无线传感在校园网中的应用设计

摘 要： 校园网发展无线传感及相关产业的时机日趋成熟。利用无线传感及移动互联网等新技术，把传感器嵌入到教室、实训室、宿舍、图书馆和停车场等并将它们连接起来，形成了“无线传感网络”，然后通过监控中心服务器将“无线传感网络”和各应用软件平台整合起来，将学校教学、学生管理、教学楼宇管理和应用系统进行整合，以提高信息交互的明确性和灵活性，从而实现“无线传感”模式的智能化数字校园。

关键词： 无线传感； 互联网； 智能化； 数字校园

中图分类号：TP29 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）11-27-03

Design and application of wireless sensor in campus network

Zheng Lei， Wang Wenli

（Guangxi International Business Vocational College， Nanning， Guangxi 530007， China）

Abstract： The timing of the development of wireless sensor campus network and related industries has coming. Through the wireless sensing and mobile Internet technology， the sensors are embedded in classrooms， training rooms， dormitories， libraries and parking lots. They are connected together to form "wireless sensor networks". "Wireless sensor networks" and various application software platform are integrated by the monitoring center. The school teaching， student management， teaching building management and application systems are combined to improve the clarity and flexibility of information exchanging to achieve "wireless sensor" mode of intelligent digital campus.

Key words： wireless sensor network； Internet； intelligent； digital campus

0 引言

在学校信息化建设中，面临着各种不同的问题，如网络安全体系脆弱，信息共享和自动化程度都不够完整[1]。如果将无线传感、虚拟化及移动互联网技术整合应用，以完善学校的各个管理系统，形成一个“无线传感”模式的校园，都将提高教学、图书管理、教学办公楼管理等信息交互的明确性和灵活性，从而实现智能化管理的校园模式。

1 “无线传感”技术体系

很早之前就出现了将传感器采用点对点传输、连接传感控制器而构成传感网络[2]。随着科学不断发展，传感网络中的节点处理信息的方式变得多样化，其准确性也大大提高。之后由于互联网的普及和物联网技术的兴起，传感网络也渗透到互联网中，并应用到社会各个领域。无线传感网络是一个全新的信息获取平台，能够实时检测和采集网络分布区域内的各个检测对象的信息，并将这些信息发送到网络节点。无线传感网络可以看成是由数据获取网络、数据网络和控制管理中心三部分组成的。无线传感网络中的每个节点都由传感器、处理单元和通信模块三部分组成，一个或者多个节点相互感应相连，构成一个类似局域网的网络，通过协议，再将得到的数据进行处理后经无线电波传输给控制处理中心。

无线传感技术目前已在移动设备中广泛使用，如蓝牙。在学校，无线传感技术可以以校园网为支撑，通过信息传感设备，按约定的协议实现人与人、人与物、物与物全面互联的网络[3]，其主要特征是通过射频识别、传感器等方式获取物理世界的各种信息，结合互联网、移动通信网等网络进行信息的传送与交互，采用智能计算技术对信息进行分析处理，从而提高对物质世界的感知能力，实现智能化的决策和控制[4]。物联网将传感技术和人工智能相结合，利用云计算模式识别等各种技术，从海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同领域、不同用户的各种需求[5]。

无线传感技术在应用中最关键的就是无线电波感应，我们把这层称为感知层，感知层是无线传感网络的“感觉器官”，主要任务是对经过处理信息进行辨识与分类，是获取信息的关键。感知层的功能和品质决定了无线传感网络获取信息的速度和获取的信息的质量。当感知层获取相应的信息后，数据通过各类无线网络进行传输，这层我们称为传输层。传输层通过传输介质将信息准确定位传输，最常见的两种传输介质是各种无线网络和卫星传输，利用无线网络可以实现短距离的传输，传输速度快而且准确性高。利用卫星传输，其信息传输范围覆盖非常大，但传输速度相对慢[6]。在无线传感网络的传输层，为了保证数据传输的完整性，采用 PSFQ（Pump Slowly，Fetch Quickly）重传机制[7]，如图1所示。

[A＼&][B＼&] [1][2没有到达B][重新请求2][重新发送2][3][4]

