基于Web的工业无线传感器网络图路由时隙调度

李浩宇，王洪超，杨 冬，杨俊华

(北京交通大学 电子信息工程学院 下一代互联网互联设备国家工程实验室，北京 100044)

基于Web的工业无线传感器网络图路由时隙调度

李浩宇，王洪超，杨 冬，杨俊华

(北京交通大学 电子信息工程学院 下一代互联网互联设备国家工程实验室，北京 100044)

无线传感器网络以其低成本、低功耗、易部署等优势广泛应用于各个领域。在工业环境中，对信号传输的实时性和可靠性要求非常高，但是目前的无线传感器网络主要工作在分布式系统下，其网络拓扑管控、实时性和可靠性难于保证。为解决这一问题，文中设计的工业无线传感器网络采用集中控制思想，使用系统控制与数据转发分离的系统架构，对网络图路由和时隙资源调度进行集中控制，以提高网络的可控可管性、实时性和可靠性，满足工业应用需求。在此基础上设计并实现了一种路由时隙调度机制和基于Web的可视化管理系统，用户可以方便地通过Web界面集中控制整个无线传感器网络，进行路径选择并生成相应的路由图，进而可根据不同的工业应用需求灵活调度时隙资源。随后建立起了基于方案的实验环境并进行了图路由规划和时隙调度测试。测试结果表明，该方案能够有效对工业无线传感器网络的图路由拓扑和时隙资源进行统一调度，提升了通信的实时性和可靠性。

工业无线传感器网络；集中控制；图路由；可视化管理

0 引 言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)[1]是由大量的传感器节点通过无线通信方式形成的多跳自组织网络。WSN综合了嵌入计算技术、传感器技术、分布式信息处理技术和通信技术实时监测、感知、采集网络分布区域内的信息，并对其进行处理[2-3]。由于具有通信成本低、组网灵活、使用方便等优势，其广泛应用于军事、医疗、农业、工业等领域[4-5]。目前的无线传感器网络在工业应用中还面临着许多挑战：一方面，恶劣的工业环境造成工业应用需求的实时性和可靠性难于保证；另一方面，工业应用需求多变，不同的工业应用对采样应用的类别和采样的频率等具有不同的需求。目前分布式设计的无线传感器网络无法在组网后对网络的路由、时隙资源以及采样应用和采样频率等进行动态调度，导致网络的可管、可控能力差，不能满足工业应用的需求。在关键的时隙调度方面，目前基于时隙调度的协议基本上采用等长的时隙大小，不能适应数据流量变化大的网络且忽略与网络层的融合，没有利用路由层信息来降低时隙分配算法性能代价[6-8]。

文中所设计的工业无线传感器网络系统采用集中控制的思想，使用系统控制与数据转发分离的系统架构，由控制器负责网络图路由和时隙资源调度，以提高网络的可控可管性，使网络的实时性和可靠性得以保证，满足了工业应用需求。在实现网络的集中控制后，为了满足不同的工业应用需求，用户可以根据无线传感器节点的信号强度、剩余电量、处理能力以及实时转发数据量等信息，动态改变节点的路由，调度时隙资源。

由于无线传感器节点数量多，当传感器节点在短时间内采集大量信息时，在控制器端直接查询和处理这些信息非常不便[9]。例如节点在组网过程中会返回节点入网状态、链路状态、邻居信息等大量网络资源信息，控制器需要知道这些信息才能完成图路由调度和时隙调度，准确定位到路径中的每一个节点。现有的无线传感器网络开发平台的监控终端基本属于单机、本地模式，无法实现远程、灵活监控；同时采用通用监控软件，存在使用不便、功能简单的缺点。Web服务是一种逻辑性地为其他应用程序提供服务与数据的网络应用与服务组件，具有良好的自包含、自描述性，跨网络、跨平台、跨系统等松散耦合性，可编程控制且高度集成[4,10-11]。为了便于对无线传感器网络进行管理，有必要设计一个管理方便、界面友好、操作高效的可视化Web管理系统。通过该系统可以方便实现查看节点在线状态，实时网络状态信息、链路信息、邻居信息和信号强度，规划图路由，调度时隙资源，下发应用，查看采样数据等功能。

