基于WSN的高校科研管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

陸興華　陳勁

摘 要：高校的科研信息更新速度較快，對(duì)資源的共享和數(shù)據(jù)信息的融合處理要求較高，為了構(gòu)建高校科研管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)科研信息的數(shù)據(jù)共享和調(diào)度。本設(shè)計(jì)的科研管理系統(tǒng)采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）體系結(jié)構(gòu)，主要包括控制器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊等。文章在前期軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，主要對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了科研管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和性能指標(biāo)描述，給出了采用WSN同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信模塊的設(shè)計(jì)，并以ARM920T為核心的32位RISC微處理器對(duì)節(jié)點(diǎn)通信模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧構(gòu)建，最后進(jìn)行路由引擎設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了科研管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)和資源共享。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較好的科研信息管理和調(diào)度能力，資源數(shù)據(jù)傳遞性能較好。

關(guān)鍵詞：高校科研管理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；WSN；網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-03

0 引 言

高校的科研信息吞吐量較大，項(xiàng)目的更替和信息的補(bǔ)充較為頻繁，為了加強(qiáng)高校的科研信息管理，促進(jìn)科研項(xiàng)目順利完成，展示科研成果，需要構(gòu)建智能的高校科研信息管理系統(tǒng)，該科研信息管理系統(tǒng)建立在大型科研數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)庫(kù)之上，采樣各類智能功能模塊設(shè)計(jì)和通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)科研項(xiàng)目數(shù)據(jù)信息的智能分配和共享，提高院校職能部門(mén)對(duì)科研項(xiàng)目的監(jiān)督和管理效能。因此，研究智能的高校科研信息管理系統(tǒng)具有重要意義[1]。

在傳統(tǒng)方法中，對(duì)科研信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理采用的是本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方法，采用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行原始科研信息數(shù)據(jù)的采集，在本地PC機(jī)上進(jìn)行信息處理和數(shù)據(jù)傳輸，用戶在網(wǎng)內(nèi)作為接收者和控制者，通過(guò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)請(qǐng)求完成資源的調(diào)度和處理，由于沒(méi)有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)，導(dǎo)致科研信息的調(diào)度效率較差，項(xiàng)目的跟蹤力度不好[2]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于WSN的高校科研管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)結(jié)合云計(jì)算信息調(diào)度和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建和數(shù)據(jù)信息調(diào)度模型設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)科研管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了科研管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的通信傳輸和資源共享能力，仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了性能驗(yàn)證，展示本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。

1 基于WSN的科研管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)描述和資源信息調(diào)度算法

1.1 基于WSN的科研管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)描述

本文采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）進(jìn)行科研管理系統(tǒng)信息資源的數(shù)據(jù)采集和調(diào)度，WSN包括的實(shí)體對(duì)象有：科研信息的數(shù)據(jù)資源；科研信息的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元。用戶通過(guò)外部Internet網(wǎng)絡(luò)與資源所有者進(jìn)行信息傳輸，發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，返回調(diào)度信息。基于WSN的科研信息管理系統(tǒng)分為三層體系結(jié)構(gòu)[3]，分別為：應(yīng)用支撐層、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)層。在信息管理系統(tǒng)中，采用異構(gòu)、層次化結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行科研信息的數(shù)據(jù)信息融合和處理；在應(yīng)用開(kāi)發(fā)層進(jìn)行數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和信息調(diào)度；在應(yīng)用業(yè)務(wù)適配層進(jìn)行模塊化移植，為用戶提供所需的各種通用服務(wù)。基于WSN的科研管理系統(tǒng)異構(gòu)層次化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.2 科研資源信息調(diào)度算法

