基于ASP.NET技术的无线传感器网络监控系统的设计

朱伟凯，李 航，尹稚淳

（沈阳师范大学 科信软件学院，沈阳 110034）

0 引 言

无线传感器网络是由大量低成本且具有传感、数据处理和无线通信能力的传感器节点通过自组织方式形成的网络［1］。网络一般位于远程无人值守环境下的参数测量，其恶劣的工作环境和随机分布的特征使得网络中极易发生故障［2］。故障分为部件级故障（传感器损坏、电量低、通信模块损坏等等）和节点级故障（节点无法连入网络）。文章的选题是基于国家自然科学基金项目“无线传感器网络中基于时间序列相关性的低能耗数据获取方法研究”，在数据获取方法测试的过程中，发现网络节点缺乏一定稳定性，容易出现故障，为了能统一管理故障，对无线传感器网络的节点进行实时监控，准确跟踪节点的工作状态，对故障进行实时监测、诊断与预报，使其具有足够的精确性、鲁棒性和实时性，设计并实现了一款基于ASP.NET技术的无线传感器网络监控系统。

另外针对无线传感器故障的研究，国内外提出了还多的解决方案，总体上分为集中式故障检测、分布式故障检测，而这些故障检测方式都是通过节点的自诊断实现的。

1 研究现状

目前，国内外已经开发出了几种无线传感器网络监控平台后台软件，如中国科学院计算所的SNAMP［3］，美国Crossbow公司的Surge Network Viewer、TinyViz和 MOTE－VIEW［4］，德国 Lubeck大学的SpyGlass［5］等，但是这些平台都是需要下载、需要安装的专用软件；更有COSM和Yeelink嵌入式云服务平台等。而Web应用程序是一种可以通过Web访问的应用程序。它的最大的优点是用户很容易访问应用程序，只需有浏览器即可。这也模式也是 Web程序一般模式，即浏览器／服务器（Browser／Server，简称为B／S）模式。而近年来将无线传感器网络与 Web技术整合起来越发成为网络应用的一种趋势。但是对于Web技术和无线传感器网络监控系统的结合，研究才刚刚起步，还有很大的探讨研究空间。而本系统采用B／S模式，以成熟的ASP.NET作为开发技术，可以异地浏览以及灵活的采集信息，能够方便的达到系统预期目标。

2 系统开发需求和技术分析

2.1 系统需求分析

根据目前国内外无线传感器网络监控系统的研究现状，大多数研究关于网络拓扑的显示，而鲜有针对故障检测和诊断的研究和实现的，而本设计主要针对的是节点故障的检测和诊断。在网络拓扑显示界面上，当某个节点出现故障时，节点颜色会变成灰色的，同时系统会显示提示信息。至于故障的诊断则可根据表1作出判断。

表1 故障诊断分析表

针对以上3种故障有不同的判断机制。1）传感器损坏的情况，各种类型的传感器采集信息是和真实环境一致的，都会有一个阈值。其诊断思想为：把搜集到的信息和阈值做比对，同时还会和邻居节点采集的信息进行比对，最终综合考虑传感器模块是否出现故障。当采集的值在这个阈值范围外，则判断为故障。2）电量，当网络中出现节点电量低于低电量的阈值时，则视其为无效节点；若此节点电量突然变为零，则视其为死亡节点。诊断思想具体为：监控系统实时监测每个节点的能耗，通过把收到的能耗信息和能耗阈值比对，来进行判断。3）通信故障，当系统开始运行工作，监控系统会通过串口通信协议来遍历整个网路的节点，把节点信息以数据集合的形式上传到数据库。每次系统刷新时，都会和数据集合进行比对，若发现某个节点在数据集合中没有初始数据，那么可判断此节点出现故障。然后再根据监控系统中的能耗监测来判断此节点是否为能耗故障，若不是则判断为通信故障。

2.2 系统开发技术分析

系统开发工具：Microsoft Visual Studio 2012，后台数据库：SQL Server 2012，采用ASP.NET技术，主要使用C＃语言编写应用程序。系统根据软件体系的结构，结合本系统的设计特点，采用B／S（Browser／Server）模式，即浏览器和服务器模式。

B／S模式是一种基于Web的协同计算模式，将整个业务应用划分为3层：表示层（UI）、业务逻辑层（BLL）、数据访问层（DAL）。B／S模式的3层结构图如图1所示。

图1 B／S模式3层架构示意图

B／S模式中，表示层为客户端表示层负责与用户交互，这一层只保留一个Web浏览器，用于显示数据和接收用户输入的数据，为用户提供一个交互式操作的界面。业务逻辑层是系统架构中核心价值的部分，主要负责业务规则的制定、业务流程的实现等与业务需求有关的系统设计。数据层是通过ADO.NET操纵数据位逻辑层提供数据服务［7］，其功能主要是负责数据库的访问，可以访问数据库系统、二进制文件、文本文档或者XML文档。

在这种结构下，用户工作界面通过Web浏览器来实现，浏览器靠HTTP协议与服务器进行通信，将服务器传回的HTML文档内容展示给用户［8］。B／S模式的主要优点为：开发人员可以只关注整个结构中的某一层，方便维护和升级。层与层之间的依赖性变低，独立性更强。只需要改变某一层的内容，即可实现所有数据的同步更新。对用户来说，使用起来方便。用户可以任何地点使用Web应用程序，可以随时进行查询、浏览、操作等处理。业务扩展简单方便，通过增加网页即可增加服务器功能［8］。

