基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

ZigBee無線技術(shù)是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)問題之一，其短距離、低速率、低功耗的特性，使它在傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用。相對于ZigBee技術(shù)的迅速發(fā)展，基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的監(jiān)測及管理則相對滯后，這成為制約ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸之一。數(shù)據(jù)的監(jiān)測及管理作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，其目的是把傳感器網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的邏輯視圖(命名、存取和操作)和網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)分離開來，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的用戶和應(yīng)用程序只需關(guān)心所要提出的查詢的邏輯結(jié)構(gòu)，而無需關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。現(xiàn)有的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的監(jiān)測及管理系統(tǒng)大多局限于本地監(jiān)測，受到空間限制。文中針對這一問題，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，該平臺(tái)能夠有效組織和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域的感知信息，回答來自用戶或應(yīng)用程序的查詢。系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的邏輯視圖有效的分離開來，從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端瀏覽器在線監(jiān)測、分析和處理傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能。

1 數(shù)據(jù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)
    數(shù)據(jù)管理平臺(tái)允許用戶在客戶端瀏覽器上實(shí)時(shí)監(jiān)測來自ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳來的數(shù)據(jù)，工作原理，如圖l所示。文中搭建的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用TI公司的CC2430芯片以及Figure8 Wireless ZigBee Protocol Stack協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)，采用樹形(Cluster一Tree)組網(wǎng)方式，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)收集各終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。
    數(shù)據(jù)管理平臺(tái)分為兩大部分：一是數(shù)據(jù)的采集、分析與計(jì)算，由通信計(jì)算機(jī)完成這部分工作；二是運(yùn)行于客戶端瀏覽器的Web頁面，主要完成數(shù)據(jù)的查詢及顯示。這種基于B／S結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，結(jié)合了asp．net在Web應(yīng)用上的優(yōu)勢，很好的實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端瀏覽器在線監(jiān)測、分析和處理傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能。

    協(xié)調(diào)器發(fā)布廣播，要求終端節(jié)點(diǎn)上傳各自的信息數(shù)據(jù)，終端節(jié)點(diǎn)在收到協(xié)調(diào)器下發(fā)的命令后，將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過路由器轉(zhuǎn)發(fā)或者直接發(fā)送給協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)為：包頭+命令類別+數(shù)據(jù)內(nèi)容+包尾，數(shù)據(jù)包為16進(jìn)制編碼，如圖1所示。

    協(xié)調(diào)器通過串口與通信控制計(jì)算機(jī)連接，通信控制計(jì)算機(jī)首先完成數(shù)據(jù)采集工作。數(shù)據(jù)采集采用定時(shí)響應(yīng)模式，采集周期時(shí)間可以預(yù)先設(shè)定，每隔一個(gè)采集周期，協(xié)調(diào)器將收集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸?shù)酵ㄐ趴刂朴?jì)算機(jī)。通信控制計(jì)算機(jī)接下來將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，處理后的數(shù)據(jù)再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫服務(wù)器上，寫入自定義的數(shù)據(jù)庫。
    運(yùn)行于客戶端瀏覽器的Web頁面是基于．net框架開發(fā)的，開發(fā)工具主要有Visual Studio 2005和SQL Server 2000。Web頁面主要功能模塊包括即時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備管理、用戶管理。即時(shí)數(shù)據(jù)模塊允許用戶查看當(dāng)天各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)模塊允許用戶選擇時(shí)間范圍查看各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，設(shè)備管理模塊允許用戶對設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重命名、新增、刪除操作，用戶管理模塊允許用戶更改密碼，管理員用戶可以進(jìn)行新增用戶、刪除用戶、授予權(quán)限等操作。普通用戶不具備設(shè)備管理、用戶管理權(quán)限。

2 客戶端軟件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)
    根據(jù)需要，在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)中，主要包含以下數(shù)據(jù)表：Station_Info、Ark_Info、Node_Info、Device_Info、User_Info、Temperature_Record。Station_Info為站點(diǎn)信息表，Ark_Info為監(jiān)測點(diǎn)信息表，Node_Info為終端節(jié)點(diǎn)信息表，它們的數(shù)據(jù)庫關(guān)系圖，如圖2所示。Device_Info為節(jié)點(diǎn)關(guān)系表，User_Info為用戶信息表，Temperature_Record為溫度日志表。

