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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街袑?shí)驗(yàn)時(shí)間固定、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)固定、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限等問題，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的云實(shí)驗(yàn)模式探索，為學(xué)生靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間及地點(diǎn)、不受實(shí)驗(yàn)資源限制提供良好的解決方案。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；云實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑粚?shí)驗(yàn)室；云平臺(tái)

1前言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS）、片上系統(tǒng)（SOC，SystemonChip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來信息感知的一場(chǎng)變革。正如因特網(wǎng)能使計(jì)算機(jī)訪問各種數(shù)字信息而無論其存儲(chǔ)在何處，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則能夠讓人們遠(yuǎn)程與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性被認(rèn)為與互聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)甚至被人稱為一種全新類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)榕c過去硬件不同，具有可分散分布的特點(diǎn)以及集體分析能力。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。傳感器網(wǎng)絡(luò)、微型機(jī)電系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的最新進(jìn)展，使得微型、智能、成本低的傳感器能夠部署在物理區(qū)域，并通過無線鏈路與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，為各種民用和軍用應(yīng)用提供前所未有的機(jī)會(huì)[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)課程的開展，能夠培養(yǎng)信息化實(shí)踐性人才。針對(duì)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街袑?shí)驗(yàn)時(shí)間固定、實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)固定、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量有限等問題，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的云實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ教剿鳎瑸閷W(xué)生靈活安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間、隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、不受實(shí)驗(yàn)資源限制提供了良好的解決方案。

2基于云模式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)

基于云模式的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由資源層、平臺(tái)層和應(yīng)用層組成。資源層是基本的運(yùn)算和存儲(chǔ)單元，它將物理硬件設(shè)備虛擬化為計(jì)算節(jié)點(diǎn)[2]。平臺(tái)層采用Hadoop架構(gòu)。應(yīng)用層為訪問者提供服務(wù)，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和管理。整個(gè)實(shí)驗(yàn)架構(gòu)由學(xué)生終端、云實(shí)驗(yàn)中心以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室組成。學(xué)生通過個(gè)人計(jì)算機(jī)登錄學(xué)校的云實(shí)驗(yàn)中心（圖1），將云平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)室中計(jì)算機(jī)連接，通過實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的計(jì)算機(jī)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)箱，從而可以在個(gè)人計(jì)算機(jī)上遠(yuǎn)程完成實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。云實(shí)驗(yàn)中心的課程信息來自學(xué)校教務(wù)管理平臺(tái)，課程信息包括實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)、實(shí)驗(yàn)選課人數(shù)、實(shí)驗(yàn)學(xué)生名單等。學(xué)生通過學(xué)校的統(tǒng)一身份驗(yàn)證系統(tǒng)登錄云平臺(tái)，由管理員進(jìn)行權(quán)限管理等操作。云實(shí)驗(yàn)中心合理劃分業(yè)務(wù)功能并將其模塊化，基礎(chǔ)模塊有教師模塊、學(xué)生模塊及管理員模塊，各個(gè)模塊相互獨(dú)立。整個(gè)系統(tǒng)耦合性低，可擴(kuò)展性強(qiáng)。云實(shí)驗(yàn)中心內(nèi)有虛擬化軟件平臺(tái)，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程接入時(shí)，云實(shí)驗(yàn)中心會(huì)及時(shí)啟動(dòng)資源調(diào)度管理，迅速提供相應(yīng)的軟硬件服務(wù)以響應(yīng)訪問用戶的需求。