图1 PSFQ重传机制

图1中，源节点A可以低速向网络注入数据包，接收点B有足够的时间检测这些数据包是否丢失，在检测到如图1中的数据包2发生丢失时，立刻向A请求重传，一直到接收到指定的数据包，这样利用接收点的延迟机制，保证了数据传输的完整性。数据通过传输层传输，接收点可以利用PC或者云平台对接收的数据要进行处理和存储，这层我们称之为平台层。应用层是对数据的使用，就像互联网的应用层一样，应用有很多，在校园网中，可以应用于教室的管理、宿舍的管理和图书馆的管理等。这四层具体作用如图2所示。无线传感网络中每个节点都具有这四层。

[楼宇管理][智能宿舍][环境监测][更多…][应用层][数据处理中心，如PC][分布式数据处理中心，如云平台][各类无线网络][卫星通信网][读卡器][温度感知][摄像头][更多…] [平台层][传输层][感知层]

图2 无线传感网络的数据处理层

2 “无线传感”模式校园整体结构

无线传感校园建设的核心基础之一就是数据融合平台的建立。数据融合平台的重要作用主要体现在：整合数据资源，统一信息管理。将校园内的各个应用网络整合在一起，实施统一的管理与控制，综合利用各种网络接入手段，提供开放的标准接口，为无线传感校园应用提供网络通信保障。在无线传感校园网中，使用者通过登录界面，依照角色权限，登录到综合信息服务平台，然后在综合信息平台选择各类应用，也就是说综合信息平台式整合校园中各类应用系统，这种登录方式是采用比较安全的以账户密码和角色为安全策略的单点接入方式。

2.1 监控中心

为保证使用者使用数据的准确性，整个无线传感网络中需要有一个监控中心，监控中心最核心的部件就是传感器，它负责数据的采集和处理，进行数据的应用管理，是整个系统的核心。它随时对整个网络进行监控和远程数据访问，对系统的运行和配置数据进行管理，包括配置参数，发送监控命令，收集各应用系统的状态数据和其他配置数据的管理等。接收的数据随着实际情况的变化而变化，保证了数据的实时性。同时，监控中心给使用者提供各综合信息的主界面，相当于网站的主页，使用者可以通过主界面进入各个应用系统。主界面模块主要由监控管理、数据显示和控制面板等组成。将数据以图形化的方式形象直观地展示出来，为用户提供整个无线传感校园网的实时监控。同时，使用者可根据自己的需求来配置和管理系统。

2.2 数据处理

数据处理主要负责系统的数据存储和操作。将采集的实时数据存储到数据库，系统可以根据使用者需要随时调用数据库中存储的数据，为使用者了解相应子应用系统的实时状态提供支撑，比如对于教室管理子系统，可以随时了解教室的使用情况。监控中心所有的信息数据都来至于数据库，如图3所示。

[接收和发送数据

][无线传感校园网监控中心][数据处理中心（数据库）] [校园网] [接收和发送数据]

图3 数据处理模式

图3中，信息的传递主要是靠对应接口，要保证数据的通信，其接口的配置和管理尤为重要。接口是软件主系统对子系统的通道，通过与感知层的数据交互，可以实现使用者对底层硬件的控制。

3 子应用系统

3.1 楼宇管理

无线传感楼宇管理系统通过统一的平台对建筑物内的设备进行自动控制和管理，并对用户提供信息和通信服务。另外对建筑物的所有设备、消防、保安设备等进行综合监控和协调。将楼宇设备管理系统（如电源系统、多媒体教室设备、灯光系统、空调系统等）、办公自动化系统（OA）和通信自动化系统整合联接起来，形成一体化楼宇管理系统。通过各种软件接口集成以上各子系统，通过高速网络和开放的、标准的软件接口进行各系统间的无缝集成，以达到信息共享及系统的联动，并自动完成数据采集、存储、分析等工作，达到对楼宇内所有机电设备进行监视和控制。楼宇管理系统包括监控和管理两层主要功能，它通过主干网络和监控中心联接，将楼宇内的每个子系统集中在同一界面，通过这个界面可以十分方便的实现对楼宇内的各子系统实施监视、控制和管理，操作者可以得到所需的子系统信息，以及控制相关设备。