    數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)比較繁雜，在這里僅以節(jié)點(diǎn)關(guān)系表I)evice_Info為例進(jìn)行說明。Device_Info表能大致但不能嚴(yán)格地反映出ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這是由于終端節(jié)點(diǎn)位置的關(guān)系，上報(bào)數(shù)據(jù)的過程中，有可能要經(jīng)過二級以上路由轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器。如表2所示，l#監(jiān)測點(diǎn)是指實(shí)際的地點(diǎn)，它下面的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)經(jīng)過的路徑可能并不完全一致，也即是說實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇赡軙?huì)更加復(fù)雜一些。在實(shí)際應(yīng)用中，并不需要十分關(guān)注網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，更多的關(guān)注點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的實(shí)際情況。因此，在設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)關(guān)系表Device_Info時(shí)，不用把ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都反映出來，這樣可以進(jìn)行簡化設(shè)計(jì)，它的結(jié)構(gòu)類似于，如表2所示結(jié)構(gòu)。

    Device_Info表用于構(gòu)造生成節(jié)點(diǎn)樹形邏輯視圖，節(jié)點(diǎn)樹的葉子節(jié)點(diǎn)與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)。節(jié)點(diǎn)樹形邏輯視圖的生成達(dá)到了將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)的邏輯視圖和網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)分離的目的。
    使用．net Framework2．0的TreeView控件，綁定節(jié)點(diǎn)關(guān)系表Device_Info，遞歸生成節(jié)點(diǎn)樹。

2．2 數(shù)據(jù)的查詢與顯示
    運(yùn)行于客戶端瀏覽器的Web頁面可以方便用戶查詢各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。Web頁面采用上方固定，左側(cè)嵌套的框架結(jié)構(gòu)。上方為Head-form．a(chǎn)spx頁面，用于功能菜單的選擇。
    (1)功能菜單選擇。選擇“即時(shí)數(shù)據(jù)”菜單，下方子框架執(zhí)行realtemp．html頁面，若選擇“歷史數(shù)據(jù)”菜單，則下方子框架執(zhí)行history．html頁面。realtemp．html和history．html都為左側(cè)固定的框架結(jié)構(gòu)，左側(cè)重用TreeShowPage．a(chǎn)spx頁面，Tree-ShowPage．a(chǎn)spx頁面用于顯示節(jié)點(diǎn)樹形邏輯視圖；
    (2)若進(jìn)行即時(shí)數(shù)據(jù)查詢，勾中節(jié)點(diǎn)樹葉子節(jié)點(diǎn)的Checkbox，可選擇多個(gè)，右側(cè)子框架執(zhí)行Re—altemper．a(chǎn)spx頁面；若進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)查詢，勾中節(jié)點(diǎn)樹葉子節(jié)點(diǎn)的Checkbox，可選擇多個(gè)，然后選擇日期范圍，右側(cè)子框架執(zhí)行HistoryTemper．a(chǎn)spx頁面；
    (3)遍歷節(jié)點(diǎn)樹，統(tǒng)計(jì)所有Checkbox為選中狀態(tài)的葉子節(jié)點(diǎn)并傳值；
    (4)根據(jù)獲取的頁面間傳送的值進(jìn)行查詢，并分頁顯示查詢結(jié)果。
    查詢即時(shí)數(shù)據(jù)主要算法如下：

    查詢歷史數(shù)據(jù)與查詢即時(shí)數(shù)據(jù)類似，不同之處是多了一個(gè)日期范圍的判斷。使用．net Frame-work2．0的GridView控件，綁定查詢結(jié)果集，可以分頁顯示結(jié)果。

3 測試結(jié)果
    如圖3所示，頁面上方為功能菜單選擇子框架頁面，下方左側(cè)子框架頁面為設(shè)備節(jié)點(diǎn)樹形視圖，下方右側(cè)為數(shù)據(jù)顯示框架頁面。選取MAC地址分別為E280、1480、0703的3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，查看它們上傳溫度數(shù)據(jù)的詳細(xì)信息。數(shù)據(jù)采集頻率大約為兩分鐘一次，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要設(shè)置數(shù)據(jù)采集的時(shí)間間隔。用戶可以方便地查看3個(gè)終端節(jié)點(diǎn)工作的具體情況，為對監(jiān)測環(huán)境的分析提供比較直觀的參考數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語
    為解決當(dāng)前大多數(shù)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)的監(jiān)測及管理系統(tǒng)受空間限制的問題，設(shè)計(jì)了一種基于B／S結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，它將網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的邏輯視圖有效的分離，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端瀏覽器在線監(jiān)測終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能。同時(shí)該數(shù)據(jù)管理平臺(tái)交互性良好，能夠直觀地反映每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的工作情況，為用戶進(jìn)一步分析提供依據(jù)，它的通用性強(qiáng)，可以適當(dāng)調(diào)整數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出滿足自身需求的客戶端軟件?？偟膩碚f，該數(shù)據(jù)管理平臺(tái)普遍適用于基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。