无线传感器网络的嵌入式网络服务器 中文翻译.docx

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无线传感器网络的嵌入式网络服务器中文翻译

无线传感器网络的嵌入式网络服务器

摘要：

本文提出了一种独立平台的嵌入式网络服务器的实现和将其整合成一个无线传感器网络节点的方法。

嵌入式网络服务器是作为无线传感器网络（WSN）的一个扩展模块中的节点之一。

它允许授权的网络用户建立与传感器网络的双向通信。

该服务器使用有限的空闲硬件资源来实现一种与WSN节点的接口并为远程用户提供动态HTML网页服务。

从而允许用户远程监控WSN的操作，定期下载感测数据，更新网络的操作模式。

除了提供监控服务和数据搜集服务，该嵌入式网络服务器可以在WSN出现危险情况时生成报警的电子邮件，并向模块提供安全的解决方法改变WSN的操作，关闭传感器节点，将网络中的数据记录到一个班上闪存中。

关键词：

无线传感器网络嵌入式网络服务器远程监控

Ⅰ.简介

传统的数据收集和监控方式，需要在研究现场有实际的存在实体，在很多情况下已经可以被Internet上的远程监控替代。

这种替代，需要在研究现场备有Internet基础设施以及一些在数据监控和搜集网络中可用的设备。

一个网络可用的设备具有一个网络服务器，这个服务器不是在设计的时候就被集成在设备中，就是在之后作为一个扩展板而加到设备中。

为了将它与其他基于个人电脑的全功能网络服务器中区分开来，我们称它为嵌入式网络服务器。

这个名字同时也该突出他作为一个网络服务器在多数情况下可用的计算、存储、电能资源都是有限的。

尽管它在硬件方面存在很多不足，但EWS可以实现通用网络服务器可以实现的很多种服务。

同时，它必须可以接受来自远程的超文本传输协议（HTTP）网上客户的请求与命令，另外，还需要能够以超文本标记语言（HTML）网页的形式向设备接口发送控制和管理接口，通过这种方式，用户可以实现对设备的监控。

一个网络设备必须允许用户通过便于用户使用的、平台独立的、通用的网络浏览器来使用设备。

这就不需要开发客户端软件，也不需要使用者在自己的电脑上安装额外的软件。

不同于标准的网络浏览器的是，嵌入式网络服务器必须有一个在物理尺寸和软件容量方面都相对小的脚本，以实现它便捷地嵌入到各种设备中。

用户管理界面必须包含标准的HTML构图、对象和图像，必须允许用户通过Internet与设备相互通信。

设备的主页必须提供指向设备控制和数据的中心导航。

设备必须响应用户的各种操作，包括网页按钮、友情链接及其他常见的浏览器控制。

本文描述了一个EWS的构建，该EWS主要用于无线传感器网络（WSN）远程登录和控制的接口。

在本方案中，在可获得的电源、存储空间和计算资源方面的限制可以更加严格。

值得庆幸的是，在WSN的嵌入式网络服务器中，一些通用网络服务器必备的特征（比如为多媒体内容提供服务的能力）并不是很重要。

但是，这样一种服务器还是要能够为动态HTML网页提供服务，提供双向通信，和处理大容量数据。

此外，它还要能实现两种不同的通信协议——一种用于建立与Internet的联系，另一种用来与WSN节点通信。

A．相关的研究

在嵌入式网络服务器领域已经有很多有趣的研究成果，这里只介绍其中的一小部分。

浦项工科大学的嵌入式网络服务器（POS-EWS）是一种应用于以MPC860为处理器的Xinu操作系统的符合HTTP/1.1标准的嵌入式网络服务器。

惠普实验室的Cooltown项目正在探索对网络技术、无线网络和便携式客户端设备的集成，通过一种基础设施来实现对人物、地点、时间的“网络存在”的支持。

WebChip是一种兼容TCP/IPv6和HTTP/1.1的，功能上最小化的用于家用电器的嵌入式网络服务器。

TargetWeb是一种用于控制和检测嵌入式应用的嵌入式网络服务器，几乎可以在任何32位的CPU和DSP上运行。

TmoteTMConnect是一种无线网关应用，通过以太网来访问Tmote无线传感器模块。

一种基于Internet的远程访问半实物仿真器（HILS）已经由美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校开发出来，它被应用于机器人和机械电子领域。