3云實(shí)驗(yàn)操作模式

本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過VMware虛擬化技術(shù)構(gòu)建底層虛擬機(jī)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)依照云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供的環(huán)境配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。學(xué)生可隨時(shí)隨地通過遠(yuǎn)程桌面登錄北京航空航天大學(xué)云實(shí)驗(yàn)中心，選擇教師上傳的實(shí)驗(yàn)課程，下載相關(guān)實(shí)驗(yàn)資源并預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間。云實(shí)驗(yàn)中心經(jīng)由Teamviewer遠(yuǎn)程連接本地實(shí)驗(yàn)室的計(jì)算機(jī)，實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)上實(shí)驗(yàn)軟件已安裝成功，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已配置完備，可不間斷運(yùn)行。按照上述搭建云實(shí)驗(yàn)平臺(tái)后，學(xué)生的個(gè)人計(jì)算機(jī)可顯示實(shí)驗(yàn)室計(jì)算機(jī)的桌面，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)操作，并通過程序編譯結(jié)果及實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的云實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降膬?yōu)點(diǎn)在于：學(xué)生無須安裝實(shí)驗(yàn)軟件，免去煩瑣的安裝步驟和復(fù)雜的維修管理；學(xué)生及教師可以自由地選擇零碎時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)相關(guān)操作，較好地解決了實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)單一、實(shí)驗(yàn)時(shí)間固定、實(shí)驗(yàn)資源有限的問題；云實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綖槊總€(gè)用戶創(chuàng)建的虛擬機(jī)物理隔離，模塊分明，為教師輕松便捷管理實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)造了條件。1）支撐技術(shù)。①VMware。VMware是提供平臺(tái)虛擬化和云計(jì)算軟件服務(wù)的DellTechnologies的子公司。VMware桌面虛擬化系統(tǒng)可使同一臺(tái)物理服務(wù)器上同時(shí)運(yùn)行多個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)，并且每一個(gè)虛擬計(jì)算機(jī)有獨(dú)立的操作系統(tǒng)，即一臺(tái)物理服務(wù)器可以運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)。一臺(tái)物理服務(wù)器上運(yùn)行的所有虛擬計(jì)算機(jī)共享資源，如網(wǎng)絡(luò)和RAM。VMware虛擬桌面的優(yōu)勢(shì)能夠簡(jiǎn)化管理，提高靈活性，降低運(yùn)維成本，更快地部署工作負(fù)載，提高應(yīng)用性能，提高服務(wù)器的可用性，使得企業(yè)級(jí)功能和穩(wěn)定性更強(qiáng)大，提升安全性，消除服務(wù)器數(shù)量劇增情況和復(fù)雜性，并且節(jié)能減排，符合可持續(xù)發(fā)展理念。②TeamViewer。TeamViewer是一款由德國(guó)TeamViewerGmbH公司于2005年研發(fā)的基于云技術(shù)的軟件，致力于為移動(dòng)設(shè)備和個(gè)人電腦提供遠(yuǎn)程控制、桌面共享、在線會(huì)議和文件傳輸?shù)冉鉀Q方案。TeamViewer支持使用者通過移動(dòng)設(shè)備從任意地點(diǎn)連接到云平臺(tái)，可跨多個(gè)平臺(tái)訪問，支持多用戶會(huì)話和遠(yuǎn)程設(shè)備控制。其主要特點(diǎn)有：安裝簡(jiǎn)潔；操作方便；突破防火墻的限制；高速度、質(zhì)量?jī)?yōu)；安全保密性強(qiáng)；功能豐富。該軟件可以在任何防火墻和NAT的后臺(tái)應(yīng)用，克服了Windows遠(yuǎn)程桌面連接的局限性。2）操作模式。本地教學(xué)實(shí)驗(yàn)室通過TeamViewer遠(yuǎn)程連接北京航空航天大學(xué)云實(shí)驗(yàn)中心，云實(shí)驗(yàn)中心采用VMware虛擬化系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)資源進(jìn)行虛擬化，可為每位教師、學(xué)生和管理員用戶創(chuàng)建一個(gè)虛擬機(jī)，互不干擾，安全穩(wěn)定。北航云實(shí)驗(yàn)中心安裝TeamViewer，通過校園網(wǎng)與本地實(shí)驗(yàn)室內(nèi)計(jì)算機(jī)相連[3]。用戶在任何地點(diǎn)、任意時(shí)間都可以通過廣域網(wǎng)，經(jīng)由一個(gè)簡(jiǎn)單的Web界面登錄云實(shí)驗(yàn)中心。