利用无线传感网络（WSN）构建宿舍信息化

秦大明



利用无线传感网络（WSN）构建宿舍信息化

秦大明

重庆市石柱县第一初级中学

秦大明（1967-）男，重庆市人，重庆市石柱县第一初级中学校长，从事教育管理信息化研究。

行业曲线

本文针对利用无线传感网络（WSN）构建中小学学生宿舍信息化环境。在中小学学生宿舍信息化环境行业起到教育信息化时代的创新作用。

如付诸现实将产生中小学学生宿舍信息化管理的很大经济效益。

根据中小学学生宿舍的实际应用需求，结合无线传感网络（WSN）的原理和构架特点，设计一种基于无线传感网络（WSN）技术的中小学学生宿舍建设方案。该方案对无线传感网络（WSN）技术框架进行改进，讨论组网机理，给出具体的实现方案，并设计制作网络关键节点。根据实际应用需求设计一种异频网络异构的网络构架，并进行典型应用的参数测试，测试结果表明，该方案在中小学学生宿舍中的实际应用是良好的。

无线传感网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是指由随机分布的传感器、数据处理单元和通信模块构成的无线网络，信息获取从单一化模式向集成化、微型化、网络化、智能化方向发展，通过智能技术和感知技术进行识别感知，通过网络互联传输、普适计算（Pervasive Computing）、数据挖掘（Data mining）和知识挖掘（Knowledge Mining），实现人与物、物与物讯息交互和无缝（Seamless）链接，达到实时控制（Real-time Control）、精确管理和科学决策目的。无线传感网络（WSN） 综合了传感器技术、无线通信技术、嵌入式系统技术、分布式信息处理等技术，具有低功耗、低成本、分布式和自组织的特点。无线传感网络（WSN）的核心思想是在互联网的基础上，利用无线通讯、感知标识等技术，构造一个覆盖虚实世界的网络。作为智慧校园中的一环，无线传感网络（WSN）应用于中小学学生宿舍是必然的。无线传感网络（WSN）能够满足中小学学生宿舍中的讯息采集、传输、分析处理和智能控制，使中小学学生宿舍变得方便、智慧。本文利用无线传感网络（WSN）的特点，设计了基于无线传感网络（WSN）技术的中小学学生宿舍建设框架。

无线传感网络（WSN）的技术构架

目前，无线传感网络（WSN）还没有一个被广泛认同的体系结构，但是，可以根据无线传感网络（WSN）对讯息感知、传输、处理的程式将其划分为感知识别层、网络连接层和应用服务三层体系结构。

感知识别层的功能是感知、识别和采集讯息。可以应用的技术包括RFID子标签、智能卡、传感器等。感知节点（Sensing Node）能实时感知传递讯息，并能实现智能控制。

网络连接层的功能是网络控制与数据传输。利用网络互连，把感知识别到的数据讯息可靠进行传送。目前能够用于无线传感网络（WSN）的通讯网络主要有无线通讯网、卫星通讯网、有线电视网、移动通讯网、互联网等。

应用服务层的功能是执行讯息处理和人机对话，实现无线传感网络（WSN）与行业技术的深度融合，应用服务层对感知数据的处理，实现为学生提供智能化服务。

利用无线传感网络（WSN）构建中小学学生宿舍信息化环境

根据无线传感网络（WSN）的整体构建构架，中小学学生宿舍无线传感网络（WSN）可分为学生宿舍讯息感知控制层、网络异构层（Network Heterogeneous Layer）和综合应用层三层结构。学生宿舍讯息感知控制层主要对象是学生宿舍中的传感装置，网络异构层（NHL）包括学生寝室5GHz频段网络、学生宿舍楼868MHz频段和因特尔等传输网络，综合应用层的功能是学生宿舍楼内的监视、学生寝室外的远程控制等。

感知控制层（Perceptual Control Layer）

在感知控制层中，嵌入有感知器件和RFID的物体形成局部网络，共同感知周围环境状态，并对获取的讯息进行初步处理和分析，按照相应规则响应；同时，根据各种接入网络把处理结果接入到网络异构通讯层。感知控制层中的传感器分为三表数传（Three Table Data Transmission）、安防监测（Security Monitoring）和环境监测等三类，如下图所示。传输与汇聚节点（sink node，SN） 是中小学学生宿舍的主要节点，该节点承担着整个中小学学生宿舍的讯息传输。在中小学学生宿舍中，通过四个类型节点实现了感知及控制及人与物、物与物相联。

异构网络层（Heterogeneous Network Layer）

（1）学生宿舍网络构架

按照中小学学生宿舍的需求，网络设计采用3层结构，各层采用频段各不相同，每个学生寝室内采用5GHz频段；楼栋外采用868MHz频段；学生宿舍楼间及与外界的数据交换则通过因特网或者无线公网进行传输，如图1所示。

图1　中小学学生宿舍网络构架

在中小学学生宿舍网络构架图中，学生寝室汇聚节点（SN）和学生宿舍楼汇聚节点（SN）均为双频节点（Double Frequency Node），功能是将学生寝室和学生宿舍楼内部讯息汇聚后传输给上层网络。所以，中小学学生宿舍中的无线传感网络（WSN）更适宜采用异频异构（Different frequency Isomerism）进行组网。

