張衛(wèi)江，周 杰，杜景林

（南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044）

0 引 言

傳統(tǒng)的氣象自動站都是屬于集中式的，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對比較封閉，而不同廠商生產(chǎn)的傳感器交互性差，不利于構(gòu)建異構(gòu)的氣象無線傳感網(wǎng)。為了保證傳統(tǒng)氣象站觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，每進(jìn)行一次維護(hù)或者更換氣象傳感器設(shè)備，氣象部門都需要重新校準(zhǔn)標(biāo)度，這樣既提高了維護(hù)費(fèi)用，也浪費(fèi)了人力資源。面對以上種種弊端，網(wǎng)絡(luò)型的自動氣象站成為一種發(fā)展趨勢［1］。本文提出的氣象無線傳感網(wǎng)是由多種不同類型的氣息信息傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以自主地采集信息，數(shù)據(jù)通過多跳路由發(fā)送到匯集節(jié)點(diǎn) （sink node），匯聚節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或者無線方式 （GPRS、GSM）發(fā)送到遠(yuǎn)程中間件，中間件對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、融合、存儲，并實(shí)時(shí)維持與終端用戶的通信［2］。中間件的設(shè)計(jì)［3］充分保證了氣象信息獲取的準(zhǔn)確性、及時(shí)性以及可靠性，實(shí)現(xiàn)了底層硬件設(shè)備和應(yīng)用程序的無縫連接。

1 關(guān)鍵要點(diǎn)

1.1 中間件技術(shù)

氣象無線傳感網(wǎng)是一個(gè)典型的異構(gòu)無線傳感網(wǎng)［4］，其內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)通常用于監(jiān)控不同的氣象要素 （溫濕度、氣壓、光照等），以滿足不同的業(yè)務(wù)需求。這些節(jié)點(diǎn)可能來自不同的供應(yīng)商，它們采用不同的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，建立一個(gè)用于采集氣象信息的網(wǎng)絡(luò)。采集到的數(shù)據(jù)存放在一個(gè)集中的位置，在此之后，數(shù)據(jù)將被加密發(fā)送到相應(yīng)的應(yīng)用程序或等待應(yīng)用請求。不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用程序可以通過不同的平臺 （如PDA、Smartphone、PC）將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以便得到一個(gè)有意義的輸出值。一旦數(shù)據(jù)被接收和處理后，業(yè)務(wù)應(yīng)用程序可以改變WSN的配置，以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期［5］。例如，可以通過減少節(jié)點(diǎn)的數(shù)目或者在夜間關(guān)閉部分節(jié)點(diǎn)，以減少節(jié)點(diǎn)的功耗。圖1給出了WSN系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)。

圖1 WSN系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

中間件作為平臺和應(yīng)用之間的通用服務(wù)技術(shù)，其將應(yīng)用集成進(jìn)行簡化，增強(qiáng)了應(yīng)用的生命力。為了更好地支持應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、部署、執(zhí)行和維護(hù)，確保系統(tǒng)的無縫連接，提高應(yīng)用程序的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，結(jié)合氣象無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的中間件滿足以下幾個(gè)要求［6］：

（1）代理模式：中間件扮演一個(gè)代理的角色，它處理來自應(yīng)用程序的請求。

（2）并行處理：一個(gè)中間件必須支持多線程來處理所有來自業(yè)務(wù)應(yīng)用層的請求，并實(shí)現(xiàn)最小延遲。

（3）數(shù)據(jù)交換模式：中間件必須要能夠處理兩種主要類型的數(shù)據(jù)交換模型，即拉和推模型。拉模型需要中間件處理來自業(yè)務(wù)應(yīng)用程序的請求，這就要求中間件可以按照一個(gè)預(yù)定義的格式來收集和整合數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送給業(yè)務(wù)應(yīng)用層。推模型需要中間件能夠支持發(fā)布／訂閱模式，以便能夠?qū)崿F(xiàn)和業(yè)務(wù)應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

（4）動態(tài)綁定功能：中間件必須能夠動態(tài)擴(kuò)展其功能以便在運(yùn)行時(shí)可以允許新的內(nèi)部服務(wù)接入，在不需要時(shí)也能夠?qū)⑵湟瞥?/p>