在上述進(jìn)行了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能描述的基礎(chǔ)上，構(gòu)建科研資源信息調(diào)度算法，為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)提供軟件支撐，高校科研資源信息調(diào)度采用云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)調(diào)度方法，科研管理信息調(diào)度的操作系統(tǒng)由一個(gè)調(diào)度器和一些功能組件組成[4]，任務(wù)調(diào)度程序在一個(gè)組件中，硬件抽象組件通過(guò)中斷兩級(jí)調(diào)度機(jī)制進(jìn)行WSN無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)重配置，假設(shè)在全相位通道中，高校科研資源負(fù)載均重置后的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)輸出fj的無(wú)偏估計(jì)值為，假定任務(wù)調(diào)度器的能耗標(biāo)準(zhǔn)差為σ=1，得：

其中，g（fj）是數(shù)據(jù)配準(zhǔn)輸出的強(qiáng)度幅值，若用θi（t）表示多用戶通信信道中的時(shí)間寬度，再采用空間協(xié)方差矩陣逆的高階次冪來(lái)逼近信息子空間，則可得到科研信息子空間的特征向量為：C=[c1，c2，…，cg]，C為云計(jì)算網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)G的配準(zhǔn)約束方向的導(dǎo)向矢量，g為任務(wù)ti在虛擬機(jī)xi的約束矢量。當(dāng)資源調(diào)度時(shí)間采樣間隔達(dá)到T'后，重新接受頻域X的申請(qǐng)。如果再次連續(xù)出現(xiàn)申請(qǐng)頻率超出正常范圍，則調(diào)整記錄固定時(shí)間T'=2T，如此循環(huán)直至下一個(gè)ΔT時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)申請(qǐng)頻率恢復(fù)正常為止。如果fX<σX，表明訪問(wèn)頻率正常，對(duì)頻域X的訪問(wèn)頻率繼續(xù)保持在動(dòng)態(tài)ΔT時(shí)間內(nèi)的監(jiān)控和特征匹配。通過(guò)上述算法設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了科研資源信息調(diào)度，以此為核心算法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，加載到系統(tǒng)的控制器模塊中，實(shí)現(xiàn)科研信息數(shù)據(jù)的智能管理。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的高校科研信息管理系統(tǒng)主要包括控制器模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及數(shù)據(jù)顯示模塊等，在前期的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，主要對(duì)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。在網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)中，采用WSN同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)結(jié)構(gòu)，在接入網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案上，結(jié)合模塊化的網(wǎng)關(guān)和一體化的網(wǎng)關(guān)，把科研信息管理數(shù)據(jù)分配到WAN（Wide Area Networks，廣域網(wǎng)）和802.5（令牌環(huán)），通過(guò)網(wǎng)關(guān)使得不同用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接順利進(jìn)行交流，系統(tǒng)使用 S3C2440作為系統(tǒng)控制核心，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的硬件原理如圖2所示。

圖2中，以32位 RISC ARM920T 為內(nèi)核的一種網(wǎng)絡(luò)微控制器，可提供10 Mb/s、100 Mb/s的科研信息管理信息的數(shù)據(jù)傳輸功能，在RS-232接口中通過(guò)485網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)獲取控制端的查詢信息指令，在科研信息查詢過(guò)程中，需要采用WSN網(wǎng)格化調(diào)度程序與PC進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)與傳感器網(wǎng)絡(luò)采用ARM嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行地址空間管理[5]。

網(wǎng)絡(luò)的控制模塊設(shè)計(jì)中，采用嵌入式網(wǎng)關(guān)的主控制設(shè)計(jì)方案，以ARM920T為核心的32位RISC微處理器對(duì)節(jié)點(diǎn)通信模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧構(gòu)建，為了保障系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的隱私性和保密性，在資源庫(kù)中用高層的組件數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼，編碼解碼算法采用混沌編碼方案，網(wǎng)絡(luò)的控制模塊還需要設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議庫(kù)、傳感器驅(qū)動(dòng)庫(kù)和硬件平臺(tái)庫(kù)，完成高校科研管理信息資源標(biāo)準(zhǔn)的TinyOS調(diào)度，調(diào)度程序的執(zhí)行模塊必須提供接口，高校科研信息管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模塊的控制接口定義如下：

通過(guò)調(diào)用runNextTask（FALSE）可能返回資源信息的MCU空閑值TRUE，runNextTask（）將會(huì)一直等待有新的任務(wù)出現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)信息交換。

