無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程云實驗?zāi)Ｊ椒段?/h1>
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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。針對現(xiàn)有實驗?zāi)Ｊ街袑嶒灂r間固定、實驗地點固定、實驗設(shè)備數(shù)量有限等問題，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的云實驗模式探索，為學(xué)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(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；云實驗?zāi)Ｊ剑粚嶒炇遥辉破脚_
1前言
隨著微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS）、片上系統(tǒng)（SOC，SystemonChip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（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(wǎng)能使計算機(jī)訪問各種數(shù)字信息而無論其存儲在何處，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則能夠讓人們遠(yuǎn)程與現(xiàn)實世界進(jìn)行交互，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要性被認(rèn)為與互聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)甚至被人稱為一種全新類型的計算機(jī)系統(tǒng)，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(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)與計算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱。傳感器網(wǎng)絡(luò)、微型機(jī)電系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的最新進(jìn)展，使得微型、智能、成本低的傳感器能夠部署在物理區(qū)域，并通過無線鏈路與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，為各種民用和軍用應(yīng)用提供前所未有的機(jī)會[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗課程的開展，能夠培養(yǎng)信息化實踐性人才。針對現(xiàn)有實驗?zāi)Ｊ街袑嶒灂r間固定、實驗地點固定、實驗設(shè)備數(shù)量有限等問題，進(jìn)行無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程的云實驗?zāi)Ｊ教剿鳎瑸閷W(xué)生靈活安排實驗時間、隨時隨地進(jìn)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(gòu)
基于云模式的實驗平臺由資源層、平臺層和應(yīng)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(shè)備虛擬化為計算節(jié)點[2]。平臺層采用Hadoop架構(gòu)。應(yīng)用層為訪問者提供服務(wù)，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗中采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和管理。整個實驗架構(gòu)由學(xué)生終端、云實驗中心以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗室組成。學(xué)生通過個人計算機(jī)登錄學(xué)校的云實驗中心（圖1），將云平臺與實驗室中計算機(jī)連接，通過實驗室內(nèi)的計算機(jī)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗箱，從而可以在個人計算機(jī)上遠(yuǎn)程完成實驗，獲取實驗數(shù)據(jù)。云實驗中心的課程信息來自學(xué)校教務(wù)管理平臺，課程信息包括實驗學(xué)時、實驗選課人數(shù)、實驗學(xué)生名單等。學(xué)生通過學(xué)校的統(tǒng)一身份驗證系統(tǒng)登錄云平臺，由管理員進(jìn)行權(quán)限管理等操作。云實驗中心合理劃分業(yè)務(wù)功能并將其模塊化，基礎(chǔ)模塊有教師模塊、學(xué)生模塊及管理員模塊，各個模塊相互獨立。整個系統(tǒng)耦合性低，可擴(kuò)展性強(qiáng)。云實驗中心內(nèi)有虛擬化軟件平臺，當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點遠(yuǎn)程接入時，云實驗中心會及時啟動資源調(diào)度管理，迅速提供相應(yīng)的軟硬件服務(wù)以響應(yīng)訪問用戶的需求。
3云實驗操作模式
本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗的云實驗平臺通過VMware虛擬化技術(shù)構(gòu)建底層虛擬機(jī)，實驗系統(tǒng)依照云實驗平臺提供的環(huán)境配置網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。學(xué)生可隨時隨地通過遠(yuǎn)程桌面登錄北京航空航天大學(xué)云實驗中心，選擇教師上傳的實驗課程，下載相關(guān)實驗資源并預(yù)約實驗時間。云實驗中心經(jīng)由Teamviewer遠(yuǎn)程連接本地實驗室的計算機(jī)，實驗室計算機(jī)上實驗軟件已安裝成功，實驗系統(tǒng)已配置完備，可不間斷運行。按照上述搭建云實驗平臺后，學(xué)生的個人計算機(jī)可顯示實驗室計算機(jī)的桌面，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程實驗操作，并通過程序編譯結(jié)果及實驗采集數(shù)據(jù)獲取實驗結(jié)果。