1 基于Web的工业无线传感器网络图路由规划与调度系统体系结构

基于Web的工业无线传感器网络图路由规划与调度系统体系结构包括三部分：节点端、服务器端和客户端。

因为无线传感器节点处理能力和存储能力有限，所以节点端主要负责数据的采集、控制命令和数据的转发，数据的存储和处理交给功能强大的服务器端来完成。用户通过客户端就可以调用服务器资源，集中管理和控制传感器网络，便于进行图路由的规划和时隙的调度。服务器端响应用户的需求，处理和转发由用户需求转化成的相应信息到无线传感器网络，下发图路由和时隙划分信息到无线传感器节点，使节点按照用户的需求进行工作。

1.1 节点端

无线传感器网络节点端主要由接入网关、普通节点和汇聚节点组成。

普通节点具有双重功能，既可以采集数据，又可以转发数据。普通节点采集的数据通过多跳的方式转发到汇聚节点，汇聚节点与网关通信以完成无线数据包到有线数据包的转换，同时汇聚节点还会收到网关转发来的包含图路由信息、时隙调度信息和采样应用信息等的数据包。根据不同需求，汇聚节点通过单播或广播方式将数据包转发到相应节点或网络中的所有节点。

1.2 服务器端

服务器端主要由管理服务器、Web服务器和数据库服务器三部分组成，这三部分共同完成对无线传感器网络节点的集中控制。

网关接收汇聚节点转发的数据包并将数据包转发到管理服务器；管理服务器是整个传感器网络的集中控制器，是整套网络正常运行的核心部分，完成传感器节点整套网络的管理，同时还与Web服务器和数据库服务器进行交互，将处理的数据存储到数据库中，同时将实时性要求高的数据和报警数据直接转发到Web服务器进行处理；Web服务器是用户和管理服务器交互的桥梁，一方面接收管理服务器转发的数据呈现给用户，另一方面响应用户的请求，将用户请求转发到管理服务器进行处理，同时Web服务器还需要随时对数据库服务器进行读取操作；数据库服务器主要用于存储用户信息、网络状态、链路信息等，是整套网络数据存储的关键部分。

1.3 客户端

客户端由与Web服务器相连的一台或多台终端组成。

客户端从Web服务器获取数据，为用户提供了一个直接与无线传感器系统进行交互的可视化平台。在客户端的Web界面，用户可以查看无线传感器节点采集的信息，对无线传感器网络进行路由规划和时隙调度。与传统的命令行控制方式相比有诸多优点：图形化界面操作简洁，不需要通过配置文件进行配置；对专业知识要求低，易上手；没有命令行界面中的一些高级权限，不会因操作不当引发系统问题，安全性强。

2 基于Web的工业无线传感器网络图路由规划与调度的设计与实现

2.1 图路由规划设计

文中设计的工业无限传感器网络采用了图路由协议。网络中的节点通过相互间的信息交互获取邻居信息，生成邻居表，还可以获取链路信息和节点信息。节点将这些信息通过周期汇报的方式上传到管理服务器，管理服务器通过这些信息生成整个网络的全局信息。

无线传感器网络在组网完成之前，每个无线传感器节点处于侦听状态来感知邻居节点信息，整个网络通过自组织形式生成一个默认图路由，这个过程是不受控的。组网完成后，用户可以根据不同需求通过管理服务器对路由进行人工配置，对网络进行集中管控。文中重点研究的是组网完成后的集中管控配置方式，根据工业应用需求，用户可以通过Web界面规划并下发相应的图路由信息到无线传感器节点。在图路由规划的设计中，主要研究的是Web界面的设计，Web服务器和管理服务器数据的交互。管理服务器中的路径度量算法和路径选择算法可参考文献[12]。

