基于tdoa的超聲波室內(nèi)定位系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1、<p>　　一種基于WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)</p><p>　　劉紅義1,2 趙方1 李朝暉1 羅海勇2 宋茂強(qiáng)1</p><p>　　1 (北京郵電大學(xué), 軟件學(xué)院, 北京 100876)</p><p>　　2(中國科學(xué)院計算技術(shù)研究所, 普適計算研究中心, 北京 100080)</p><p&

2、gt;　　(sixredone@163.com)</p><p>　　摘要：本文設(shè)計及實現(xiàn)了一種基于WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了基于SoC的低功耗、小型化的WiFi傳感器節(jié)點(diǎn)采集室內(nèi)外環(huán)境信息，并通過Internet向遠(yuǎn)程用戶提供實時監(jiān)測服務(wù)。該系統(tǒng)具有功耗小、成本低、部署方便等優(yōu)勢。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；WiFi；室內(nèi)外；遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)&l

3、t;/p><p>　　中圖分類號： TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 文章編號： 9010</p><p>　　Design and Implementation of an Indoor and Outdoor Environment Remote Monitoring System based on WiFi Sensor Network</p><p>

4、;　　Liu Hong-yi1,2 Zhao Fang1 Li Zhao-hui1 Luo Hai-yong2 Song Mao-qiang1</p><p>　　1 ( Beijing University of Posts and Telecommunications, School of Software Engineering, Beijing 100876, China) </p>

5、<p>　　2 (Institute of Computing Technology, CA S, Pervasive Computing Research Center, Beijing 100080, China)</p><p>　　Abstract An indoor and outdoor environment remote monitoring system based on WiFi

6、Sensor Network was introduced in this paper. The system uses low power consumption and miniaturization WiFi sensor nodes, based on the SoC, collecting indoor and outdoor environmental information, and provides real-time

7、monitoring service to remote users through the Internet. The system has the advantages low power consumption, low cost, facilitated deployment and so on. </p><p>　　Key words Wireless Sensor Network; WiFi; In

8、door and Outdoor; Remote Monitoring System</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）具有感知、計算、無線通信能力和控制功能，廣泛應(yīng)用于國防、軍事、環(huán)境監(jiān)控和設(shè)施農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域[1,2]。</p><p>　　WiF

9、i（Wireless Fidelity）是一種目前得到廣泛應(yīng)用的短距離無線通信協(xié)議[3]，具有成本低、部署方便等優(yōu)勢。本文采用GainSpan公司開發(fā)的低功耗雙核SoC（System on Chip）芯片GS1010構(gòu)建了基于WiFi網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，并設(shè)計了WSN-Internet應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)WSN和Internet的協(xié)議數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換，以及溫濕度、光照度等環(huán)境數(shù)據(jù)信息的融合。該系統(tǒng)利用目前已經(jīng)得到廣泛部署的WiFi網(wǎng)絡(luò)，可

10、隨機(jī)接入因特網(wǎng)，是一種比較理想的室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測解決方案。</p><p>　　1 WiFi傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境監(jiān)測特點(diǎn)，本文采用了圖1所示系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該系統(tǒng)主要由分布在室內(nèi)外內(nèi)的WiFi傳感節(jié)點(diǎn)（Node）、數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)（Sink）和系統(tǒng)管理中心（網(wǎng)關(guān)）等三部分組成。其中WiFi傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)定期采集室內(nèi)外環(huán)境信息（溫濕度、光照度等），數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收

11、WiFi傳感節(jié)點(diǎn)采集的各種數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)匯集節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)基于WiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)管理中心負(fù)責(zé)將WSN網(wǎng)絡(luò)接入Internet，并對數(shù)據(jù)包的相關(guān)信息（溫濕度、光照度等）進(jìn)行提取和解析，然后存儲到數(shù)據(jù)庫，供以后分析和顯示用。</p><p><b>　　圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b></p><p>　　基于WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中監(jiān)

12、測的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)主要包含以下功能模塊：(1)網(wǎng)絡(luò)接口模塊：對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽；(2)數(shù)據(jù)處理模塊：解析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包、分析數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，對解析好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類；(3)命令發(fā)送模塊：接收browser部分的命令設(shè)置請求，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的屬性進(jìn)行設(shè)置；(4)定位計算模塊：讀取節(jié)點(diǎn)的位置信息，發(fā)送到WEB接口用于節(jié)點(diǎn)圖像在browser部分的顯示；(5)數(shù)據(jù)庫操作模塊：在服