科研信息管理系統(tǒng)中，基于組件式的架構(gòu)形式進(jìn)行無(wú)線消息包交互，無(wú)線消息包組件進(jìn)行消息包級(jí)的數(shù)據(jù)處理。主動(dòng)消息組件（Active Message） 完成控制路由修復(fù)的工作，綜上分析，得到網(wǎng)絡(luò)控制模塊的基礎(chǔ)是采樣nesC的組件-模塊合成組件和資源調(diào)度的硬件抽象組件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、通信處理、傳感器數(shù)據(jù)讀取等功能，科研管理系統(tǒng)的TinyOS組件功能模塊構(gòu)成如圖3所示。

科研管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊可以使用或提供多個(gè)接口，調(diào)用接口中command申明的函數(shù)的功能，在組件的核心模塊組件中用module申明模塊文件，uses來(lái)申明使用接口情況。

調(diào)用 updateDEETX（） 函數(shù)計(jì)算窗口，得到路徑 ETX的是父節(jié)點(diǎn)到根節(jié)點(diǎn)的 ETX的特征值，采用CTP 協(xié)議構(gòu)建科研信息管理系統(tǒng)的路由表結(jié)構(gòu)，路由表的大小取決于鏈路估計(jì)器鄰居表的狀態(tài)值，得到科研信息管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊路由幀格式如圖4所示。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)路由幀時(shí)，路由引擎將 Init 接口接到 MainC，BeaconTimer 的下一次發(fā)送時(shí)間初始值設(shè)為 minInterval（128），由此進(jìn)行路由循環(huán)，實(shí)現(xiàn)科研管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā)和資源共享。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的基于WSN的高校科研管理系統(tǒng)的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，硬件平臺(tái)配置為：Intel Core i5處理器，主頻2.8 GHz，采用Matlab進(jìn)行資源調(diào)度算法的編程，然后加載到系統(tǒng)的主控模塊中，采用WSN數(shù)據(jù)傳感器實(shí)時(shí)讀取工作站中的科研信息存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過(guò)資源調(diào)度和數(shù)據(jù)融合算法進(jìn)行數(shù)據(jù)格式規(guī)范化處理，便于管理員設(shè)置系統(tǒng)初始化參數(shù)及報(bào)警條件，采用PHP和MySQL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建，MySQL作為數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)保存采集到的數(shù)據(jù)，信息瀏覽通過(guò)Web訪問(wèn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，采用本文設(shè)計(jì)的路由引擎和網(wǎng)絡(luò)模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和通信，得到系統(tǒng)的Web控制端界面如圖5所示。

在圖5所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，點(diǎn)擊左邊的data，可進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，點(diǎn)擊config可進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的參量設(shè)置，點(diǎn)擊左user，可以對(duì)用戶進(jìn)行管理，比如密碼，權(quán)限等，由此實(shí)現(xiàn)了整個(gè)科研管理系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有較好的人機(jī)交互性和面向?qū)ο笮浴榱藴y(cè)試本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能，以科研信息資源的數(shù)據(jù)傳遞率為測(cè)試指標(biāo)，采用不同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)，得到在不同緩存大小的科研傳遞率對(duì)比結(jié)果如圖6所示。從圖6可見(jiàn)，采用本文算法進(jìn)行科研管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，資源傳遞率較高，性能優(yōu)越。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于WSN的高校科研管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)結(jié)合云計(jì)算信息調(diào)度和無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建和數(shù)據(jù)信息調(diào)度模型設(shè)計(jì)，重點(diǎn)對(duì)科研管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，提高了科研管理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)信息的通信傳輸和資源共享能力。研究結(jié)果表明，采用該系統(tǒng)進(jìn)行科研資源管理，路由分發(fā)性能較好，網(wǎng)絡(luò)連通性提高，數(shù)據(jù)傳遞性能優(yōu)越，提高了高校科研信息管理和調(diào)度能力。

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