以图1所示的简单网络拓扑为例。图中显示由6个节点组成的多跳网络拓扑，图中带箭头的线表示入网形成的网络拓扑，网络拓扑形成后节点数据的上传都是沿箭头所示的方向。虚线表示节点相互感知的邻居信息，只有是节点自己的邻居节点才能作为图路由选择的源节点或目的节点。

图1 图路由规划

图中节点N5为第三跳节点，默认情况下数据包上传过程中下一跳节点是自己入网的父节点，即节点N4。当需要自己定义一条新的路由时，可以根据Web界面显示的链路信息、节点邻居信息、节点间信号强度等信息自己设计路由图。在Web界面规划好图路由后，下发如表1所示的信息到相应节点，节点收到信息后生成图路由表，图路由表中包含图路由号和下一跳节点。当有数据需要发送或转发时，节点根据图路由号查询路由表，确定下一跳节点。在图1中，当下发了表1中的图路由信息后，形成了图中点线所示的新路由。当节点N5采集到传感数据时，查询路由表，将数据转发到N6，N6在查询路由表后将数据转发到N1，N1直接将数据转到管理服务器进行处理，最终将数据以图表的形式显示在Web界面上。但是，只进行图路由的规划并不能将数据传输到管理服务器，因为节点端使用了TDMA协议，所以还需要给节点分配时隙，即进行时隙调度，才能正常传输数据。

表1 图路由调度信息

2.2 时隙调度设计

因为节点端使用了TDMA协议，所以还需要对节点进行时隙调度，才能正常传输数据。

2.2.1 时隙分配

所设计的传感器网络时隙分配策略是由100个时隙构成一个超帧，将超帧的第0～39个时隙用作管理时隙，第40～99个时隙用作数据时隙。为了扩展管理时隙的管控功能，引入复用因子。在所设计的网络中，复用因子为5，表示5个普通超帧构成一个管理超帧。管理时隙的循环周期为5个普通超帧，数据时隙每个超帧循环一次。管理时隙又分配广播时隙、管理共享时隙和管理上行时隙，这些时隙的分配由管理服务器统一调度，用于节点入网，节点间广播，邻居发现，状态汇报等。管理服务器没有对数据时隙进行分配，由用户根据不同的工业应用需求灵活分配。

2.2.2 时隙调度

在时隙非分配过程中，管理时隙的分配由管理服务器根据节点的功能和节点的入网顺序统一分配，其分配算法可参考文献[13]中的时隙分配算法。文中设计的时隙调度就是对时隙号为40～99的数据时隙进行调度，下发时隙调度信息到各无线传感器节点后节点在相应的时隙传输采样数据。

对图1的网络拓扑进行时隙调度，时隙调度时需要和图路由规划时分配的图路由号相匹配才能正确完成数据的传输。

表2是对上一节中图路由经过的节点进行时隙调度的信息，对每个节点分配时隙时，需要分配下发起始时隙号、时隙数目，这样才能知道将40～99这60个时隙的哪些时隙资源分配到哪些节点。为了满足工业应用中实时性和可靠性的需求，对时隙进行调度时，可以给同一个节点分配多个时隙用于数据的传输。若某个节点采样的数据较多，需要很快将数据传输到管理服务器进行处理，可以给该节点分配多个时隙，使其数据可以通过多个时隙发送到目的节点。

表2 时隙调度信息

图2显示了给节点N5规划的这条图路由经过的节点进行时隙调度后，各节点时隙资源的占用情况，箭头表示数据上行传输。由于节点MAC层采用了TDMA协议，所以时隙的调度都是成对的。当给某节点分配时隙后，其相应的下一跳目的节点也要分配相同时隙号的时隙资源，处于监听状态以接收该时隙上的数据包。图中N1，N3，N6，N5分别为0至3跳节点，相同颜色的时隙是分配给某一跳的源和目的节点用来发送和接收数据的。例如，40、41时隙分配给N5节点发送数据，其下一跳目的节点N6在这两个时隙接收N5发送的数据。