（5）軟件服務(wù)：這一特征定義，中間件組件必須建立一套服務(wù)以適應(yīng)來自業(yè)務(wù)應(yīng)用層的不同類型的請求。一個(gè)單一的中間件的基本服務(wù)應(yīng)該是相互分離，并且它們的交互操作可以動態(tài)定義。每一個(gè)應(yīng)用程序都可以根據(jù)相應(yīng)的流程定義來訪問其指定的服務(wù)。

1.2 C／B／S混合模式

中間件與底層通信采用C／S模式，通過選用客戶機(jī)（Linux操作平臺）、中間件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器三級模式，并將應(yīng)用業(yè)務(wù)邏輯定位在中間件層，從而提高了系統(tǒng)開發(fā)的靈活性、可靠性、安全性，維護(hù)比較容易，同時(shí)功能也易于擴(kuò)展。

與Web端通信采用B／S模式，終端用戶通過瀏覽器向中間件發(fā)送請求后，瀏覽器與中間件之間通過 WebSocket［7－8］建立連接，然后客戶端將請求的信息以預(yù)定義的格式發(fā)送給中間件，中間件將對客戶端的請求做出響應(yīng)處理，再將應(yīng)答信息以預(yù)定義的格式返回給客戶端。

1.3 氣象數(shù)據(jù)特點(diǎn)

1.3.1 氣象數(shù)據(jù)的類型

氣象數(shù)據(jù)的類型繁多，內(nèi)容也比較豐富。按照內(nèi)容可以分為常規(guī)和特殊觀測資料，比如我們熟知的溫濕度、氣壓、光照、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等就屬于常規(guī)觀測資料，雷達(dá)、衛(wèi)星云圖、全球定位系統(tǒng)等探測資料則屬于特殊觀測資料。本文主要是對一些常規(guī)氣象觀測資料進(jìn)行解析、挖掘、存儲，同時(shí)將常規(guī)氣象資料與雷達(dá)、衛(wèi)星云圖等特殊觀測資料進(jìn)行融合，得出有用的決策信息。

1.3.2 氣象數(shù)據(jù)的格式

氣象數(shù)據(jù)格式的標(biāo)準(zhǔn)化有利于數(shù)據(jù)的處理［9］，圖2給出了數(shù)據(jù)包的類圖關(guān)系。該格式采用16進(jìn)制的字節(jié)數(shù)組存儲觀測到的數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是：字節(jié)數(shù)組便于網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的傳輸，可以直接進(jìn)行解析；數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位，如果傳輸過程中出現(xiàn)丟包，可以通過預(yù)定義的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行判斷，減小數(shù)據(jù)損失；該數(shù)據(jù)格式的可擴(kuò)展性、靈活性較強(qiáng)，使用廣泛。

圖2 數(shù)據(jù)包類圖關(guān)系

2 中間件總體框架的設(shè)計(jì)

2.1 中間件的框架設(shè)計(jì)

根據(jù)氣象無線傳感網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，中間件的具體模塊設(shè)計(jì)如圖3所示［10］。本文所設(shè)計(jì)的中間件位于匯集節(jié)點(diǎn)（sink node）和終端用戶 （Web客戶端）之間，主要負(fù)責(zé)氣象無線傳感網(wǎng)和工作人員的交互，包括基本信息的初始化，報(bào)警閾值的設(shè)定和報(bào)警信息的確認(rèn)、分析、處理，對節(jié)點(diǎn)的指令下達(dá)操作，以及對不同類型的氣象要素傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。各模塊的具體功能描述如下［11－12］：

（1）服務(wù)管理模塊：主要由應(yīng)用服務(wù)管理和應(yīng)用服務(wù)接口兩部分組成。其中應(yīng)用服務(wù)管理負(fù)責(zé)處理來自Web端及底層Sink Node的服務(wù)請求信息，而應(yīng)用服務(wù)接口則是負(fù)責(zé)初始化通信接口及相關(guān)配置信息。

