無線傳感器網絡課程云實驗模式范文

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摘要：無線傳感器網絡與通信技術、計算機技術構成信息技術的三大支柱。針對現有實驗模式中實驗時間固定、實驗地點固定、實驗設備數量有限等問題，進行無線傳感器網絡課程的云實驗模式探索，為學生靈活安排實驗時間及地點、不受實驗資源限制提供良好的解決方案。

關鍵詞：無線傳感器網絡；云實驗模式；實驗室；云平臺

1前言

隨著微機電系統（Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS）、片上系統（SOC，SystemonChip）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發展，孕育出無線傳感器網絡（WirelessSensorNetworks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來信息感知的一場變革。正如因特網能使計算機訪問各種數字信息而無論其存儲在何處，無線傳感器網絡則能夠讓人們遠程與現實世界進行交互，因此，無線傳感器網絡的重要性被認為與互聯網相當。無線傳感器網絡甚至被人稱為一種全新類型的計算機系統，因為與過去硬件不同，具有可分散分布的特點以及集體分析能力。無線傳感器網絡、通信技術與計算機技術構成信息技術的三大支柱。傳感器網絡、微型機電系統和無線通信技術的最新進展，使得微型、智能、成本低的傳感器能夠部署在物理區域，并通過無線鏈路與互聯網聯網，為各種民用和軍用應用提供前所未有的機會[1]。無線傳感器網絡實驗課程的開展，能夠培養信息化實踐性人才。針對現有實驗模式中實驗時間固定、實驗地點固定、實驗設備數量有限等問題，進行無線傳感器網絡課程的云實驗模式探索，為學生靈活安排實驗時間、隨時隨地進行實驗、不受實驗資源限制提供了良好的解決方案。

2基于云模式的實驗平臺架構

基于云模式的實驗平臺由資源層、平臺層和應用層組成。資源層是基本的運算和存儲單元，它將物理硬件設備虛擬化為計算節點[2]。平臺層采用Hadoop架構。應用層為訪問者提供服務，對無線傳感器網絡實驗中采集到的數據進行計算和管理。整個實驗架構由學生終端、云實驗中心以及無線傳感器網絡實驗室組成。學生通過個人計算機登錄學校的云實驗中心（圖1），將云平臺與實驗室中計算機連接，通過實驗室內的計算機訪問無線傳感器網絡實驗箱，從而可以在個人計算機上遠程完成實驗，獲取實驗數據。云實驗中心的課程信息來自學校教務管理平臺，課程信息包括實驗學時、實驗選課人數、實驗學生名單等。學生通過學校的統一身份驗證系統登錄云平臺，由管理員進行權限管理等操作。云實驗中心合理劃分業務功能并將其模塊化，基礎模塊有教師模塊、學生模塊及管理員模塊，各個模塊相互獨立。整個系統耦合性低，可擴展性強。云實驗中心內有虛擬化軟件平臺，當有網絡節點遠程接入時，云實驗中心會及時啟動資源調度管理，迅速提供相應的軟硬件服務以響應訪問用戶的需求。