13、務(wù)器端完成數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作及上載地圖的存儲功能、異常事件告警和日志存儲功能。</p><p>　　圖2 室內(nèi)外WSN監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　2 室內(nèi)外遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　2.1 WiFi傳感節(jié)點(diǎn)</p><p>　　WiFi傳感節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊（SH11/TSL2550）、處理及無線電通信模塊（GS1010

14、）和電源供應(yīng)模塊三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。</p><p>　　圖3 基于GS1010的傳感節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　傳感器模塊集成了SH11和TSL2550等傳感器，它們分別負(fù)責(zé)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)溫濕度和光照度信息的采集，該信息均為數(shù)字信號輸出，無需A/D轉(zhuǎn)換[4]。處理及無線傳輸模塊采用了低功耗高集成度的SoC芯片GS1010，負(fù)責(zé)完成整個傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲、處理和無線收發(fā)操作。電

15、源供應(yīng)模塊為傳感節(jié)點(diǎn)提供正常運(yùn)行所需要的能量，本文采用3.6VDC5號AA電池供電，并使用開關(guān)電源提供GS1010工作所需的1.8VDC。</p><p>　　GS1010 SoC芯片使用了兩個ARM7處理器，其中一個為應(yīng)用處理器，內(nèi)部集成了Flash和SRAM等存儲器，外擴(kuò)了兩個ADC、I2C、GPIO等接口，用于接收傳感器采集的模擬和數(shù)字信息。另一個處理器集成了802.11b/g的MAC/PHY層，主要負(fù)責(zé)無

16、線數(shù)據(jù)收發(fā)。該芯片支持IEEE802.11b/g/n等協(xié)議棧。 </p><p>　　2.2服務(wù)器軟件平臺</p><p>　　本系統(tǒng)服務(wù)器端軟件開發(fā)采用了J2EE技術(shù)，系統(tǒng)平臺包含視圖層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層等三層結(jié)構(gòu)。其中視圖層采用Ajax+Jsp技術(shù)，客戶端可以使用多種方式顯示室內(nèi)外環(huán)境信息。客戶端基于Ajax無刷新技術(shù)和異步通信技術(shù)[5]，定期主動向服務(wù)器端發(fā)出請求，以獲取最新的

17、環(huán)境信息。業(yè)務(wù)邏輯層采用Servlet技術(shù)響應(yīng)客戶端發(fā)出的各種請求，它利用Socket套接字監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)是否有數(shù)據(jù)包到達(dá)，還可根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境的變化發(fā)送指令數(shù)據(jù)包。業(yè)務(wù)邏輯層不僅要負(fù)責(zé)完成對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包和解析，并使用Servlet技術(shù)把相關(guān)信息發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，而且還要對Servlet接收到的用戶指令進(jìn)行打包，然后發(fā)送到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)WSN和Internet網(wǎng)絡(luò)的相互融合。數(shù)據(jù)訪問層采用Hibernate技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問，

18、Hibernate技術(shù)采用對象/關(guān)系映射模型，有效屏蔽了底層數(shù)據(jù)庫，為業(yè)務(wù)邏輯層提供各種數(shù)據(jù)操作接口，實現(xiàn)軟件開發(fā)的模塊化。</p><p>　　服務(wù)器軟件主要包括以下兩大功能：</p><p>　?。?）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集和管理</p><p>　　這部分功能進(jìn)一步細(xì)化為網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)提取分類和定位算法接口等。它們主要負(fù)責(zé)接收來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)

19、包，在對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分解后，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，完成環(huán)境監(jiān)測和傳感網(wǎng)的管理功能。定位算法接口讀取節(jié)點(diǎn)位置的相關(guān)配置文件，對節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化。</p><p>　　（2）監(jiān)測數(shù)據(jù)的組織與管理</p><p>　　這部分主要包括數(shù)據(jù)庫接口、數(shù)據(jù)處理、命令發(fā)送接口和WEB接口。當(dāng)WEB接口發(fā)現(xiàn)修改網(wǎng)絡(luò)屬性請求時，向傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送修改屬性命令。將封裝好的數(shù)據(jù)發(fā)送給WEB接口，響應(yīng)browser部