（2）元信息模塊：主要包括 Web端用戶、Sink Node、Sensor Node的基本信息。元數(shù)據(jù)主要有兩種類型，即靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)。靜態(tài)數(shù)據(jù)包括Web端用戶的編號、用戶名，節(jié)點(diǎn)的編號、地理位置信息以及節(jié)點(diǎn)的芯片類型等，而動態(tài)數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的剩余電量、節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)的存儲空間等。

（3）狀態(tài)信息模塊：主要記錄Sink Node和Sensor Node當(dāng)前的工作狀態(tài)，并將相關(guān)信息存儲到數(shù)據(jù)庫中，以便實(shí)時(shí)維護(hù)整個(gè)氣象無線傳感網(wǎng)，延長網(wǎng)絡(luò)生命周期。

（4）數(shù)據(jù)解析模塊：主要負(fù)責(zé)從底層網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析、轉(zhuǎn)換、存儲，該模塊是整個(gè)中間件的一個(gè)核心部分。

（5）指令下達(dá)和查詢模塊：主要負(fù)責(zé)指令的下達(dá)以及處理客戶端的查詢請求。該模塊首先要判斷來自Web客戶端的數(shù)據(jù)包內(nèi)容是屬于指令操作還是查詢操作，然后根據(jù)判斷結(jié)果調(diào)用相應(yīng)的處理方法。

（6）路由信息模塊：主要是根據(jù)解析的數(shù)據(jù)包內(nèi)容，將各節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的路由信息記錄到數(shù)據(jù)庫相應(yīng)的數(shù)據(jù)表中。路由信息主要包括節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過的中繼節(jié)點(diǎn)的ID號、最終到達(dá)的Sink Node的ID號以及所經(jīng)過的跳數(shù)。

2.2 中間件的工作模式

圖4所示為中間件的工作模式，其中中間件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和終端用戶之間相互通信，組成網(wǎng)狀模型。中間件建立氣象傳感器數(shù)據(jù)接收線程，當(dāng)接收到傳感器數(shù)據(jù)包后，判斷數(shù)據(jù)包是否符合相應(yīng)的協(xié)議并對其進(jìn)行合法性和完整性驗(yàn)證。數(shù)據(jù)包通過合法性檢驗(yàn)后，再根據(jù)預(yù)先定義好的數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行解析，對實(shí)時(shí)性要求比較高的數(shù)據(jù)，例如傳感器數(shù)值超過報(bào)警閾值或者部分傳感器不能正常工作，將及時(shí)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給各終端用戶，提示其訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行更新操作［13］。在該工作模式中，終端用戶也可以直接訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，這樣既降低了中間件的負(fù)載，也使實(shí)時(shí)性得到了保證。

圖3 中間件總體架構(gòu)

圖4 中間件的工作模式

3 中間件軟件平臺的設(shè)計(jì)

結(jié)合氣象無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)及需求分析，中間件主要有兩大功能：①氣象無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集、解析、挖掘、融合、存儲；②通過對節(jié)點(diǎn)的指令操作來優(yōu)化整個(gè)氣象無線傳感網(wǎng)，以延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

3.1 匯集節(jié)點(diǎn)C／S模式通信設(shè)計(jì)

與匯聚節(jié)點(diǎn)通信的具體流程如圖5所示。氣象無線傳感網(wǎng)對實(shí)時(shí)性的要求較高，這也是衡量整個(gè)系統(tǒng)

好壞的一個(gè)重要指標(biāo)。氣象信息的生成可以分為定時(shí)數(shù)據(jù)包信息和即時(shí)數(shù)據(jù)包信息。其中定時(shí)數(shù)據(jù)包信息的生成周期是固定的、系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的，而即時(shí)數(shù)據(jù)包信息的生成就比較隨機(jī)，其可能來自Web端的即時(shí)數(shù)據(jù)查詢請求或者報(bào)警信息等。