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的云實驗?zāi)Ｊ降膬?yōu)點在于：學(xué)生無須安裝實驗軟件，免去煩瑣的安裝步驟和復(fù)雜的維修管理；學(xué)生及教師可以自由地選擇零碎時間進(jìn)行實驗相關(guān)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?zāi)Ｊ綖槊總€用戶創(chuàng)建的虛擬機(jī)物理隔離，模塊分明，為教師輕松便捷管理實驗課程創(chuàng)造了條件。1）支撐技術(shù)。①VMware。VMware是提供平臺虛擬化和云計算軟件服務(wù)的DellTechnologies的子公司。VMware桌面虛擬化系統(tǒng)可使同一臺物理服務(wù)器上同時運行多個虛擬計算機(jī)，并且每一個虛擬計算機(jī)有獨立的操作系統(tǒng)，即一臺物理服務(wù)器可以運行多個操作系統(tǒng)。一臺物理服務(wù)器上運行的所有虛擬計算機(jī)共享資源，如網(wǎng)絡(luò)和RAM。VMware虛擬桌面的優(yōu)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(fù)載，提高應(yīng)用性能，提高服務(wù)器的可用性，使得企業(yè)級功能和穩(wěn)定性更強(qiáng)大，提升安全性，消除服務(wù)器數(shù)量劇增情況和復(fù)雜性，并且節(jié)能減排，符合可持續(xù)發(fā)展理念。②TeamViewer。TeamViewer是一款由德國TeamViewerGmbH公司于2005年研發(fā)的基于云技術(shù)的軟件，致力于為移動設(shè)備和個人電腦提供遠(yuǎn)程控制、桌面共享、在線會議和文件傳輸?shù)冉鉀Q方案。TeamViewer支持使用者通過移動設(shè)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(yuǎn)程設(shè)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(zhì)量優(yōu)；安全保密性強(qiáng)；功能豐富。該軟件可以在任何防火墻和NAT的后臺應(yīng)用，克服了Windows遠(yuǎn)程桌面連接的局限性。2）操作模式。本地教學(xué)實驗室通過TeamViewer遠(yuǎn)程連接北京航空航天大學(xué)云實驗中心，云實驗中心采用VMware虛擬化系統(tǒng)對實驗資源進(jìn)行虛擬化，可為每位教師、學(xué)生和管理員用戶創(chuàng)建一個虛擬機(jī)，互不干擾，安全穩(wěn)定。北航云實驗中心安裝TeamViewer，通過校園網(wǎng)與本地實驗室內(nèi)計算機(jī)相連[3]。用戶在任何地點、任意時間都可以通過廣域網(wǎng)，經(jīng)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(jìn)行分享課程資源、實驗步驟演示、在線指導(dǎo)學(xué)生用戶、交流解答疑惑、查看實驗監(jiān)控、評閱實驗成績等全方位實驗教學(xué)操作。對于學(xué)生用戶，登錄云實驗中心后可以進(jìn)行查看實驗課程、預(yù)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(quán)限管理、分配時間等權(quán)力。管理員接收到學(xué)生的實驗申請后，合理地分配實驗時間并調(diào)度相應(yīng)的實驗資源，以保證每位申請者有合適的時間進(jìn)行實驗。
4實驗內(nèi)容
實驗內(nèi)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(fā)的實驗裝置及實驗室如圖2所示。現(xiàn)行實驗?zāi)Ｊ较拢瑢W(xué)生需要在固定時間、地點進(jìn)行實驗；采用云實驗?zāi)Ｊ胶螅瑢W(xué)生可以靈活自主地隨時隨地通過廣域網(wǎng)進(jìn)行實驗。基于無線片上系統(tǒng)的通用數(shù)據(jù)采集節(jié)點由數(shù)據(jù)采集底板和ZigBee傳輸模塊組成。數(shù)據(jù)采集底板采用ARM內(nèi)核的Cortex-STM32芯片作為核心控制器，配合外圍數(shù)據(jù)采集電路接口完成對模擬信號、數(shù)字信號的采集，還可完成對擴(kuò)展模塊的控制；ZigBee傳輸模塊采用主流的無線片上系統(tǒng)CC2530芯片完成無線數(shù)據(jù)的傳輸功能，ZigBee傳輸模塊可獨立完成溫度、濕度、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集。本實驗基于CC2530的無線片上系統(tǒng)軟件開發(fā)使用IAREmbeddedWorkbench完成，是一套完整的集成開發(fā)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(diào)試器的各類開發(fā)工具。1）無線片上實驗。無線片上實驗包括建立實驗環(huán)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(zhuǎn)換實驗。2）無線傳感器實驗。無線傳感器實驗包括光強(qiáng)、溫度、煙霧、壓力等傳感器實驗。學(xué)生登錄云實驗中心遠(yuǎn)程操作實驗，并通過串口調(diào)試助手獲取實驗結(jié)果。3）實驗效果。運用基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗的云實驗?zāi)Ｊ胶螅瑢嶒炇覂H需數(shù)套實驗箱以及與之相連的實驗計算機(jī)，即可實現(xiàn)24小時無間斷開放，從而實現(xiàn)實驗設(shè)備的充分利用，節(jié)省了實驗建設(shè)資金，避免了復(fù)雜的軟件安裝步驟與繁復(fù)的維修設(shè)備操作。該模式利于學(xué)生自主靈活地選擇時間、地點進(jìn)行實驗，便于教師更加系統(tǒng)地了解學(xué)生對實驗的掌握情況，此外充分提高實驗設(shè)備的使用效率，極大地節(jié)約人力、物力與財力。
參考文獻(xiàn)
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作者：崔勇 張茜 宋曉 王秋生 單位：北京航空航天大學(xué)
