(jiān)控系統(tǒng)的終端可以簡單的對監(jiān)控對象的實時數(shù)據(jù)進行處理與分析，但是復雜的處理與分析還需要傳輸至主控端進行；

（3）遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對監(jiān)控對象的控制，并執(zhí)行主控端的指令，且具備一定的擴展性與適應性，且主控端可以根據(jù)實際情況對遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行調節(jié)。

3.2 無線傳感網(wǎng)中間件設計

無線傳感網(wǎng)中間件設計的總體模型要根據(jù)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的特點進行分析，中間件需要具備多種能力，包括用于數(shù)據(jù)分析、處理以及存儲的能力、具備對監(jiān)控對象網(wǎng)絡控制的能力、提高其擴展性與通用性的通用接口與協(xié)議、具備將監(jiān)控對象與主控端進行連接的通信能力以及執(zhí)行主控端指令的執(zhí)行能力等。因此，要實現(xiàn)以上的多項功能，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要身處全局網(wǎng)絡數(shù)據(jù)之中，且該網(wǎng)絡需要具備層次結構，可以實現(xiàn)實時信息傳輸以及調用底層數(shù)據(jù)庫，且要具備一定的拓展性。綜合來看，采用虛擬機的中間件適應性與處理能力較強，但是實現(xiàn)較為復雜，且成本較高。此外，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換也非常重要，主要依賴于通信能力實現(xiàn)，其通信能力不只是簡單的數(shù)據(jù)傳輸，還包括數(shù)據(jù)交換與處理分析，因此需要具備比較強的數(shù)據(jù)表達能力，現(xiàn)階段主要以數(shù)據(jù)庫的方式進行解決，但是其表達能力較差，而XML 語言的表達能力較強，因此，可作為基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計的通信手段進行應用；最后服務發(fā)現(xiàn)能力對于遠程監(jiān)控系統(tǒng)也非常重要，而普通的無線傳感節(jié)點其負載與通信能力有限，因此不適合應用虛擬機進行服務，所以本文研究的主要是簡單的服務發(fā)現(xiàn)，以中間件設計為基礎，獲取節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，并通過中間件實現(xiàn)服務要求。

3.3 無線傳感網(wǎng)中間件詳細設計

基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的主要設計結構包括CGI 程序、數(shù)據(jù)庫接口設計、解釋器設計以及模型層設計和協(xié)調器接口設計等，以下分別進行介紹：

（1）CGI 程序設計：CGI 程序指的是在物理服務器上運行的程序，是瀏覽器與Web 服務器連接的通道，是Web 功能拓展的基礎。CGI 程序的設計可以采用多種計算機語言，沒有具體的要求。

（2）數(shù)據(jù)庫接口設計：數(shù)據(jù)庫是所有功能實現(xiàn)的基礎，因此其接口的設計直接關系到遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能和性能，無線傳感網(wǎng)中間件的數(shù)據(jù)庫要求可以實現(xiàn)頻繁訪問、可支持多節(jié)點同時訪問、以及數(shù)據(jù)即時存儲和保護功能，避免斷電時出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。

（3）解釋層設計：解釋層是無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)各個部分之間連接的橋梁，其主要的作用是讀取節(jié)點傳輸?shù)男畔?，并傳輸給決策層，然后相應的做出響應，保證指令的傳輸與轉化，使遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以做出實時響應，解釋層的設計非常重要，需要連接CGI 程序、節(jié)點、模型層等多個層面的信息轉化與解釋，保證各個系統(tǒng)之間的連接正常與指令轉化，保證各個系統(tǒng)之間的協(xié)作順暢，要求可以實現(xiàn)多線程處理能力，以應對未來復雜的解釋任務。

（4）協(xié)調器接口：其指的是模型層的接口，應該做到通用性與高效性，可以極大的擴展無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，現(xiàn)階段串口轉USB 接口是一個主要的發(fā)展方向，其具有通用性強，讀寫效率高的特點，在進行設計時要注意設置正常的參數(shù)以及使用非阻塞方式讀寫。

3.4 無線傳感網(wǎng)節(jié)點設計

基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)中節(jié)點的設計非常重要，是該系統(tǒng)的基礎組成部分，中間件實質上是控制或者使用節(jié)點的分布式程序。節(jié)點程序的設計可以采用智能算法進行設計或者基于實際應用的硬件進行設計，其主要的內容是獲取監(jiān)控對象的數(shù)據(jù)與狀態(tài)信息，然后將其傳輸?shù)街虚g件中。節(jié)點程序的設計主要包括協(xié)調器、路由器和終端節(jié)點等，其中協(xié)調器主要負責節(jié)點與無線傳感網(wǎng)的連接、維護以及信息傳輸?shù)裙ぷ鳎宦酚善髦饕撠煼峙湎嚓P信息的傳輸路徑；終端節(jié)點的主要功能注冊服務和實現(xiàn)服務。

4 結論

本文主要研究了基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，總結了其應用的特點以及問題，并就中間件的技術進行分析研究，針對性的提出了基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計方法，實現(xiàn)了基礎的數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸功能，但是依然存在的許多不足，需要進一步進行研究?？傊?，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究對于物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有較為重要的意義，需要持續(xù)進行推進。