圖5 與匯聚節(jié)點(diǎn)通信流程

中間件作為代理人，首先需要解析接收到的數(shù)據(jù)包，以確定其類型：①如果是來自Web端的歷史數(shù)據(jù)查詢，則可以直接訪問數(shù)據(jù)庫獲取存儲記錄，這些記錄是氣象傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，屬于定時(shí)數(shù)據(jù)包；②對Web端指令的處理，中間件反饋的應(yīng)答數(shù)據(jù)包均屬于即時(shí)數(shù)據(jù)包，因?yàn)橹噶钍羌磿r(shí)產(chǎn)生的。例如想查詢氣象無線傳感網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的最新狀態(tài)，則需要直接對相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作，此時(shí)返回的是即時(shí)數(shù)據(jù)包；③如果監(jiān)測到某個(gè)類型的氣象傳感器數(shù)值超過了設(shè)定的閾值，則會生成報(bào)警數(shù)據(jù)包發(fā)送給Web端，該包也屬于即時(shí)數(shù)據(jù)包。

將數(shù)據(jù)包正確解析后，中間件將根據(jù)解析出來的內(nèi)容選擇存入數(shù)據(jù)庫或者采取進(jìn)一步的操作。

3.2 Web頁面B／S模式通信設(shè)計(jì)

WebSocket是一種瀏覽器和服務(wù)器之間全雙工通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)消息的主動 “推送”和 “拉取”。本文所設(shè)計(jì)的中間件軟件與Web端的實(shí)時(shí)通信采用的就是WebSocket技術(shù)［14］，瀏覽器使用的Chrome，具體實(shí)現(xiàn)的步驟如下：

（1）Web客戶端發(fā)送連接請求，通過創(chuàng)建 WebSocket對象，綁定到中間件的IP地址和端口號：ws＝new Websocket （"ws：／／" ＋document.getElementById （"Connection"））.value）；

（2）中間件根據(jù)http header判斷是否是 WebSocket請求，如果是，則通過Connection：Upgrade將請求升級為一個(gè)WebSocket連接；

（3）握手成功后，Web客戶端和中間件將進(jìn)入雙向長連接的數(shù)據(jù)傳輸階段，通過 ws.onopen、ws.onmessage、ws.onclose、ws.onerror等方法進(jìn)行通信。

WebSocket的數(shù)據(jù)傳輸是基于幀的方式，以0x00表示數(shù)據(jù)開始，0xff表示數(shù)據(jù)結(jié)束，數(shù)據(jù)采用的編碼方式是UTF8。在對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，需要對兩個(gè)字節(jié)的幀頭數(shù)據(jù)進(jìn)行按位解析，以判斷傳輸?shù)南㈩愋汀⑹欠裼醒诖a、傳輸數(shù)據(jù)的長度等基本信息［15］。圖6給出了與 Web端通信處理的流程圖。

圖6 與Web通信處理流程

4 系統(tǒng)運(yùn)行

本系統(tǒng)采用C＃語言和最新的ASP.NET技術(shù)編程，同時(shí)結(jié)合Oracle數(shù)據(jù)庫來存儲解析后的數(shù)據(jù)，便于歷史記錄的查詢。系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境為 Windows XP Professional SP3，實(shí)際的運(yùn)行效果表明該系統(tǒng)各項(xiàng)性能良好，能夠滿足中間件開發(fā)設(shè)計(jì)的功能要求。圖7給出了系統(tǒng)運(yùn)行部分效果圖。

5 結(jié)束語

圖7 部分運(yùn)行效果

基于氣象無線傳感網(wǎng)的中間件平臺軟件，提高了氣象數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性，并大大降低了應(yīng)用程序開發(fā)的復(fù)雜性。該方案：①有效地集成了中間件的各項(xiàng)業(yè)務(wù)需求，并充分利用現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)具有統(tǒng)一業(yè)務(wù)架構(gòu)的中間件軟件平臺；②系統(tǒng)采用C／B／S混合模式進(jìn)行開發(fā)，各功能進(jìn)行了模塊化的設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的擴(kuò)展；③與Web端采用WebSocket的通信技術(shù)，與傳統(tǒng)的AJAX長輪詢相比［16］，本系統(tǒng)為Web實(shí)時(shí)通信提供了低網(wǎng)絡(luò)吞吐量、低延時(shí)的解決方案，進(jìn)一步保證了氣象信息獲取的實(shí)時(shí)性。在接下來的研究中，將逐步優(yōu)化各模塊的設(shè)計(jì)，在保證系統(tǒng)高性能運(yùn)行的同時(shí)不斷集成更多的功能。

