基于无线传感网中间件的远程监控系统

蹇文军

（巴音郭楞职业技术学院 新疆维吾尔自治区库尔勒市 841000）

物联网是近年来较热的一个发展方向，随着5G 技术的应用，物联网时代逐渐来临，其主要指的是通过无线网络以感知设备、智能设备为基础将我们生活中的物品进行互联，在物联网实现的过程中无线传感网占有重要的地位。无线传感网是由大量无线传感器节点结合形成的网络，是物联网的基础终端感知设备，对于物联网的意义重大。随着物联网的推进与发展，无线传感网也日益复杂，其要求与功能也越来越多。而无线传感网中间件的远程监控系统是其中重要的组成部分，其可以实现对设备的远程监控与感知，实时监测设备的参数与状态，并通过网络进入物联网之中，实现远程管理与控制。由于物联网是以万物互联为基础，不同的物品其特点和对于监测的要求也不同，因此对于无线传感网中间件的远程监控系统的要求与功能也不同，这在一定程度上增加了其研究与分析的难度。

1 基于无线传感网中间件的远程监控系统研究的意义

在物联网的应用中，基于无线传感网中间件的远程监控系统主要依靠嵌入式系统实现，因此其具有低功耗、多节点以及自组织的特点，其集合了数据采集、处理与传输等多种功能，涉及到的技术与知识较多，是现阶段物联网技术中发展较迅速的一个方向。可以说无线传感网的研究与发展直接关系到物联网的进步，是当前世界科技竞争的热点方向之一。而基于无线传感网中间件的远程监控系统指的是可以实现自动组网、远程监控以及无线传输信息的智能监控系统，对于物联网的发展意义重大，可以极大的提高人们生活的便利程度，将复杂的应用简单化，提高社会运行的效率，进而推动社会经济的进步。

2 基于无线传感网中间件的远程监控系统研究现状

2.1 无线传感网的特点

无线传感器网是物联网应用的基础技术之一，其是以嵌入式系统为载体，以无线传感器为基础的一种数据采集网络。通过分布在物品上的大量无线传感器组成一个既有低功耗、多节点以及自组织的网络，可以实现对物品基础数据以及实时状态的感知，并且进行简单的处理，相比于传统的数据采集系统，其主要有如下的特点：

（1）由于其较强的适应性，因此决定了其价格、体积以及功耗都必须要尽量降低，这在一定程度上限制了其功能，因此其结构较为简单；

（2）基于物联网的特性是实现万物互联，因此无线传感网的节点规模非常大，面对的工作环境也极其复杂，且要随时接入网络之中，因此其适应性较强且具有一定的纠错能力；

（3）无线传感网主要是实现对物品的实时监测与感知，因此其要具有一定的通信能力，随着5G 技术的应用与发展，将5G 技术与无线传感网结合应用可以极大的提高无线传感网的通信能力；

（4）由于应用场景与应用环境较多，很多时候无法接入外接电源，因此为了提高其应用效率，无线传感器要具有低功耗的特点。

2.2 无线传感网中间件技术

由于无线传感器的应用场景与应用环境非常复杂，因此，需要一个可以解决其通用性的技术，提高其可扩展性与适应性，中间件就是这样一种技术，其可以屏蔽底层环境的异构性，为无线传感器的应用提供较为统一的开发环境，大大降低无线传感系统的开发难度。随着物联网的发展越来越深入，无线传感网的应用越来越广泛，中间件的应用也越来越广泛，中间件技术可以为复杂多变的无线传感网应用提供一个统一与开放的平台与架构，提高无线传感网开发效率。无线传感网中间件技术有多种设计方法，主要分为以下几种：

（1）基于虚拟机的无线传感网中间件：以虚拟机为基础的设计，因此可以适当增减一些应用，灵活性与可控性较强，但是要在所有节点运行虚拟机，因此成本较高；

（2）基于数据库的无线传感网中间件：以全部无线传感网为基础，通过节点之间的互联形成较大的数据库，先在络中进行查询然后选择合适的节点进行数据传输，但是其对于异构的支持性较差，且数据未经过第一步处理，因此难以实现实时性；

（3）基于服务发现的WSN 中间件：其具有一定的可调整性，可以根据实际情况对网络应用进行调整，但是其对于资源的要求较高，难以适应复杂的应用环境；

（4）消息驱动的中间件：其是对于特定状态或特定信息的感知，当无线传感器检测到相应的信息与状态时就可以做出响应，且可以实现特定的通信传输，适应性较强且适合于大规模的无线传感网应用，但是其对于复合事件响应的可靠性以及处理能力还需要进一步提高；

（5）移动代理中间件：是现阶段发展迅速的技术之一，其主要特点是可以迁移，自动与无线传感网网络进行连接，并可以主动收集信息，进行远程通信。

除了以上的中间件技术之外，还有其他的中间件技术，在实际应用中要根据实际的应用的情况与特点进行选择，以符合实际的应用要求。在远程监控系统中并不能直接应用以上技术，还需要进行一定的设计与开发。

2.3 目前存在的问题

（1）现阶段，无线传感网的应用与开发还是以上层为主，针对中间件的研究与开发较少，主要是由于中间件的设计较为复杂，需要考虑较多的问题，保证其可用性与通用性，且需要相关的硬件支持，实现的功能也较多，此外，还需要保留扩展性；

