基于WSN的高校科研管理系统网络模块设计

陆兴华　陈劲

摘 要：高校的科研信息更新速度较快，对资源的共享和数据信息的融合处理要求较高，为了构建高校科研管理系统，实现科研信息的数据共享和调度。本设计的科研管理系统采用无线传感器网络（WSN）体系结构，主要包括控制器模块、数据存储模块和网络通信模块以及数据显示模块等。文章在前期软件平台设计的基础上，主要对系统的网络通信模块进行了设计，并进行了科研管理系统总体结构和性能指标描述，给出了采用WSN同构网络互联结构进行网络通信模块的设计，并以ARM920T为核心的32位RISC微处理器对节点通信模块进行网络协议堆栈构建，最后进行路由引擎设计，从而实现了科研管理系统的数据收发和资源共享。实验结果表明，该系统具有较好的科研信息管理和调度能力，资源数据传递性能较好。

关键词：高校科研管理；系统设计；WSN；网络通信

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

高校的科研信息吞吐量较大，项目的更替和信息的补充较为频繁，为了加强高校的科研信息管理，促进科研项目顺利完成，展示科研成果，需要构建智能的高校科研信息管理系统，该科研信息管理系统建立在大型科研数据信息数据库之上，采样各类智能功能模块设计和通信网络设计，实现科研项目数据信息的智能分配和共享，提高院校职能部门对科研项目的监督和管理效能。因此，研究智能的高校科研信息管理系统具有重要意义[1]。

在传统方法中，对科研信息管理系统的数据处理采用的是本地数据库构建方法，采用传感器网络进行原始科研信息数据的采集，在本地PC机上进行信息处理和数据传输，用户在网内作为接收者和控制者，通过发送和接收数据请求完成资源的调度和处理，由于没有通过网络通信设计，导致科研信息的调度效率较差，项目的跟踪力度不好[2]。针对上述问题，本文提出一种基于WSN的高校科研管理系统设计方法，系统结合云计算信息调度和无线传感网络的大数据处理技术，进行了数据库的构建和数据信息调度模型设计，重点对科研管理系统的网络通信模块进行设计，提高了科研管理系统中数据信息的通信传输和资源共享能力，仿真实验进行了性能验证，展示本文设计系统的有效性。

1 基于WSN的科研管理系统总体结构描述和资源信息调度算法

1.1 基于WSN的科研管理系统总体结构描述

本文采用无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）进行科研管理系统信息资源的数据采集和调度，WSN包括的实体对象有：科研信息的数据资源；科研信息的数据采集节点和远程任务管理单元。用户通过外部Internet网络与资源所有者进行信息传输，发布查询请求和控制指令，返回调度信息。基于WSN的科研信息管理系统分为三层体系结构[3]，分别为：应用支撑层、网络基础设施层和网络应用业务层。在信息管理系统中，采用异构、层次化结构体系进行科研信息的数据信息融合和处理；在应用开发层进行数据配准和信息调度；在应用业务适配层进行模块化移植，为用户提供所需的各种通用服务。基于WSN的科研管理系统异构层次化网络结构模型如图1所示。

1.2 科研资源信息调度算法

在上述进行了系统总体结构设计和功能描述的基础上，构建科研资源信息调度算法，为系统的网络模块设计提供软件支撑，高校科研资源信息调度采用云计算网络调度方法，科研管理信息调度的操作系统由一个调度器和一些功能组件组成[4]，任务调度程序在一个组件中，硬件抽象组件通过中断两级调度机制进行WSN无线传感器网络的动态重配置，假设在全相位通道中，高校科研资源负载均重置后的数据配准输出fj的无偏估计值为，假定任务调度器的能耗标准差为σ=1，得：

其中，g（fj）是数据配准输出的强度幅值，若用θi（t）表示多用户通信信道中的时间宽度，再采用空间协方差矩阵逆的高阶次幂来逼近信息子空间，则可得到科研信息子空间的特征向量为：C=[c1，c2，…，cg]，C为云计算网格中节点G的配准约束方向的导向矢量，g为任务ti在虚拟机xi的约束矢量。当资源调度时间采样间隔达到T'后，重新接受频域X的申请。如果再次连续出现申请频率超出正常范围，则调整记录固定时间T'=2T，如此循环直至下一个ΔT时间内统计申请频率恢复正常为止。如果fX<σX，表明访问频率正常，对频域X的访问频率继续保持在动态ΔT时间内的监控和特征匹配。通过上述算法设计，实现了科研资源信息调度，以此为核心算法进行程序设计，加载到系统的控制器模块中，实现科研信息数据的智能管理。

2 系统模块设计与实现

本文设计的高校科研信息管理系统主要包括控制器模块、数据存储模块和网络通信模块以及数据显示模块等，在前期的软件平台设计的基础上，主要对系统的网络通信模块进行设计。在网络模块设计中，采用WSN同构网络互联结构，在接入网关的实现方案上，结合模块化的网关和一体化的网关，把科研信息管理数据分配到WAN（Wide Area Networks，广域网）和802.5（令牌环），通过网关使得不同用户通过网络连接顺利进行交流，系统使用 S3C2440作为系统控制核心，实现网关与传感器网络的互联，网关设计的硬件原理如图2所示。