對(duì)于教師用戶，登錄云實(shí)驗(yàn)中心后可以在線進(jìn)行分享課程資源、實(shí)驗(yàn)步驟演示、在線指導(dǎo)學(xué)生用戶、交流解答疑惑、查看實(shí)驗(yàn)監(jiān)控、評(píng)閱實(shí)驗(yàn)成績(jī)等全方位實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作。對(duì)于學(xué)生用戶，登錄云實(shí)驗(yàn)中心后可以進(jìn)行查看實(shí)驗(yàn)課程、預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間、在線完成實(shí)驗(yàn)、提問交流共享、提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告等完備的實(shí)驗(yàn)操作。對(duì)于管理員用戶，則有用戶配置、權(quán)限管理、分配時(shí)間等權(quán)力。管理員接收到學(xué)生的實(shí)驗(yàn)申請(qǐng)后，合理地分配實(shí)驗(yàn)時(shí)間并調(diào)度相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)資源，以保證每位申請(qǐng)者有合適的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括無線片上實(shí)驗(yàn)和無線傳感器實(shí)驗(yàn)兩部分，所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)室如圖2所示。現(xiàn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较拢瑢W(xué)生需要在固定時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；采用云實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶螅瑢W(xué)生可以靈活自主地隨時(shí)隨地通過廣域網(wǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。基于無線片上系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集底板和ZigBee傳輸模塊組成。數(shù)據(jù)采集底板采用ARM內(nèi)核的Cortex-STM32芯片作為核心控制器，配合外圍數(shù)據(jù)采集電路接口完成對(duì)模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的采集，還可完成對(duì)擴(kuò)展模塊的控制；ZigBee傳輸模塊采用主流的無線片上系統(tǒng)CC2530芯片完成無線數(shù)據(jù)的傳輸功能，ZigBee傳輸模塊可獨(dú)立完成溫度、濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集。本實(shí)驗(yàn)基于CC2530的無線片上系統(tǒng)軟件開發(fā)使用IAREmbeddedWorkbench完成，是一套完整的集成開發(fā)工具集合，包括從代碼編輯器、工程建立到C/C++編譯器、連接器和調(diào)試器的各類開發(fā)工具。1）無線片上實(shí)驗(yàn)。無線片上實(shí)驗(yàn)包括建立實(shí)驗(yàn)環(huán)境、LED燈實(shí)驗(yàn)、定時(shí)器實(shí)驗(yàn)、外部中斷實(shí)驗(yàn)、串口通信實(shí)驗(yàn)、A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。2）無線傳感器實(shí)驗(yàn)。無線傳感器實(shí)驗(yàn)包括光強(qiáng)、溫度、煙霧、壓力等傳感器實(shí)驗(yàn)。學(xué)生登錄云實(shí)驗(yàn)中心遠(yuǎn)程操作實(shí)驗(yàn)，并通過串口調(diào)試助手獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果。3）實(shí)驗(yàn)效果。運(yùn)用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的云實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶螅瑢?shí)驗(yàn)室僅需數(shù)套實(shí)驗(yàn)箱以及與之相連的實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)，即可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無間斷開放，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的充分利用，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)建設(shè)資金，避免了復(fù)雜的軟件安裝步驟與繁復(fù)的維修設(shè)備操作。該模式利于學(xué)生自主靈活地選擇時(shí)間、地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，便于教師更加系統(tǒng)地了解學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握情況，此外充分提高實(shí)驗(yàn)設(shè)備的使用效率，極大地節(jié)約人力、物力與財(cái)力。

參考文獻(xiàn)

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[4]馮黎明.云環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)研究[D].南京:南京師范大學(xué),2013.

作者：崔勇 張茜 宋曉 王秋生 單位：北京航空航天大學(xué)