图2 时隙资源分配示例

时隙调度完成后，节点可以在规划好的图路由上传输数据，接下来用户可以根据不同的应用需求下发信息到相应的节点以采集数据，Web界面端将采集的数据以图形界面的方式显示以供用户查看、分析等。

2.3 Web界面设计

在Web界面，用户可以看到传感器节点的在线状态、工作状态、链路状态、邻居状态、图路由规划、时隙调度、应用下发等模块。在线状态模块可以看到节点的入网状态，是处于离线状态，正在入网状态还是在线状态；工作状态模块可以看出节点的队列长度、电池电量、CPU利用率、转发数据包数量等信息，这些指标可以用来判断节点的负荷、网络质量等；链路状态可以看到节点组网形成的最初的网络状态；邻居状态可以看到节点之间的邻居关系和邻居之间的信号强度，是进行图路由规划的重要依据；图路由规划，时隙调度，应用下发模块完成节点路由信息的下发，时隙资源的分配和采样应用的下发，是该Web系统的核心部分。

参照以上功能需求，Web界面的设计使用了adobe公司开发的flex技术。flex是一个高效、免费的开源框架，可以构建出操作方便、界面友好的Web应用程序。文中使用了flex的Cairngorm框架[14]，客户端与服务器的交互使用了两种机制：一种是事件响应机制，有用户需求才会请求数据；另一种是服务器推送机制，需要随时动态更新数据，实时性要求高。

2.3.1 事件响应机制

Cairngorm框架将用户的请求当作一个Event事件来处理，框架已经写好相应的接口函数，只需要按照框架的工作流程编写或复写函数即可调用服务器端的资源，服务器响应用户需求后将数据返回用户。

由于每次获取数据都需要用户主动去发送请求，所以该方式只适合获取登陆信息，节点硬件信息等不经常更新的信息。由于工业应用对数据的实时性要求较高，所以很多数据的获取都是服务器主动推送到界面显示。

2.3.2 服务器推送机制

为保证数据显示的实时性，界面需要实时更新节点路由信息，邻居、工作状态等信息。flex提供了后台推送数据的机制，文中采用flex的AMF协议进行数据的推送。AMF采用二进制编码，可以高度压缩数据，非常适合传输大量的数据。每当一个新用户连接服务器时，都会为该用户创建一个线程用于数据同步，当相同用户打开多个网页检测时，服务器可以判断出该用户已经连接到服务器了，就不再创建新的线程，而是推送与第一次打开线程相同的数据，以减小网络带宽。当网络拓扑和节点的状态达到稳定时，如果服务器还继续推送这些数据，不仅会增大服务器负担与网络带宽，因为浏览器要随时处理大量的数据，还会增大浏览器的负担。为解决这样的问题，在服务端编写了相应的算法来分析网络状态、拓扑等信息会不会发生变化，直到有数据变化时才会向浏览器推送信息，即做到了增量更新。

3 功能测试

3.1 测试环境

为了验证系统的功能，在实验室中搭建了16个节点组成的多跳工业无线传感器网络，在所有节点入网完成后形成的网络拓扑如图3所示。

图3 测试拓扑

在测试环境中，节点0001为汇聚节点，负责与网关进行有线和无线数据的转换，其他节点都可以采集和转发数据。从图中可以看出，节点组网形成了两跳网络，在不对其进行图路由规划前，节点间除了广播数据包，其他数据包的转发都只能与自己的父节点或子节点进行，网络的灵活度不够高。规划图路由后就可以通过自己的邻居节点转发数据，极大地提高了网络的灵活性。

3.2 图路由规划测试

在图路由规划前需要知道每个节点的邻居节点信息，节点在工作过程中周期上报自己的邻居信息，汇聚到服务器后形成了图3中所示的邻居状态图，根据状态图可以看出所有节点的邻居节点。