20、分的數(shù)據(jù)請求，完成采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫存儲操作，并對日志進(jìn)行記錄，接收WEB接口發(fā)來的數(shù)據(jù)庫索引請求提取相應(yīng)數(shù)據(jù)給WEB接口，對節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息（包含位置信息）進(jìn)行封裝。</p><p>　　服務(wù)器的工作流程圖如圖4所示。</p><p>　　圖4服務(wù)器工作流程圖</p><p>　　服務(wù)啟動后，等待客戶端請求，客戶端向服務(wù)器提出請求，服務(wù)器接受請求并判斷請求類型，主要請

21、求類型有室內(nèi)外環(huán)境實時監(jiān)控、歷史記錄查詢、控制WSN命令、節(jié)點(diǎn)定位和一般性命令。當(dāng)服務(wù)器接收到客戶端請求室內(nèi)外環(huán)境實時監(jiān)控，則服務(wù)器通過Socket監(jiān)聽WSN數(shù)據(jù)包，監(jiān)聽不成功，則繼續(xù)監(jiān)聽；監(jiān)聽成功，則接收數(shù)據(jù)包，并進(jìn)行解析，將解析后的數(shù)據(jù)包反饋給客戶端，并寫入數(shù)據(jù)庫。當(dāng)接收到其它類型的請求時，服務(wù)器根據(jù)不同的請求，做出相應(yīng)的處理，服務(wù)器將處理后的結(jié)果反饋給客戶端。若收到服務(wù)關(guān)閉命令，退出服務(wù)。</p><p>

22、<b>　　2.3數(shù)據(jù)監(jiān)聽</b></p><p>　　網(wǎng)關(guān)使用Socket編程對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽，并接收傳感器數(shù)據(jù)。該監(jiān)聽機(jī)制采用JAVA語言實現(xiàn)，其偽代碼如下：</p><p>　　______________________________________________</p><p>　　初始化服務(wù)器TCP Channel（）綁

23、定的端口號為8155：</p><p>　　初始化Selector對象：</p><p>　　初始化服務(wù)器TCP Channel對象：</p><p>　　獲取服務(wù)器TCP Channel對應(yīng)的ServerSocket對象:</p><p>　　把Socket綁定到監(jiān)聽端口8155上:</p><p>　　將服務(wù)器TC

24、P Channel設(shè)置為非阻塞模式:</p><p>　　將服務(wù)器TCP Channel注冊到Selector對象，并指出服務(wù)器TCP Channel對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的操作為可接受請求操作：</p><p>　　while (true)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　應(yīng)用Select機(jī)

25、制輪循是否有用戶感興趣的新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生，當(dāng)沒有新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生時，此方法會阻塞，直到有新的網(wǎng)絡(luò)事件發(fā)生為止：</p><p><b>　　}</b></p><p>　　得到活動的網(wǎng)絡(luò)連接選擇鍵的集合：</p><p>　　循環(huán)遍歷整個選擇鍵集合:</p><p>　　while (keys.size>0)<

26、;/p><p><b>　　{</b></p><p>　　如果關(guān)鍵字狀態(tài)是為可接受，則接受連接，注冊通道，以接受更多的事件，進(jìn)行相關(guān)的服務(wù)器程序處理;</p><p>　　if(key.isReadable())</p><p><b>　　{</b></p><p>　　如果

27、關(guān)鍵字狀態(tài)為可讀，則說明TCP Channel是一個客戶端的連接通道，進(jìn)行相應(yīng)的讀取客戶端數(shù)據(jù)的操作</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(key.isWritable())</p><p><b>　　{</b></p><p>　　如果關(guān)鍵字狀態(tài)為可寫，則也說明Cha

28、nnel是一個客戶端的連接通道，進(jìn)行相應(yīng)的向客戶端寫數(shù)據(jù)的操作</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　______________________________________________</p><p>　　通過使用NIO工具包進(jìn)

29、行并發(fā)型程序設(shè)計，僅僅使用一個或者很少幾個Socket線程，就可以處理成千上萬個活動的Socket連接，可大大降低服務(wù)器端程序開銷。網(wǎng)絡(luò)I/O采取非阻塞模式，線程不再在讀或?qū)憰r阻塞，操作系統(tǒng)可以更流暢地讀寫數(shù)據(jù)并可以更有效地向CPU傳遞數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高系統(tǒng)性能。 </p><p><b>　　2.4數(shù)據(jù)包解析</b></p><p>　　本系統(tǒng)產(chǎn)生服務(wù)、管理和應(yīng)用等