（2）学生宿舍组网原理

通常在中小学学生宿舍的应用中，高效的路由的应用是无线传感网络（WSN）在学生宿舍中的关键环节。先进的拓扑结构能够提升路由的鲁棒性（Robustness），在中小学学生宿舍中，学生宿舍之间适合用点对多点的树形拓扑结构，学生寝室之间适于用点对点的环形拓扑结构。

在感器网中，路由有按表路由协议和按需路由协议。按需路由包括传统传感器网路由协议和多跳网络路由协议。传统的协议网路开销大，基于洪泛 （Flooding）机理，负责整体节能。按表路由拓扑变化时反应慢，维护开销大，不适宜在中小学学生宿舍应用。虽然PEGASIS、GPSR和TTDD等路由协议克服了洪泛的弱点，但均属于能效高的路由协议，在路由健壮性方面又有不同的问题，不适宜时延小的中小学学生宿舍无线传感网络（WSN）。多跳网络路由协议以TORA和ZRP协议为代表，其中，ZRP协议在维护上，路由表网络开销会增加。TORA协议中的节点不需要交换路由表和定期维护，相比之下开销小。然而，TORA协议在节点较多的情况下延时大，通讯时效率较低。

综合应用层（Integrated Application Layer）

综合应用层通过数据挖掘（Data Mining）、数据融合（Data Fusion）和数据分析（Data Analysis），实现对学生寝室或学生宿舍楼讯息的监视和远距离的控制，将各种感知通过网络传输给他人或相关部门。同时也能对进出学生宿舍楼的学生、学生宿舍楼的车辆进行管理，实施中小学学生宿舍中的智能监测控制。从而实现智慧学生宿舍与智慧校园构建。

网络构建方案

通过上述分析，中小学学生宿舍无线传感网络（WSN）架构基本形成，整体设计是采用GPRS、5GMHz和868MHz三层结构构建智能化学生宿舍。通过上述三类传感器节点作为感知（层）节点对传感讯息的采集传输和智能控制。数据采集还要将烟雾、温湿度等采集信号转变为数字信号；数据处理是采集的信号处理，学生宿舍计算量不大，所以一般采用16位或32位ATmega256L低功耗微控制器；数据传输采用近距离、低功耗射频收发芯片CC2530负责数据的收发；该方案一般采用电池为系统提供能量。

学生宿舍楼内5GHz感知（层）节点按学生寝室可划分为多段局域网，每段网络皆设计多个汇聚节点（SN）（学生寝室汇聚节点（SN）和局域汇聚节点（SN）），由ARM9构成，硬件结构和感知（层）节点硬件不同，由2个无线收发模块构成，除用于5GHz射频模块CC2530外，还采用868MHz芯片CC1101来构成学生宿舍楼868MHz网络。

学生寝室汇聚节点（SN）与学生宿舍楼传输节点一起构成868MHz学生宿舍楼网络，学生宿舍楼传输节点既是楼栋间的中继节点也负责采集楼栋内的位置讯息，如烟感、温度和湿度，可接烟感探头、温度探头、湿度探头和报警探头等。其硬件结构由CC1101的868MHz无线收发芯片模块。868MHz学生宿舍楼网络设置多个学生宿舍楼汇聚节点（SN），实现中小学学生宿舍的远距离智能控制。

测试结果

按照上述网络构建方案实施测试，为了满足中小学学生宿舍信息化环境需求，采用休眠唤醒模式，重点测试局域网汇聚节点（SN）、学生寝室汇聚节点（SN）和学生寝室三表集抄（Three Table Set Copy）节点之间的数据收发时间、唤醒时间。

网络汇聚节点（SN）为N0，学生寝室网络汇聚节点（SN）为N1。节点N2、N3、N4都为学生寝室网络三表采集节点。测试结果如表1所示。

表1　学生宿舍数据测试状况（秒）

从表1可以看出，测试唤醒周期为1秒。汇聚节点（SN）N0首先发送1s的唤醒命令唤醒学生寝室网络汇聚节点（SN）N1，学生寝室网络汇聚节点（SN）N1被唤醒后应答局域网络汇聚节点（SN）N0，总耗时1.03s；学生寝室网络汇聚节点（SN）N1再发送持续1s的唤醒命令唤醒学生寝室网络三表采集节点N2，学生寝室网络三表采集节点N3和学生寝室网络三表采集节点N4也同时被唤醒。学生寝室网络三表采集节点N2收到学生寝室网络汇聚节点（SN）N1的抄表指令，然后读取表中数据发送给学生寝室网络汇聚节点（SN）N1，学生寝室网络汇聚节点（SN）N1直接转发给局域网络汇聚节点（SN）N0；然后学生寝室网络汇聚节点（SN）N1再向学生寝室网络三表采集节点N3发送抄表命令，抄表命令收到后转发给局域网络汇聚节点（SN）N0；对学生寝室网络三表采集节点N4采用相同测试。这样，总抄表时间为2.58s，达到了抄表要求。从实验结果看，网络方案符合中小学学生宿舍的信息化环境需求。

结束语

在中小学学生宿舍构建中，考虑当代正直智慧校园建设，提出的异频异构（Different Frequency Isomerism）中小学学生宿舍网络构架是一种较理想的策略。但是组网路由（Network Routing）和节点能耗（Node Energy Consumption）将影响整个网络系统的运行，故此，在未来的应用中还需进一步研究，把中小学学生宿舍构建得更加阳光、便捷和智能。

DOI：10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.13.018