蹇文軍

（巴音郭楞職業(yè)技術(shù)學(xué)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(shù)的應(yīng)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(luò)以感知設(shè)備、智能設(shè)備為基礎(chǔ)將我們生活中的物品進(jìn)行互聯(lián)，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)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(diǎn)結(jié)合形成的網(wǎng)絡(luò)，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)終端感知設(shè)備，對于物聯(lián)網(wǎng)的意義重大。隨著物聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)與發(fā)展，無線傳感網(wǎng)也日益復(fù)雜，其要求與功能也越來越多。而無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是其中重要的組成部分，其可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與感知，實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的參數(shù)與狀態(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)之中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理與控制。由于物聯(lián)網(wǎng)是以萬物互聯(lián)為基礎(chǔ)，不同的物品其特點(diǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究的意義

在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要依靠嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，因此其具有低功耗、多節(jié)點(diǎn)以及自組織的特點(diǎn)，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(shù)與知識較多，是現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(guān)系到物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)步，是當(dāng)前世界科技競爭的熱點(diǎn)方向之一。而基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)指的是可以實(shí)現(xiàn)自動組網(wǎng)、遠(yuǎn)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(fù)雜的應(yīng)用簡單化，提高社會運(yùn)行的效率，進(jìn)而推動社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步。

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

2.1 無線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)之一，其是以嵌入式系統(tǒng)為載體，以無線傳感器為基礎(chǔ)的一種數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。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(diǎn)以及自組織的網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對物品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及實(shí)時狀態(tài)的感知，并且進(jìn)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(diǎn)：

（1）由于其較強(qiáng)的適應(yīng)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(jié)構(gòu)較為簡單；

（2）基于物聯(lián)網(wǎng)的特性是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，因此無線傳感網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)規(guī)模非常大，面對的工作環(huán)境也極其復(fù)雜，且要隨時接入網(wǎng)絡(luò)之中，因此其適應(yīng)性較強(qiáng)且具有一定的糾錯能力；

（3）無線傳感網(wǎng)主要是實(shí)現(xiàn)對物品的實(shí)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(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，將5G 技術(shù)與無線傳感網(wǎng)結(jié)合應(yīng)用可以極大的提高無線傳感網(wǎng)的通信能力；

（4）由于應(yīng)用場景與應(yīng)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(yīng)用效率，無線傳感器要具有低功耗的特點(diǎn)。

2.2 無線傳感網(wǎng)中間件技術(shù)

由于無線傳感器的應(yīng)用場景與應(yīng)用環(huán)境非常復(fù)雜，因此，需要一個可以解決其通用性的技術(shù)，提高其可擴(kuò)展性與適應(yīng)性，中間件就是這樣一種技術(shù)，其可以屏蔽底層環(huán)境的異構(gòu)性，為無線傳感器的應(yīng)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(yīng)用越來越廣泛，中間件的應(yīng)用也越來越廣泛，中間件技術(shù)可以為復(fù)雜多變的無線傳感網(wǎng)應(yīng)用提供一個統(tǒng)一與開放的平臺與架構(gòu)，提高無線傳感網(wǎng)開發(fā)效率。無線傳感網(wǎng)中間件技術(shù)有多種設(shè)計(jì)方法，主要分為以下幾種：

（1）基于虛擬機(jī)的無線傳感網(wǎng)中間件：以虛擬機(jī)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，因此可以適當(dāng)增減一些應(yīng)用，靈活性與可控性較強(qiáng)，但是要在所有節(jié)點(diǎn)運(yùn)行虛擬機(jī)，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(chǔ)，通過節(jié)點(diǎn)之間的互聯(lián)形成較大的數(shù)據(jù)庫，先在絡(luò)中進(jìn)行查詢?nèi)缓筮x擇合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但是其對于異構(gòu)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(shí)現(xiàn)實(shí)時性；

（3）基于服務(wù)發(fā)現(xiàn)的WSN 中間件：其具有一定的可調(diào)整性，可以根據(jù)實(shí)際情況對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)整，但是其對于資源的要求較高，難以適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境；

（4）消息驅(qū)動的中間件：其是對于特定狀態(tài)或特定信息的感知，當(dāng)無線傳感器檢測到相應(yīng)的信息與狀態(tài)時就可以做出響應(yīng)，且可以實(shí)現(xiàn)特定的通信傳輸，適應(yīng)性較強(qiáng)且適合于大規(guī)模的無線傳感網(wǎng)應(yīng)用，但是其對于復(fù)合事件響應(yīng)的可靠性以及處理能力還需要進(jìn)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(shù)之一，其主要特點(diǎn)是可以遷移，自動與無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并可以主動收集信息，進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

除了以上的中間件技術(shù)之外，還有其他的中間件技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用的情況與特點(diǎn)進(jìn)行選擇，以符合實(shí)際的應(yīng)用要求。在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中并不能直接應(yīng)用以上技術(shù)，還需要進(jìn)行一定的設(shè)計(jì)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(yīng)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(shè)計(jì)較為復(fù)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(guān)的硬件支持，實(shí)現(xiàn)的功能也較多，此外，還需要保留擴(kuò)展性；