3 系统功能详细设计

3.1 系统总体设计

系统整体框架如图2所示。本系统包括登陆模块和UI界面以及4个功能子模块：导航模块，功能包括载入传感器网络拓扑、刷新、删除；网络拓扑模块，用于显示网络拓扑，用控件Diagram实现；节点信息模块，用于显示单个节点的信息，用控件DataGrid实现，节点能耗模块，用于显示单个节点的能耗信息，用控件ChartView实现。

本系统的主要功能有：用户注册、登录、修改密码；主界面每10s自动刷新（刷新时间可调），以便获得当前网络的最新数据，保证系统的及时性；当节点出现故障时，主界面的网络拓扑图中对应的节点图标变成灰色（见图3）。

图2 系统整体框架

图3 系统UI界面

3.2 数据处理流程图

无线传感器网路监控系统整体功能的设计的核心：应用数据绑定。各功能模块主要通过控件和数据绑定实现数据的显示、更新等。其中节点信息和能耗信息上传到云端为扩展功能。数据处理流程图如图4所示。

3.3 系统数据库设计

图4 数据处理流程图

由于本项目中组成的传感器网络包含大约50个节点，节点组网采用基于备份节点的无线传感器网络拓扑控制算法［9］。每个簇中包含父节点和子节点，每个子节点采取信息，然后通过特定的通信方式把信息传给父节点，由父节点传送给汇聚节点，最后再由汇聚节点把信息传送给终端设备，最终在这个网络监控系统界面上显示出来。基于无线传感器网络的这种结构，数据库中共设计了4张表，dbo.Nodes（节点表）、dbo.NodesTypes（节点类型表）、dbo.Powers（节点能量表），Admin表（管理员信息表）。

1）节点表和节点类型表是在UI界面中显示无线传感器网络拓扑结构用到的，主要是节点的序号、地址、描述、类型以及节点搜集的信息。如表2所示，描述了dbo.Nodes表的详细信息。如表3所示，描述了dbo.NodesTypes表的详细信息。

表2 dbo.Nodes表

表3 dbo.NodesTypes表

2）节点能耗表是在UI界面中显示单个节点一段时间的能耗值的坐标图所用到的表，主要记录当前时间和当前节点的能量值。如4所示，描述了dbo.Powers表的详细信息。

表4 dbo.Powers表

3）管理员信息表主要作用：是记录管理员登录服务器端主系统所用到的信息，主要包含用户名和登录密码，同时主键采用管理员用户ID。如表5所示，描述了Admin表的详细信息。

表5 Admin表

4 结 语

本文通过应用ASP.NET技术设计和实现的无线传感器网络监控系统，不仅实现了传感器网络的实时监控，让用户可以随时随地浏览传感器网络状况信息，保证无线传感器监控的实时性。对于网络中出现的故障，用户可以作出实时诊断并及时的采取相应的故障修复策略。本课题虽然是基于国家自然科学基金项目“无线传感器网络中基于时间序列相关性的低能耗数据获取方法研究”设计的，但是实际应用并不局限于此，还具有很大扩展性，例如可以扩展云端与移动设备的交互等。此系统根据不同项目不同的需求，具有一定的通用性，并且还在不断完善之中。

［1］彭力.无线传感器网络技术［M］.北京：冶金工业出版社，2011：1－26.

［2］彭宇，宋佳，彭喜元.无线传感器网络故障管理架构设计方法概述［J］.电子测量与仪器学报，2009，23（11）：1－7.

［3］YANG Y，XIA P，HUANG L，et al.SNAMP：A multi－sniffer and multi－view visualization platform for wireless sensor networks［C］∥Proceedings of Industrial Electronics and Applications.Singapore，2006：1523－1526.

［4］MARTIN T，JOSE S.MOTE－VIEW：A sensor network monitoring and management tool［C］∥Proceeding of Embedded Networked Sensors，2005：11－18.

［5］BUSCHMANN C，PFISTERER D，FISCHER S，et al.SpyGlass：A Wireless Sensor Network Visualizer［J］.ACMSIGBED Review，2005，2（1）：1－6.

［6］沈泽刚，秦玉平.《Java Web》编程技术［M］.北京：清华大学出版社，2010.

［7］史建江，李世银，黄兴，等.基于 ASP.NET的信息管理系统设计与实现［J］.微计算机信息，2008，24（2／3）：32－34.

［8］叶仕平.基于ASP.NET的图书馆志愿者考勤系统［J］.计算机与现代化，2012（11）：108－112.

［9］李尚鹏，刘瑞，赵永翼.一种基于备份节点的无线传感器网络拓扑控制算法［J］.沈阳师范大学学报：自然科学版，2012，30（3）：369－373.

［10］杨娇.基于ASP.NET的教师信息管理系统的设计与实现［D］.南京：南京邮电大学，2013.

［11］骆晓娟，许力.基于 AJAX和B／S构架的实时监控系统［J］.工业控制计算机，2013，26（4）：64－65.

［12］朱晓骏，董黎刚.关于B／S模式下对串口实时监控的研究［J］.杭州电子科技大学学报，2011，31（5）：163－166.

［13］黄凯漩.基于B／S模式远程监控系统的研究与实现［D］.南京：南京大学，2011.

［14］郝兴伟.Web技术导论［M］.2版.北京：清华大学出版社，2009：312.

［15］焦伟平，陈向东，徐良.基于 WSN的宿舍监控系统设计［J］.通信技术，2012，45（5）：77－82.