在Web界面中可以规划自己的图路由，在测试过程中规划的图路由的相关配置信息结构如表1所示。其中不同的图路由号用来划分不同的应用，每条图路由用图路由号进行区分。

给节点下发图路由配置信息后，节点收到数据包后会将自己的图路由拓扑信息返回给管理服务器，管理服务器转发给Web服务器，最终在客户端的Web界面显示规划好的图路由拓扑。图3中的图路由拓扑即是下发图路由配置信息后节点返回的4条图路由，不同的图路由用不同的线显示。在图路由配置信息下发的过程中，为了保证相应的节点都接收到数据，在Web服务器端设置了检测机制，若在2秒内不能收到节点返回的图路由信息则重新给没反馈信息的节点发送数据，以保证工业应用的可靠性需求。

3.3 时隙调度测试

节点图路由拓扑形成后，需要给图路由经过节点分配相应的时隙资源来完成数据的传输。在Web界面为各节点分配的时隙信息结构如表2所示。由于时隙资源比较宝贵，所以在时隙的调度中有共享时隙存在。共享时隙是一个复合时隙，可用作多种数据的交互，这样就可以保证在相同的时隙上传输一些实时性要求高、数据量小的数据，合理利用时隙资源。当遇到实时性要求高的数据可以多分配时隙，保证数据能够实时地传输到管理服务器，最终显示给用户。

当图路由规划好且时隙调度完成后，就可以在规划好的图路由上传输数据。为了验证图路由规划和时隙调度的合理性，用传感器节点自带的光强传感器采集实验室光强进行测试，结果如图4所示。

图4 光强采样动态曲线

4 结束语

工业无线传感器网络是互联网在工业领域的一个重要应用，图路由规划和时隙调度提高了网络的灵活度，用户可以根据不同的工业应用需求规划不同的网络拓扑并调度不同的时隙资源。文中在管理服务器和节点网络设计了图路由规划和时隙调度算法，并在此基础上设计了Web形式的管理界面，通过抽象出管理服务器和Web服务器的数据交互接口，实现了通过Web可视化界面查看底层网络拓扑结构、节点在线状态等参数，重要的是可以便于对网络的图路由拓扑和时隙资源进行统一调度。在后续的工作中，可以根据不同的工业应用需求，增加更多的功能。

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GraphRoutingandSlotSchedulingofIndustrialWirelessSensorNetworkBasedonWeb

LI Hao-yu，WANG Hong-chao，YANG Dong，YANG Jun-hua

(National Engineering Laboratory for NGI Interconnection Devices，School of Electronics and Informaiton Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044,China)

Wireless sensor network is widely used in various areas because of its advantages of low cost and power consumption,and easy deployment.In industrial environments,the real-time and reliability of signal transmission are highly demanded,but the existing wireless sensor networks mainly work in distributed network,whose control of network topology,real-time and reliability are hard to guarantee.In order to improve the controllability,real-time and reliability of the network and meet the needs of industrial applications,the industrial wireless sensor network designed in this paper adopts the idea of centralized control and has the structure of system control and data forwarding separation,which can implement the centralized control of graph routing and slot scheduling.On this basis,a slot scheduling mechanism of routing and a web-based visualization management system are designed and implemented.Users can implement the centralized control of the entire wireless sensor network through Web interface conveniently,conduct routing selection and generate the corresponding routing map to schedule slot resources flexibly according to different needs of industrial applications.Then a scheme-based experimental environment is established and the map routing and time slot scheduling test are carried out.The results prove that the proposed scheme can effectively schedule the topology and slot resources of the industrial wireless sensor network and improve the real-time and reliability of the communication.

industrial wireless sensor networks;centralized control;graph routing;visualization management

TP31

A

1673-629X(2017)12-0133-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.12.029

2016-12-19

2017-04-13 < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2017-09-27

国家“973”重点基础研究发展计划项目(2013CB329100)；中央高校基本科研业务费专项资金(2015JBM006，2016JBM004)

李浩宇(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为下一代互联网理论与技术、工业无线传感器网络；王洪超，博士，讲师，研究方向为下一代互联网理论与技术、工业无线传感器网络；杨 冬，博士，副教授，研究方向为下一代互联网理论与技术、工业无线传感器网络。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170927.0958.028.html