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)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(chǔ)，目前主要以數(shù)據(jù)采集為主，對于數(shù)學(xué)信息的處理與管理能力不足，擴(kuò)展性與移動性不足，且還需要考慮實(shí)際應(yīng)用場景，通用性較差；

（3）由于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)其需要實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測與數(shù)據(jù)采集，因此要持續(xù)耗能，但是應(yīng)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(shù)與無線傳感器應(yīng)用耗能較高，難以實(shí)現(xiàn)持續(xù)應(yīng)用。

3 基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用的特點(diǎn)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)本質(zhì)上是無線傳感網(wǎng)的一種數(shù)據(jù)采集技術(shù)，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(yuǎn)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(diǎn)與要求：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控對象實(shí)時狀態(tài)的信息采集，并進(jìn)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?，主要分為被動監(jiān)控、主動監(jiān)控以及主被動結(jié)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的終端可以簡單的對監(jiān)控對象的實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，但是復(fù)雜的處理與分析還需要傳輸至主控端進(jìn)行；

（3）遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)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(kuò)展性與適應(yīng)性，且主控端可以根據(jù)實(shí)際情況對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.2 無線傳感網(wǎng)中間件設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)中間件設(shè)計(jì)的總體模型要根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)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(luò)控制的能力、提高其擴(kuò)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(jìn)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(shí)現(xiàn)以上的多項(xiàng)功能，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要身處全局網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)之中，且該網(wǎng)絡(luò)需要具備層次結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時信息傳輸以及調(diào)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(jī)的中間件適應(yīng)性與處理能力較強(qiáng)，但是實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，且成本較高。此外，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)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(shí)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(qiáng)的數(shù)據(jù)表達(dá)能力，現(xiàn)階段主要以數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行解決，但是其表達(dá)能力較差，而XML 語言的表達(dá)能力較強(qiáng)，因此，可作為基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信手段進(jìn)行應(yīng)用；最后服務(wù)發(fā)現(xiàn)能力對于遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也非常重要，而普通的無線傳感節(jié)點(diǎn)其負(fù)載與通信能力有限，因此不適合應(yīng)用虛擬機(jī)進(jìn)行服務(wù)，所以本文研究的主要是簡單的服務(wù)發(fā)現(xiàn)，以中間件設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，獲取節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并通過中間件實(shí)現(xiàn)服務(wù)要求。

3.3 無線傳感網(wǎng)中間件詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括CGI 程序、數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計(jì)、解釋器設(shè)計(jì)以及模型層設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器接口設(shè)計(jì)等，以下分別進(jìn)行介紹：

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

（2）數(shù)據(jù)庫接口設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)庫是所有功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，因此其接口的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)頻繁訪問、可支持多節(jié)點(diǎn)同時訪問、以及數(shù)據(jù)即時存儲和保護(hù)功能，避免斷電時出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。

（3）解釋層設(shè)計(jì)：解釋層是無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)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(diǎn)傳輸?shù)男畔?，并傳輸給決策層，然后相應(yīng)的做出響應(yīng)，保證指令的傳輸與轉(zhuǎn)化，使遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以做出實(shí)時響應(yīng)，解釋層的設(shè)計(jì)非常重要，需要連接CGI 程序、節(jié)點(diǎn)、模型層等多個層面的信息轉(zhuǎn)化與解釋，保證各個系統(tǒng)之間的連接正常與指令轉(zhuǎn)化，保證各個系統(tǒng)之間的協(xié)作順暢，要求可以實(shí)現(xiàn)多線程處理能力，以應(yīng)對未來復(fù)雜的解釋任務(wù)。

（4）協(xié)調(diào)器接口：其指的是模型層的接口，應(yīng)該做到通用性與高效性，可以極大的擴(kuò)展無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，現(xiàn)階段串口轉(zhuǎn)USB 接口是一個主要的發(fā)展方向，其具有通用性強(qiáng)，讀寫效率高的特點(diǎn)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時要注意設(shè)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(diǎn)設(shè)計(jì)

基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)非常重要，是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)組成部分，中間件實(shí)質(zhì)上是控制或者使用節(jié)點(diǎn)的分布式程序。節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)可以采用智能算法進(jìn)行設(shè)計(jì)或者基于實(shí)際應(yīng)用的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要的內(nèi)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(diǎn)程序的設(shè)計(jì)主要包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)等，其中協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與無線傳感網(wǎng)的連接、維護(hù)以及信息傳輸?shù)裙ぷ鳎宦酚善髦饕?fù)責(zé)分配相關(guān)信息的傳輸路徑；終端節(jié)點(diǎn)的主要功能注冊服務(wù)和實(shí)現(xiàn)服務(wù)。

4 結(jié)論

本文主要研究了基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，總結(jié)了其應(yīng)用的特點(diǎn)以及問題，并就中間件的技術(shù)進(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)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(jìn)一步進(jìn)行研究。總之，基于無線傳感網(wǎng)中間件的遠(yuǎn)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(jìn)行推進(jìn)。