3云實驗操作模式

本無線傳感器網絡實驗的云實驗平臺通過VMware虛擬化技術構建底層虛擬機，實驗系統依照云實驗平臺提供的環境配置網絡環境。學生可隨時隨地通過遠程桌面登錄北京航空航天大學云實驗中心，選擇教師上傳的實驗課程，下載相關實驗資源并預約實驗時間。云實驗中心經由Teamviewer遠程連接本地實驗室的計算機，實驗室計算機上實驗軟件已安裝成功，實驗系統已配置完備，可不間斷運行。按照上述搭建云實驗平臺后，學生的個人計算機可顯示實驗室計算機的桌面，即可進行遠程實驗操作，并通過程序編譯結果及實驗采集數據獲取實驗結果。無線傳感器網絡的云實驗模式的優點在于：學生無須安裝實驗軟件，免去煩瑣的安裝步驟和復雜的維修管理；學生及教師可以自由地選擇零碎時間進行實驗相關操作，較好地解決了實驗地點單一、實驗時間固定、實驗資源有限的問題；云實驗模式為每個用戶創建的虛擬機物理隔離，模塊分明，為教師輕松便捷管理實驗課程創造了條件。1）支撐技術。①VMware。VMware是提供平臺虛擬化和云計算軟件服務的DellTechnologies的子公司。VMware桌面虛擬化系統可使同一臺物理服務器上同時運行多個虛擬計算機，并且每一個虛擬計算機有獨立的操作系統，即一臺物理服務器可以運行多個操作系統。一臺物理服務器上運行的所有虛擬計算機共享資源，如網絡和RAM。VMware虛擬桌面的優勢能夠簡化管理，提高靈活性，降低運維成本，更快地部署工作負載，提高應用性能，提高服務器的可用性，使得企業級功能和穩定性更強大，提升安全性，消除服務器數量劇增情況和復雜性，并且節能減排，符合可持續發展理念。②TeamViewer。TeamViewer是一款由德國TeamViewerGmbH公司于2005年研發的基于云技術的軟件，致力于為移動設備和個人電腦提供遠程控制、桌面共享、在線會議和文件傳輸等解決方案。TeamViewer支持使用者通過移動設備從任意地點連接到云平臺，可跨多個平臺訪問，支持多用戶會話和遠程設備控制。其主要特點有：安裝簡潔；操作方便；突破防火墻的限制；高速度、質量優；安全保密性強；功能豐富。該軟件可以在任何防火墻和NAT的后臺應用，克服了Windows遠程桌面連接的局限性。2）操作模式。本地教學實驗室通過TeamViewer遠程連接北京航空航天大學云實驗中心，云實驗中心采用VMware虛擬化系統對實驗資源進行虛擬化，可為每位教師、學生和管理員用戶創建一個虛擬機，互不干擾，安全穩定。北航云實驗中心安裝TeamViewer，通過校園網與本地實驗室內計算機相連[3]。用戶在任何地點、任意時間都可以通過廣域網，經由一個簡單的Web界面登錄云實驗中心。對于教師用戶，登錄云實驗中心后可以在線進行分享課程資源、實驗步驟演示、在線指導學生用戶、交流解答疑惑、查看實驗監控、評閱實驗成績等全方位實驗教學操作。對于學生用戶，登錄云實驗中心后可以進行查看實驗課程、預約實驗時間、在線完成實驗、提問交流共享、提交實驗報告等完備的實驗操作。對于管理員用戶，則有用戶配置、權限管理、分配時間等權力。管理員接收到學生的實驗申請后，合理地分配實驗時間并調度相應的實驗資源，以保證每位申請者有合適的時間進行實驗。

4實驗內容

實驗內容主要包括無線片上實驗和無線傳感器實驗兩部分，所開發的實驗裝置及實驗室如圖2所示。現行實驗模式下，學生需要在固定時間、地點進行實驗；采用云實驗模式后，學生可以靈活自主地隨時隨地通過廣域網進行實驗。基于無線片上系統的通用數據采集節點由數據采集底板和ZigBee傳輸模塊組成。數據采集底板采用ARM內核的Cortex-STM32芯片作為核心控制器，配合外圍數據采集電路接口完成對模擬信號、數字信號的采集，還可完成對擴展模塊的控制；ZigBee傳輸模塊采用主流的無線片上系統CC2530芯片完成無線數據的傳輸功能，ZigBee傳輸模塊可獨立完成溫度、濕度、光照強度數據的采集。本實驗基于CC2530的無線片上系統軟件開發使用IAREmbeddedWorkbench完成，是一套完整的集成開發工具集合，包括從代碼編輯器、工程建立到C/C++編譯器、連接器和調試器的各類開發工具。1）無線片上實驗。無線片上實驗包括建立實驗環境、LED燈實驗、定時器實驗、外部中斷實驗、串口通信實驗、A/D轉換實驗。2）無線傳感器實驗。無線傳感器實驗包括光強、溫度、煙霧、壓力等傳感器實驗。學生登錄云實驗中心遠程操作實驗，并通過串口調試助手獲取實驗結果。3）實驗效果。運用基于無線傳感器網絡實驗的云實驗模式后，實驗室僅需數套實驗箱以及與之相連的實驗計算機，即可實現24小時無間斷開放，從而實現實驗設備的充分利用，節省了實驗建設資金，避免了復雜的軟件安裝步驟與繁復的維修設備操作。該模式利于學生自主靈活地選擇時間、地點進行實驗，便于教師更加系統地了解學生對實驗的掌握情況，此外充分提高實驗設備的使用效率，極大地節約人力、物力與財力。

參考文獻

[1]孔燚.云計算在高校計算機實驗室建設管理中的應用[J].中國教育技術裝備,2013(12):28-29,31.

[2]曹春梅.云計算、物聯網及其在智慧校園建設中的應用[J].中國教育技術裝備,2013(12):50-51,54.

[3]劉宏宇.基于無線傳感器網絡的森林環境監測云平臺研究與實現[D].北京:中國林業科學研究院,2012.

[4]馮黎明.云環境下無線傳感器網絡服務研究[D].南京:南京師范大學,2013.

作者：崔勇 張茜 宋曉 王秋生 單位：北京航空航天大學