基于WSN的水資源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)研究

【摘 要】人類的快速發(fā)展帶來(lái)的是嚴(yán)重的自然環(huán)境問(wèn)題，特別是城市淡水資源的污染和匱乏，因此保護(hù)城市水資源是非常必要的。本文在“WSN技術(shù)在城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 ”項(xiàng)目背景下，提出了基于WSN的水資源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)方案。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)基于Web服務(wù)器和安卓app架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)查詢、消息推送等功能。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)管理 城市水資源 WSN

一、引 言

近年來(lái)，隨著人類的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和城市化進(jìn)程的加速，城市中人們的日常生活所產(chǎn)生的污水和大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)所帶來(lái)的工業(yè)污水排放給陸地上有限的淡水資源產(chǎn)生了非常巨大的威脅。因此，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的研發(fā)人員也在致力于城市水資源監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究工作中來(lái)，本文基于“WSN技術(shù)在城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 ”項(xiàng)目，提出了基于移動(dòng)設(shè)備端的城市水資源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的方案。

（一）數(shù)據(jù)管理平臺(tái)方案

圖1是數(shù)據(jù)管理平臺(tái)系統(tǒng)方案。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，按照其節(jié)點(diǎn)功能主要分為兩層，即傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)如上圖所示，傳感器節(jié)點(diǎn)包括路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)是為了使分散的節(jié)點(diǎn)組成多跳網(wǎng)絡(luò)，采集并傳輸水質(zhì)參數(shù)信息；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收傳感區(qū)域的水質(zhì)參數(shù)信息并在進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器通過(guò)HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)設(shè)備端的數(shù)據(jù)交互，通過(guò)XMPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)推送消息的發(fā)送，同時(shí)為了方便后期的平臺(tái)測(cè)試，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與Web服務(wù)器通信接口選擇為RS-232串口。

（二）數(shù)據(jù)管理平臺(tái)需求分析

移動(dòng)設(shè)備端的基礎(chǔ)功能類似于PC端數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，需要保證平臺(tái)的安全性、能夠查詢節(jié)點(diǎn)狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息、能夠設(shè)定節(jié)點(diǎn)的報(bào)警閥值和采集周期。具體功能需求如下：

a.用戶管理模塊：保證平臺(tái)的安全性；

b.節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)查詢：能夠查詢節(jié)點(diǎn)的信息，包括地址、傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)信息等；

c.節(jié)點(diǎn)狀態(tài)控制：能夠設(shè)置節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集周期、設(shè)定報(bào)警閥值；

d.節(jié)點(diǎn)拓?fù)洳樵儯翰榭淳W(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

e.數(shù)據(jù)推送功能：能夠及時(shí)將超標(biāo)信息通過(guò)XML鏈路發(fā)送給移動(dòng)終端用戶。

二、Web服務(wù)器平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

Web服務(wù)器是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)設(shè)備端的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，Web服務(wù)器通過(guò)其通信服務(wù)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互工作。在本課題中，主要涉及到的通信接口是基于HTTP的通信服務(wù)和基于XMPP的推送服務(wù)。數(shù)據(jù)管理平臺(tái)在啟動(dòng)后，監(jiān)控人員通過(guò)查詢或者控制操作，通過(guò)HTTP服務(wù)請(qǐng)求來(lái)訪問(wèn)服務(wù)平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)查詢和控制功能。同時(shí)，集成了推送服務(wù)功能的Web服務(wù)器平臺(tái)在發(fā)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感數(shù)據(jù)超出預(yù)設(shè)閥值時(shí)，會(huì)啟動(dòng)XMPP服務(wù)給移動(dòng)設(shè)備端發(fā)送推送消息來(lái)提醒監(jiān)控人員。

（一）HTTP數(shù)據(jù)通信

在本文中，選擇通過(guò)Tomcat服務(wù)器和Struts2框架來(lái)實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)平臺(tái)的搭建。其中，HTTP通信服務(wù)是通過(guò)Struts2來(lái)實(shí)現(xiàn)的，數(shù)據(jù)管理平臺(tái)用戶通過(guò)HTTP請(qǐng)求來(lái)訪問(wèn)服務(wù)器平臺(tái)。Web服務(wù)平臺(tái)中Struts2處理HTTP請(qǐng)求的流程如圖3所示。