［1］GAO Taichang，LIU Xichuan，LIU Lei，et al.Current and prospective development of the automatic weather station and meteorological sensor ［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2008，29 （8）：127－133 （in Chinese）. ［高太長，劉西川，劉磊，等.自動氣象站及氣象傳感器發(fā)展現(xiàn)狀和前景分析［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2008，29 （8）：127－133.］

［2］CUI Bingjian，DONG Weihong，HUANG Yueqing，et al.Study and design of wireless meotorological sensor network［J］.Environmental Science ＆ Technology，2010，33 （6E）：55－57（in Chinese）.［崔炳儉，董衛(wèi)紅，黃躍青，等.無線傳感網(wǎng)在氣象領(lǐng)域的應(yīng)用與研究 ［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，33 （6E）：55－57.］

［3］LI Renfa，WEI Yehua，F(xiàn)U Bin，et al.A review of middleware for wireless sensor networks ［J］.Journal of Computer Research and Development，2008，45 （3）：383－391 （in Chinese）.［李仁發(fā)，魏葉華，付彬，等.無線傳感網(wǎng)中間件研究進(jìn)展 ［J］.計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45 （3）：383－391.］

［4］PAN Julong，WEN Yu.A study of heterogeneity in wireless sensor networks ［J］.Aeronautical Computing Technique，2007：37 （2）：124－130 （in Chinese）. ［潘巨龍，聞育.無線傳感網(wǎng)的異構(gòu)性研究 ［J］.航空計(jì)算技術(shù)，2007，37 （2）：124－130.］

［5］ZHAI Lifang，LI Chunyuan，SUN Liping.Research on the message－oriented middleware for wireless sensor networks ［J］.Journal of Computers，2011，6 （5）：1040－1046.

［6］BY Alkazem，EA Felemban，AZ Abid，et al.middleware model for wireless sensor networks ［C］／／Tangier：Multimedia Computing and Systems，2012：67－71.

［7］Chen Lili，Liu Zhenglong.Design of rich client web architecture based on HTML5 ［C］／／Chongqing：Computational and Information Sciences，2012：1009－1012.

［8］Jiang Fengyan，Duan Huichuan.Application research of Web－Socket technology on web tree component ［C］／／Hokodate，Hokkaido：Information Technology in Medicine and Education，2012：889－892.

［9］HUA Liansheng，DING Xiansheng，LV Gang.Meteorological data sharing system based on oracle ［J］.Computing Application，2010，32 （2）：162－164 （in Chinese）. ［華連生，丁憲生，呂剛.基于Oracle的氣象數(shù)據(jù)共享系統(tǒng) ［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2010，32 （2）：162－164.］

［10］YS Jeong，EH Song，GB Chae，et al.Large－scale middleware for ubiquitous sensor networks ［J］.Intelligent Systems（IEEE），2010，25 （2）：48－59.

［11］Chu Xingchen.Open sensor Web architecture：Core services［C］／／Banglore：Intelligent Sensing and Information Processing，2006：98－103.

［12］Chu Xingchen，Rajkumar Buyya.Service oriented sensor Web［J］.Sensor Networks and Configuration，2007：51－74.

［13］Jeon YJ，Park SH，Park JS.Sensor node middleware to support Web－based applications over wireless sensor networks［C］／／Zurich：Local Computer Networks，2009：963－970.

［14］LI Daili，CHEN Rong.The research of WebSocket based on Web real－time communication ［J］.Computer Knowledge and Technology，2010，6 （28）：7923－7925 （in Chinese）. ［李代立，陳榕.WebSocket在Web實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域的研究 ［J］.電腦知識與技術(shù)，2010，6 （28）：7923－7925.］

［15］WEN Zhaosong，YI Renwei，YAO Hanbing. WebSocket based real time web application solution ［J］.Computer Knowledge and Technology，2010，8 （16）：3026－3028 （in Chinese）.［溫照松，易仁偉，姚寒冰.基于WebSocket的實(shí)時(shí)Web應(yīng)用解決方案 ［J］.電腦知識與技術(shù)，2012，8（16）：3026－3028.］

［16］Pinemtel V，Nickerson BG.Communication and displaying real－time data with WebSocket ［J］.Internet Computing（IEEE），2012，16 （4）：45－53.