Ⅱ.开发动机

图1是美国阿拉斯加大学费尔班克斯分校的SensE实验室开发的典型的WSN的总体图。

我们小组正在开发用于监测和数据搜集的丛集式节能WSN。

我们的主要应用是要求网络全自动和智能地做出有关操作模式更改的决定。

然而，我们也需要在相对较短的时间周期内偶尔监测网络操作和搜集数据，以进行脱机处理和网络分析。

开发这个EWS的动机是为了满足对传感器网络操作和已采集数据的基于Internet的实时了解，同时，允许授权用户可以改变传感器网络的操作模式。

图1可使用WSN的网络的大体框图

由于我们在很多不同的无线传感器平台上进行实验，所以EWS必须是平台独立的。

因此我们更希望服务器是一个独立的设备从而能用于现有的传感器节点的扩展板。

当前监控网络的一个传感器节点（通过使用一个标准串口）附属于网络服务器。

用专业术语来说，这个节点被叫做EWS节点。

这个EWS节点和剩余的网络节点一样，运行着相同的软件，执行相同的通信协议，唯一的差别是出了它基本的功能以外，它还能实现EWS和网络中心节点的信息交互中转。

各种不同的基本脚本需要网络服务器能在有线（以太网）和无线（802.11b）两种情况下工作。

同样，我们需要灵活获得为EWS的IP地址。

为了能访问校外的地址，服务器必须能够有一个预先分配的固定IP地址，该IP对学校的防火墙来说是可见的。

至于对校内的有线或无线应用，网络服务器必须能够从DHCP服务器中获得一个IP地址。

最后，对于那些应用于没有Internet基础设施环境的服务器的定期访问，服务器必须能够通过建立与一个可使用WiFi的个人数字助理（PDA）或笔记本电脑实现点对点通信，在临时模式中运行。

目前的无线传感器节点（如图2）是基于德州仪器公司（TI）生产的MSP430F1611微控制器芯片和一个北欧半导体生产的最大信息率为1Mbps，2.4GHz的收发器。