3.2 图书馆管理

图书管理子系统对读者、图书、文献、书库书架的一体化标识，构架起计算机信息和馆藏文献、读者服务之间的更为方便高效的管理与服务体系。监控中心完成对图书馆所有设备的监视与控制，主要包括自助“借/还”书、安全门禁及图书盘点统计系统等。监控中心能及时发现异常设备，更新软件界面图标状态，自动发出的报警信息。监控中心还能获取异常设备详细信息。

3.3 车位状态感知

每个传感器节点通过超声波对车位信息进行检测，检测完后，通过微控制器进行处理，并将检测后的信息通过总线发送到数据处理设备上，数据处理设备处理好数据后通过接口传送到监控中心，然后再自动将数据写入到数据库中。应用终端可以通过访问数据库的数据，然后对车位状态进行管理。

3.4 重点人物位置感知

感知目标信息的节点将感知信息广播（无线）传送到管理节点，再由管理节点融合感知信息，对目标位置进行判断。由于无线传感具有扩展性强、实时性和隐蔽性好等特点，所以非常适合对运动目标进行跟踪定位。目标定位应用可以分为侦测、定位、报告三个阶段。在侦测阶段，每个传感器节点随机“启动”以探测目标，并在目标出现后计算自身到目标的距离，同时向网络广播包括节点位置及与目标的距离等内容的信息。

3.5 校园环境感知

随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络在校园指定点安装传感器，感知这些指定点的温度、湿度、空气质量等相关信息，将这些信息返回监控中心，然后现在显示在监控中心的主界面。该子系统主要由数据采集端和移动监控终端两部分组成。在数据采集端，利用传感器实现对环境的实时监测，把所采集到的数据通过无线传输模块传送到移动监控终端。在移动监控终端，接收数据，将处理后的环境参数数据进行显示。

将上述所有子系统整合起来，无线传感校园总体应用框架如图4所示。

图4 无线传感校园网设计

4 结束语

本文对在校园网中应用无线传感技术方案进行了详细设计。从“无线传感”技术体系出发，首先设计了整体结构，并对无线传感网络的数据传输处理进行设计，最后对监控中心的综合应用平台中楼宇管理子系统、图书馆管理子系统、车位状态感知子系统、重点人物定位子系统和校园环境子系统进行了详细的说明和设计，形成了一个完整的“无线传感模式”的校园网。

无线传感技术和产业的发展将引发新一轮信息技术革命和产业革命，是信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力[8]。由无线传感技术引申出的物联网概念是庞大和丰富的，物联网的应用将更为广泛。如果将物联网、云计算服务和校园网的各软件系统整合起来，这又将是新一轮的技术革命。

无线传感网络中，传感器感知的数据是整个网络的核心，建设统一身份认证平台和综合信息服务平台，并建立安全高效、统一共享的数据中心是重中之重[9]。就目前而言，在校园网中实现“无线传感模式”，还面临着许多问题。

⑴ 网络内通信问题。无线传感器网络内正常通信联系中，信号可能被一些障碍物或其他电子信号干扰，如何安全有效进行通信是个有待研究的问题。

⑵ 成本问题。在一个无线传感器网络中，需要使用数量庞大的微型传感器，这样成本会制约其发展。

⑶ 高效的无线传感器网络结构。无线传感器网络的结构是组织无线传感器的成网技术，有多种形态和方式，合理的无线传感器网络可以最大限度地利用资源。在其中还包括网络安全协议问题和大规模传感器网络中的节点移动性管理问题等有待解决。

参考文献：

[1] 王薪宇.CC430无线传感网络单片机原理与应用[M].北京航空航天

大学出版社，2011.

[2] 张西红.无线传感网技术及其军事应用[M].国防工业出版社，2010.

[3] 王小强.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].化学工业出版社，

2012.

[4] 无线龙.现代无线传感网概论[M].冶金工业出版社，2011.

[5] 贾灵.物联网/无线传感网原理与实践[M].北京航空航天大学出版社，

2011.

[6] 孙利民.无线传感器网络[M].清华大学出版社，2005.

[7] 高守玮.ZigBee技术实践教程：基于CC2430/31的无线传感器网络

解决方案[M].北京航空航天大学出版社，2009.

[8] 崔逊学.无线传感器网络的领域应用与设计技术[M].国防工业出版

社，2009.

[9] 谭励.无线传感器网络理论与技术应用[M].机械工业出版社，2011.