（二）XMPP消息推送

增加推送功能的主要目的是為了防止報(bào)警信息被疏忽，從而導(dǎo)致重大事故。推送服務(wù)能夠在城市水資源無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)到超過(guò)閥值的傳感數(shù)據(jù)后，及時(shí)通知安裝了監(jiān)控終端的移動(dòng)設(shè)備用戶，這也是本課題的創(chuàng)新點(diǎn)。

在本課題中，通過(guò)Androidpn框架來(lái)實(shí)現(xiàn)XMPP協(xié)議的推送服務(wù)功能。圖4是在Tomcat Web服務(wù)器下構(gòu)建數(shù)據(jù)推送功能的架構(gòu)。

Androidpn在Web服務(wù)器中的集成也是通過(guò)Java來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由圖中可以看出在其框架的頂層包含了四個(gè)管理組件。Session Manager管理組件主要負(fù)責(zé)的管理數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和Web服務(wù)器間的會(huì)話，當(dāng)出現(xiàn)用戶登錄時(shí)，Auth Manager組件會(huì)對(duì)用戶的認(rèn)證進(jìn)行管理，在用戶登錄后Auth Manager會(huì)負(fù)責(zé)記錄所有曾登錄的用戶信息，而Presence Manage組件則負(fù)責(zé)管理當(dāng)前曾登錄客戶的登錄狀態(tài)，這也是為了實(shí)現(xiàn)推送功能發(fā)送方式的需要而增加的管理組件，Notification Manager組件則是負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)客戶端按照不同方式進(jìn)行推送消息的發(fā)送工作。管理組件下層的功能主要是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和分發(fā)工作、XML Stanza的解析工作等，Web服務(wù)器平臺(tái)以XML格式進(jìn)行推送消息的發(fā)送。

三、數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

本文選擇在全球用戶最多的Android移動(dòng)操作平臺(tái)平臺(tái)來(lái)開(kāi)發(fā)城市水資源數(shù)據(jù)管理移動(dòng)設(shè)備端的數(shù)據(jù)管理軟件，軟件表現(xiàn)形式為Android應(yīng)用，軟件用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，因此在開(kāi)發(fā)此應(yīng)用時(shí)，不僅需要Android SDK開(kāi)發(fā)環(huán)境，也需要在PC操作平臺(tái)上部署JDK環(huán)境。

（一）Web服務(wù)器搭建

在Web服務(wù)器部署之前，利用Peanuthull軟件免費(fèi)申請(qǐng)一個(gè)動(dòng)態(tài)域名，同時(shí)Peanuthull不管你的域名ip是動(dòng)態(tài)還是靜態(tài)的，都可以利用它自帶的解析功能（DDNS）提供一個(gè)固定在internet上的真實(shí)ip。但需要注意的是，在使用Peanuthull的DDNS功能后，需要將Tomcat文件的server.xml進(jìn)行部分修改，如port口由8080改為80。

（二）平臺(tái)界面

在平臺(tái)主界面，可以看到所有的節(jié)點(diǎn)信息，在界面頂部可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)分類進(jìn)行選擇，當(dāng)點(diǎn)擊單個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，界面跳轉(zhuǎn)入單個(gè)節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息界面，并可以下拉刷新。

同時(shí)，也可以設(shè)定節(jié)點(diǎn)的外設(shè)狀態(tài)，報(bào)警閥值和采集周期，當(dāng)水質(zhì)超過(guò)預(yù)設(shè)閥值時(shí)，Web服務(wù)器給平臺(tái)發(fā)送推送消息。

四、結(jié)語(yǔ)

本文基于“WSN技術(shù)在城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 ”項(xiàng)目，研究設(shè)計(jì)了基于移動(dòng)設(shè)備端的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。平臺(tái)的總體架構(gòu)基于安卓app和Web服務(wù)器，總體功能包括數(shù)據(jù)查詢、狀態(tài)設(shè)定、消息推送等。經(jīng)測(cè)試，平臺(tái)功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，兼容性和可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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項(xiàng)目名稱：

WSN技術(shù)在城市水資源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究（12JK503）。