这个标准平台既作为一个传感器节点（带有从属于一个扩展口的很多传感器），也作为一个中心节点（带有额外的闪存和一个可选的用于故障调试和数据收集的PC串行接口）。

传感器节点定期从低功耗模式中恢复，以采样环境信息，并通过一个高效率能源协议与中心节点通信。

每一个传感器节点都执行数据的处理，并在指定的时间段内将处理过地数据发送到中心节点。

有关传感器节点、WSN组织和高效率能源协议的设计与实现的更多具体信息可以找到。

必须注意的是，如果基于Internet的数据搜集是数据搜集的基本模式，那么，EWS应该直接与中心节点连接。

这样一种解决方案很难实现，但是它是最节能的，因为它可以减少在网络中转移的数据总量。

然而，我们项目的主要目标得到一种便携又灵活的方案，可以允许定期检测WSN的操作，临时改变操作模式，可以间断地进行数据收集。

图2WSN节点的原型

Ⅲ.嵌入式网络服务器的要求

WSN的EWS的主要功能是建立与传感器网络的联系，从而实现对传感器收集的数据的访问，同时也允许注册用户与网络的互动。

用户必须能访问网络的运行参数，并能通过改变一些参数来控制网络的操作。

界面的执行和获得数据的显示是通过一系列基于HTML的页面实现的。

这些网页存放与EWS的闪存中。

可用内存的大小将决定用户界面的复杂度和可访问网络服务器的并发用户的数量等。

当一个用户输入EWS的IP地址时，服务器需要将相应的HTML网页复制到内存（RAM）中，将数据以动态内容的形式嵌入到网页中，并发送最终的网页到浏览器。

因此，很多微处理器的限制因素之一的可用RAM的大小，在这里扮演着一个重要的角色。

EWS还必须将已获得数据存储到非易失性存储器（典型的是闪存）中以用于网络数据分析。

可用内存的大小将直接决定嵌入式服务器收集和存储数据的时间长短，同时也间接决定传感器网络采样数据的频率和分辨率。

另一个重要的问题是，设备配置和数据检测的安全性。

EWS必须提供管理级特权以允许授权用户访问特定的网络数据和运行参数。

Ⅳ.硬件平台与接口

A．初步方案

在我们的WSN中的所有传感器节点都是自定义并基于TI的MSP430系列的微控制器.因此,我们的首选曾是采用一种基于MSP430的方案。

在我们项目的初期，我们采用基于一块MSP430F149微处理器和一块水晶半导体公司生产的CS8900A以太网芯片由Olimex公司开发的板子作为硬件平台。

作为该平台固件开发的起点，我们采用有TI提供的最基本的TCP/IP，并扩展了它允许双向通信的功能。

这个方案是全功能的，但是TCP/IP栈和网络服务器本身受很多限制。

这些限制，主要是由MSP430微处理器有限的硬件能力造成的，包括：

一次只能实现一个连接、没有虚拟文件系统、没有图像以及非常有限的网页大小。

然而，这种方案仍然是可行的，因为它的低功耗。

该方案的所有细节在中。

B．改良方案

一种改良的方案是基于一个由兔子半导体公司生产的RCM3750RabbitCore模块。

该模块的亮点是一个22.1MHz的Rabbit3000微处理器，并具有512KB的闪存和512KB的SRAM。

该模块同时还包括一块由ASIX生产的单芯片的以太网控制器，实现10/100以太网连通和1MB的串行式闪存。

Rabbit模块和WSN节点之间的物理连接是使用标准UART接口来实现的。

通信协议及其实现将在后面的章节中有简要的描述。

对通信协议更详细的描述可以在[8,9]中找到。

Ⅴ.软件实现

为了提高时钟频率，增大存储器容量，RabbitCore提供了一些额外的功能。

一下的表格列出了一些高级功能和相应的功效。

利用以上所列的优于MSP430的优势，我们开发了一个应用接口程序来实现一个安全可信赖的HTTP服务器。

开发的一套固件程序用于监控WSN和搜集由传感器网络节点检测到的数据。

固件包括了实现网络服务器和网络通信的协议。

数据收集和恢复技术已经很成熟了，此外，一个扩展的基于网络的用户管理界面已经设计出来了，所有的网络服务器控制都是连接到这个界面。

用户界面有各种表格，这些表格允许用户填写含有请求的信息并将其提交给服务器。

服务器应用执行请求并发送含有动态内容的原始网页的结果到客户端。

程序设计的复杂程度随着用户管理界面的动态性需求的增长而快速增长。

在开发一个可靠而稳定的网络服务器应该考虑的其他一些特征包括：

用户身份认证和访问控制、上传给服务器的可配置数据总量、网页的数量、网页中控制元件的数量等。

每一个特征需要一个应用程序来处理请求。

A．通信协议

远程客户端和WSN的通信是由EWS和EWS节点通过HTTP服务器共同处理的。

EWS节点和集线器之间的通信在本文的内容之外。

它是作为一种通常通信协议的扩展由特殊的WSN来实现的。

具体的实现细节可见[9]。

图3所示是网络中典型的数据交换格式。

除了一些用于搜集实际传感器数据的信息类型外，其他类型的信息用来实现：

获得当前活动的节点列表，改变节点的无线比特率、频道和输出功率，关闭特殊的传感器节点等。

头部的确切格式和有效负荷的字节数是可变的，由EWS的传感器网络决定。

图3信息的格式

B．网络服务器操作模式

网络服务器可以在以下三种模式中运行：

写模式、监控模式和登录模式。

在写模式中，服务器被动地监听来自客户端的网络参数（数据）的请求。

当接收到请求时，服务器开启与EWS节点的通信。

嵌入式网络服务器节点将请求转送给中心节点。

中心节点恢复最新搜集的大多数网络数据，并响应EWS节点，节点反过来将数据转送给服务器。

服务器处理接收到的数据，并以图示的方式将参数值呈现给客户端。

写模式用于显示当前网络数据。

在监控模式中，服务器根据配置，一直监控网络，并不断从网络中采集数据。

当服务器处于监控模式，将通过数据的图像显示一个实时参数值。

请求间的时间由WSN的帧周期决定。

在登录模式中，服务器在给定的时间内搜集网络数据的请求子集。

这些数据被保存在EWS的串列式闪存中。

这些数据可以远程读取，解码，并由MATLAB编写的应用程序显示。

根据有效性，闪存的内容可以通过网络浏览器或者直接通过网络服务器的串口读取。

RCM3750包含一块Atmel闪存AT45DB081B，一个串口，专门用于程序和数据存储的1M的闪存。

在登录模式中，服务器采集来自网络的数据并将它存储到串列式闪存中。

C．EWS和WSN控制

该网络服务器支持三种用户——如果服务器处于监控模式中，未注册的用户可以访问服务器并看到数据；管理员可以自由访问所有的服务器和传感器网络控制元件；注册用户可以改变服务器的操作模式，请求先前的数据，并有限制地访问一些嵌入式服务器控制元件。