30、三類數(shù)據(jù)包。服務(wù)數(shù)據(jù)包用于建立和維護(hù)一個網(wǎng)絡(luò)連接，它們包括802.11的MAC層掃描、認(rèn)證幀，以及ARP數(shù)據(jù)包和DHCP數(shù)據(jù)包。在網(wǎng)絡(luò)連接、釋放和重新載入過程中，這些數(shù)據(jù)包會在無線局域網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧中自動發(fā)送。管理數(shù)據(jù)包在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS）之間傳送，這些數(shù)據(jù)包格式遵循簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）。數(shù)據(jù)包的交互流程如圖5所示。</p><p>　　圖5 數(shù)據(jù)包流交互流程</p><p&

31、gt;　　服務(wù)器監(jiān)測底層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生數(shù)據(jù)時，以數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送到服務(wù)器網(wǎng)關(guān)。節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如圖6所示。</p><p>　　圖6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包格式</p><p>　　圖6中TimeStamp、NodeID、SequenceNumber、Data項為必選項。TimeStamp項包含4字節(jié)長的時間戳；NodeID項以6字節(jié)MAC地址形式標(biāo)識節(jié)點(diǎn)ID號；Seque

32、nceNumber項是一個將所有連續(xù)發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)目累加的計數(shù)器，用來測試網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)包發(fā)送錯誤率。Data項長度取決于網(wǎng)絡(luò)中采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，包含了光照數(shù)值、溫度數(shù)值、節(jié)點(diǎn)電壓、節(jié)點(diǎn)RSSI值等信息。</p><p><b>　　3.實驗結(jié)果</b></p><p>　　為了驗證本文設(shè)計的室內(nèi)外遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)有效性和實用性，作者分別在北京郵電大學(xué)明光樓和中科院計算所搭建

33、了實驗系統(tǒng)，對科研大樓內(nèi)的溫濕度、光照度等信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測?；谠撓到y(tǒng)，用戶使用瀏覽器，不僅可以在遠(yuǎn)程觀測到實驗現(xiàn)場的環(huán)境信息，而且還可以獲得實驗現(xiàn)場環(huán)境信息的歷史統(tǒng)計情況。此外，根據(jù)應(yīng)用需求，本文通過動態(tài)增加WiFi節(jié)點(diǎn)的休眠時間，有效延長了節(jié)點(diǎn)的電池使用壽命。</p><p>　　數(shù)據(jù)監(jiān)測結(jié)果以線性圖方式動態(tài)顯示監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)變化。環(huán)境數(shù)據(jù)的歷史查詢除了可以直接查詢所有記錄外，還支持按小時、按天、按月和按年平

34、均。</p><p><b>　　4總結(jié)</b></p><p>　　本文設(shè)計和實現(xiàn)了一個基于WiFi傳感器網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)外環(huán)境信息實時遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)與網(wǎng)關(guān)通信并利用Socket監(jiān)聽程序接收數(shù)據(jù)包，進(jìn)而解析數(shù)據(jù)包并將解析后的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)已經(jīng)開始部署并將不斷推廣使用。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b>

35、;</p><p>　　[1]孫利民、李建中、陳渝、朱紅松. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò). 北京: 清華大學(xué)出版社. 2005.</p><p>　　[2]羅凱、李淼、胡澤林. 基于WSN的農(nóng)業(yè)信息遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn). 自動化與儀器儀表. 2008 No.4 pp.14 -17 </p><p>　　[3]杜毓聰、金連文. 通過WiFi移動IP網(wǎng)絡(luò)操控家用機(jī)器人方案在PD

36、A上的實現(xiàn).計算機(jī)應(yīng)用. 2009 Vol.29 No.7 pp.1865-1867</p><p>　　[4]王琳、別紅霞、李錦濤、羅海勇、王非. 煤礦瓦斯報警無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計與實現(xiàn). 電子技術(shù)應(yīng)用. 2006 Vol.32 No.5 pp.71-73</p><p>　　[5]許川佩、張民、張婧. 基于Ajax的J2EE安全應(yīng)用框架. 計算機(jī)工程. 2010 Vol.36 No.

37、4 pp.110-111</p><p><b>　　作者簡介:</b></p><p>　　劉紅義（1984—），男，北京郵電大學(xué)碩士生。研究方向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，多媒體技術(shù)(郵箱：sixredone@163.com ; 電話：15210833050 )</p><p>　　趙方(1968-)，女，博士，副教授。研究方向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，下一代網(wǎng)