（2）远程监控系统本质上是一种无线传感网的数据采集系统，其研究也较为基础，目前主要以数据采集为主，对于数学信息的处理与管理能力不足，扩展性与移动性不足，且还需要考虑实际应用场景，通用性较差；

（3）由于远程监控系统其需要实现实时监测与数据采集，因此要持续耗能，但是应用场景中可能无法持续提供外接能源，因此其对于耗能有一定的要求，但是现阶段的电池技术与无线传感器应用耗能较高，难以实现持续应用。

3 基于无线传感网中间件的远程监控系统设计

3.1 远程监控系统应用的特点

远程监控系统本质上是无线传感网的一种数据采集技术，但是随着物联网以及无线传感网的发展，现阶段远程监控系统需要具备一定的控制能力与信息处理能力，其主要有如下的特点与要求：

（1）远程监控系统首先要实现对监控对象实时状态的信息采集，并进行分析，在其状态出现改变时要及时将数据信息传输到控制端，主要分为被动监控、主动监控以及主被动结合监控三类监控方式，根据不同的场景，选择也有所不同；

（2）远程监控系统的终端可以简单的对监控对象的实时数据进行处理与分析，但是复杂的处理与分析还需要传输至主控端进行；

（3）远程监控系统可以实现对监控对象的控制，并执行主控端的指令，且具备一定的扩展性与适应性，且主控端可以根据实际情况对远程监控系统进行调节。

3.2 无线传感网中间件设计

无线传感网中间件设计的总体模型要根据远程监控系统的特点进行分析，中间件需要具备多种能力，包括用于数据分析、处理以及存储的能力、具备对监控对象网络控制的能力、提高其扩展性与通用性的通用接口与协议、具备将监控对象与主控端进行连接的通信能力以及执行主控端指令的执行能力等。因此，要实现以上的多项功能，基于无线传感网中间件的远程监控系统需要身处全局网络数据之中，且该网络需要具备层次结构，可以实现实时信息传输以及调用底层数据库，且要具备一定的拓展性。综合来看，采用虚拟机的中间件适应性与处理能力较强，但是实现较为复杂，且成本较高。此外，基于无线传感网中间件的远程监控系统数据交换也非常重要，主要依赖于通信能力实现，其通信能力不只是简单的数据传输，还包括数据交换与处理分析，因此需要具备比较强的数据表达能力，现阶段主要以数据库的方式进行解决，但是其表达能力较差，而XML 语言的表达能力较强，因此，可作为基于无线传感网中间件的远程监控系统设计的通信手段进行应用；最后服务发现能力对于远程监控系统也非常重要，而普通的无线传感节点其负载与通信能力有限，因此不适合应用虚拟机进行服务，所以本文研究的主要是简单的服务发现，以中间件设计为基础，获取节点的数据信息，并通过中间件实现服务要求。

3.3 无线传感网中间件详细设计

基于无线传感网中间件的远程监控系统的主要设计结构包括CGI 程序、数据库接口设计、解释器设计以及模型层设计和协调器接口设计等，以下分别进行介绍：

（1）CGI 程序设计：CGI 程序指的是在物理服务器上运行的程序，是浏览器与Web 服务器连接的通道，是Web 功能拓展的基础。CGI 程序的设计可以采用多种计算机语言，没有具体的要求。

（2）数据库接口设计：数据库是所有功能实现的基础，因此其接口的设计直接关系到远程监控系统的功能和性能，无线传感网中间件的数据库要求可以实现频繁访问、可支持多节点同时访问、以及数据即时存储和保护功能，避免断电时出现数据丢失的情况。

（3）解释层设计：解释层是无线传感网中间件的远程监控系统各个部分之间连接的桥梁，其主要的作用是读取节点传输的信息，并传输给决策层，然后相应的做出响应，保证指令的传输与转化，使远程监控系统可以做出实时响应，解释层的设计非常重要，需要连接CGI 程序、节点、模型层等多个层面的信息转化与解释，保证各个系统之间的连接正常与指令转化，保证各个系统之间的协作顺畅，要求可以实现多线程处理能力，以应对未来复杂的解释任务。

（4）协调器接口：其指的是模型层的接口，应该做到通用性与高效性，可以极大的扩展无线传感网中间件的远程监控系统的功能，现阶段串口转USB 接口是一个主要的发展方向，其具有通用性强，读写效率高的特点，在进行设计时要注意设置正常的参数以及使用非阻塞方式读写。

3.4 无线传感网节点设计

基于无线传感网中间件的远程监控系统中节点的设计非常重要，是该系统的基础组成部分，中间件实质上是控制或者使用节点的分布式程序。节点程序的设计可以采用智能算法进行设计或者基于实际应用的硬件进行设计，其主要的内容是获取监控对象的数据与状态信息，然后将其传输到中间件中。节点程序的设计主要包括协调器、路由器和终端节点等，其中协调器主要负责节点与无线传感网的连接、维护以及信息传输等工作；路由器主要负责分配相关信息的传输路径；终端节点的主要功能注册服务和实现服务。

4 结论

本文主要研究了基于无线传感网中间件的远程监控系统，总结了其应用的特点以及问题，并就中间件的技术进行分析研究，针对性的提出了基于无线传感网中间件的远程监控系统的设计方法，实现了基础的数据采集、处理与传输功能，但是依然存在的许多不足，需要进一步进行研究。总之，基于无线传感网中间件的远程监控系统的研究对于物联网的发展具有较为重要的意义，需要持续进行推进。