管理用户组的成员允许访问WSN的控制元件。

这些网页允许配置不同的无线参数（地址字节数、输出功率、通信信道和数据比特率）。

同样，管理员可以选择获得数据的不同类型，数据显示的不同方式。

相同的网页允许一个特殊传感器节点被关闭。

网络服务器控制元件允许授权用户改变服务器的操作模式，清除来自闪存的登录数据的记录，配置报警电子邮件和设置服务器上的时间。

图4是向管理员组的用户展现的配置网页的一个例子。

用户可以选择设置系统模式（写模式、监控模式、登录模式），改变检测或登录数据的类型，改变数据采样周期，或者请求先前的登录数据。

当遇到某些情况时，EWS可以发送电子邮件给管理员或者授权邮件的用户。

报警配置页面允许授权用户设置条件。

典型的配置包括发送电子邮件：

如果服务器无法响应配置好的来自网络服务器的请求数，如果服务器的串列式闪存满了，如果传感器参数值达到了临界值。

服务器就生成相应的电子邮件的主题和正文来描述原因。

它同时还包括一个动态生成的电子邮件正文，用来识别传感器节点是否达到了临界值。

这一特征使管理员了解网络状态和数据信息。

D．客户端和服务器端的脚本

我们采用客户端和服务器端脚本处理，在HTML页面中增加动态行为、视觉效果和表单验证。

脚本通常由网络文件的HTML代码组成。

HTML提供了用户界面和，脚本提供了管理文件动态行为的逻辑。

JavaScript被用来创建一个基于网络的动态、交互式的应用，该应用完全在一个浏览器中运行。

在网页中使用JavaScript增加动态特征，比如响应用户事件，伴随着一些缺点。

一个没有完全开发好的JavaScript处理的浏览器不可能正确地展示整个页面。

在浏览器执行过程中微小的不同会造成小错误，可能会影响用户界面的显示甚至是整个界面的功能。

但是，这个不足之处仅局限于那种特殊的客户端机器，并不会对网络服务器操作或其他客户端机器的网页显示造成影响。

EWS的执行同样使用了大量服务端包含（SSI）和通用网关接口（CGI）功能。

此外，一种动态C的附加组件——RabbitWeb使用一种类似于SSI的脚本语言。

图5所示的是在指定的时间内，当一个用户发送一个请求到监控器时，一个传感器发送一个参数的页面的一部分。

数据以滑动条的形式显示。

图4管理员层面的一个配置网页

图5工作在监控模式下的EWS提供的网页。

页面自动更新来显示新数据

E．报警电子邮件

在以下事件发生时，EWS能够从网络服务器发送电子邮件给授权用户：

服务器停止响应，服务器的闪存满了，或者如果检测数据达到了预设的最小/大临界值。

F．无线互联网联通

一种可选的工具把无线Internet连通加到了RCM3750RabbitCore网络服务器中。

这套工具可使EWS在以下两种模式之一中运行：

基础构架模式或点对点模式。

当基础构架在EWS可使用的附近，允许客户端从任何Internet可连通之处访问服务器时，EWS运行在基础构架模式。

在点对点模式下，EWS通过任何可使用802.11b并安装有浏览器的的设备建立一种点对点的通信。

这种操作模式适合于定期控制或数据采集，当访问远程的没有Internet基础设施的WSN站点时。

图6所示的是一个带有无线模块的EWS，其工作在点对点模式下，为惠普公司生产的iPAQhx4700PDA提供网页服务。

当在基础构架模式下运行时，Rabbit网络服务器会向DHCP服务器发出一个IP地址的请求或者通过一个向前的分配的静态IP地址。

如果DHCP服务器响应并分配了一个有效的IP地址给EWS，服务器会发送一份含有该地址的电子邮件给管理员。

图6运行在点对点无线模式下的EWS

Ⅵ.结论与未来的展望

我们开发了一种用于监控、数据采集和WSN控制的灵活的嵌入式网络服务器。

服务器通过一个传感器节点连接到网络，并提供一个授权用户有权访问远程网络的传感器节点。

系统的灵活性和便携性允许我们将它通过不同的硬件平台与传感器网络结合使用。

它同时还可以很容易地改变，不需要使用WSN就能适应各种应用。

比如，我们当前正在测试一种配置，使用EWS来实现对大量温度和湿度传感器的远程访问，这些传感器被用于研究昆虫是否能在阿拉斯加的严冬中存活。

参考文献

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[9]V.Revuri,“InternetBasedDataCollectionandMonitoringforWSNs,”MSThesis,UniversityofAlaskaFairbanks,ElectricalandComputerEngineering,2007.

[10]RabbitSemiconductor,“RCM3750RabbitCoreDataSheet,”August2005.