图2中，以32位 RISC ARM920T 为内核的一种网络微控制器，可提供10 Mb/s、100 Mb/s的科研信息管理信息的数据传输功能，在RS-232接口中通过485网络或以太网获取控制端的查询信息指令，在科研信息查询过程中，需要采用WSN网格化调度程序与PC进行通信，网关与传感器网络采用ARM嵌入式系统进行地址空间管理[5]。

网络的控制模块设计中，采用嵌入式网关的主控制设计方案，以ARM920T为核心的32位RISC微处理器对节点通信模块进行网络协议栈构建，为了保障系统中数据的隐私性和保密性，在资源库中用高层的组件数据进行编码、解码，编码解码算法采用混沌编码方案，网络的控制模块还需要设计网络协议库、传感器驱动库和硬件平台库，完成高校科研管理信息资源标准的TinyOS调度，调度程序的执行模块必须提供接口，高校科研信息管理系统网络模块的控制接口定义如下：

通过调用runNextTask（FALSE）可能返回资源信息的MCU空闲值TRUE，runNextTask（）将会一直等待有新的任务出现并实现信息交换。

科研信息管理系统中，基于组件式的架构形式进行无线消息包交互，无线消息包组件进行消息包级的数据处理。主动消息组件（Active Message） 完成控制路由修复的工作，综上分析，得到网络控制模块的基础是采样nesC的组件-模块合成组件和资源调度的硬件抽象组件，实现数据处理、通信处理、传感器数据读取等功能，科研管理系统的TinyOS组件功能模块构成如图3所示。

科研管理系统的网络模块可以使用或提供多个接口，调用接口中command申明的函数的功能，在组件的核心模块组件中用module申明模块文件，uses来申明使用接口情况。

调用 updateDEETX（） 函数计算窗口，得到路径 ETX的是父节点到根节点的 ETX的特征值，采用CTP 协议构建科研信息管理系统的路由表结构，路由表的大小取决于链路估计器邻居表的状态值，得到科研信息管理系统的网络模块路由帧格式如图4所示。

当节点接收到一个路由帧时，路由引擎将 Init 接口接到 MainC，BeaconTimer 的下一次发送时间初始值设为 minInterval（128），由此进行路由循环，实现科研管理系统的数据收发和资源共享。

3 仿真实验与结果分析

为了测试本文设计的基于WSN的高校科研管理系统的性能，进行仿真实验，在实验中，硬件平台配置为：Intel Core i5处理器，主频2.8 GHz，采用Matlab进行资源调度算法的编程，然后加载到系统的主控模块中，采用WSN数据传感器实时读取工作站中的科研信息存储数据，并通过资源调度和数据融合算法进行数据格式规范化处理，便于管理员设置系统初始化参数及报警条件，采用PHP和MySQL实现数据库的构建，MySQL作为数据库来保存采集到的数据，信息浏览通过Web访问监控数据库实现，采用本文设计的路由引擎和网络模块与上位机进行数据传输和通信，得到系统的Web控制端界面如图5所示。

在图5所示的系统结构中，点击左边的data，可进行数据查询，点击config可进行数据库的参量设置，点击左user，可以对用户进行管理，比如密码，权限等，由此实现了整个科研管理系统的模块化设计，系统具有较好的人机交互性和面向对象性。为了测试本文设计系统的性能，以科研信息资源的数据传递率为测试指标，采用不同的系统设计方法进行系统的网络模块设计，得到在不同缓存大小的科研传递率对比结果如图6所示。从图6可见，采用本文算法进行科研管理系统设计，资源传递率较高，性能优越。

4 结 语

本文提出一种基于WSN的高校科研管理系统设计方法，系统结合云计算信息调度和无线传感网络的大数据处理技术，进行了数据库的构建和数据信息调度模型设计，重点对科研管理系统的网络通信模块进行设计，提高了科研管理系统中数据信息的通信传输和资源共享能力。研究结果表明，采用该系统进行科研资源管理，路由分发性能较好，网络连通性提高，数据传递性能优越，提高了高校科研信息管理和调度能力。

参考文献

[1]刘燕.基于云计算信息处理系统体系结构设计[J].科技通报， 2012，28（18）： 100-102.

[2]胡继华，钟广鹏，严国灿.基于GIS 的动态应急资源调度系统设计与实计[J].计算机应用研究，2012，29（1）：200-202，223.

[3]王炜，刘茂，王丽.基于马尔科夫决策过程的应急资源调度方案的动态优化[J].南开大学学报（自然科学版），2010，43（3）：18-23.

[4]罗泽峰，单广超.基于网络和虚拟多媒体技术的海战平台视景仿真实现[J].物联网技术，2015，5（3）：91-92，94.

[5]周勇，甘新年，胡光波，等.鱼雷制导控制系统多通道控制加权算法设计[J].现代电子技术，2014，37（19）：14-17.