无线传感器网络课程云实验模式范文

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摘要：无线传感器网络与通信技术、计算机技术构成信息技术的三大支柱。针对现有实验模式中实验时间固定、实验地点固定、实验设备数量有限等问题，进行无线传感器网络课程的云实验模式探索，为学生灵活安排实验时间及地点、不受实验资源限制提供良好的解决方案。

关键词：无线传感器网络；云实验模式；实验室；云平台

1前言

随着微机电系统（Micro-Electro-MechanismSystem，MEMS）、片上系统（SOC，SystemonChip）、无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展，孕育出无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来信息感知的一场变革。正如因特网能使计算机访问各种数字信息而无论其存储在何处，无线传感器网络则能够让人们远程与现实世界进行交互，因此，无线传感器网络的重要性被认为与互联网相当。无线传感器网络甚至被人称为一种全新类型的计算机系统，因为与过去硬件不同，具有可分散分布的特点以及集体分析能力。无线传感器网络、通信技术与计算机技术构成信息技术的三大支柱。传感器网络、微型机电系统和无线通信技术的最新进展，使得微型、智能、成本低的传感器能够部署在物理区域，并通过无线链路与互联网联网，为各种民用和军用应用提供前所未有的机会[1]。无线传感器网络实验课程的开展，能够培养信息化实践性人才。针对现有实验模式中实验时间固定、实验地点固定、实验设备数量有限等问题，进行无线传感器网络课程的云实验模式探索，为学生灵活安排实验时间、随时随地进行实验、不受实验资源限制提供了良好的解决方案。

2基于云模式的实验平台架构

基于云模式的实验平台由资源层、平台层和应用层组成。资源层是基本的运算和存储单元，它将物理硬件设备虚拟化为计算节点[2]。平台层采用Hadoop架构。应用层为访问者提供服务，对无线传感器网络实验中采集到的数据进行计算和管理。整个实验架构由学生终端、云实验中心以及无线传感器网络实验室组成。学生通过个人计算机登录学校的云实验中心（图1），将云平台与实验室中计算机连接，通过实验室内的计算机访问无线传感器网络实验箱，从而可以在个人计算机上远程完成实验，获取实验数据。云实验中心的课程信息来自学校教务管理平台，课程信息包括实验学时、实验选课人数、实验学生名单等。学生通过学校的统一身份验证系统登录云平台，由管理员进行权限管理等操作。云实验中心合理划分业务功能并将其模块化，基础模块有教师模块、学生模块及管理员模块，各个模块相互独立。整个系统耦合性低，可扩展性强。云实验中心内有虚拟化软件平台，当有网络节点远程接入时，云实验中心会及时启动资源调度管理，迅速提供相应的软硬件服务以响应访问用户的需求。

3云实验操作模式

本无线传感器网络实验的云实验平台通过VMware虚拟化技术构建底层虚拟机，实验系统依照云实验平台提供的环境配置网络环境。学生可随时随地通过远程桌面登录北京航空航天大学云实验中心，选择教师上传的实验课程，下载相关实验资源并预约实验时间。云实验中心经由Teamviewer远程连接本地实验室的计算机，实验室计算机上实验软件已安装成功，实验系统已配置完备，可不间断运行。按照上述搭建云实验平台后，学生的个人计算机可显示实验室计算机的桌面，即可进行远程实验操作，并通过程序编译结果及实验采集数据获取实验结果。无线传感器网络的云实验模式的优点在于：学生无须安装实验软件，免去烦琐的安装步骤和复杂的维修管理；学生及教师可以自由地选择零碎时间进行实验相关操作，较好地解决了实验地点单一、实验时间固定、实验资源有限的问题；云实验模式为每个用户创建的虚拟机物理隔离，模块分明，为教师轻松便捷管理实验课程创造了条件。1）支撑技术。①VMware。VMware是提供平台虚拟化和云计算软件服务的DellTechnologies的子公司。VMware桌面虚拟化系统可使同一台物理服务器上同时运行多个虚拟计算机，并且每一个虚拟计算机有独立的操作系统，即一台物理服务器可以运行多个操作系统。一台物理服务器上运行的所有虚拟计算机共享资源，如网络和RAM。VMware虚拟桌面的优势能够简化管理，提高灵活性，降低运维成本，更快地部署工作负载，提高应用性能，提高服务器的可用性，使得企业级功能和稳定性更强大，提升安全性，消除服务器数量剧增情况和复杂性，并且节能减排，符合可持续发展理念。②TeamViewer。TeamViewer是一款由德国TeamViewerGmbH公司于2005年研发的基于云技术的软件，致力于为移动设备和个人电脑提供远程控制、桌面共享、在线会议和文件传输等解决方案。TeamViewer支持使用者通过移动设备从任意地点连接到云平台，可跨多个平台访问，支持多用户会话和远程设备控制。其主要特点有：安装简洁；操作方便；突破防火墙的限制；高速度、质量优；安全保密性强；功能丰富。该软件可以在任何防火墙和NAT的后台应用，克服了Windows远程桌面连接的局限性。2）操作模式。本地教学实验室通过TeamViewer远程连接北京航空航天大学云实验中心，云实验中心采用VMware虚拟化系统对实验资源进行虚拟化，可为每位教师、学生和管理员用户创建一个虚拟机，互不干扰，安全稳定。北航云实验中心安装TeamViewer，通过校园网与本地实验室内计算机相连[3]。用户在任何地点、任意时间都可以通过广域网，经由一个简单的Web界面登录云实验中心。对于教师用户，登录云实验中心后可以在线进行分享课程资源、实验步骤演示、在线指导学生用户、交流解答疑惑、查看实验监控、评阅实验成绩等全方位实验教学操作。对于学生用户，登录云实验中心后可以进行查看实验课程、预约实验时间、在线完成实验、提问交流共享、提交实验报告等完备的实验操作。对于管理员用户，则有用户配置、权限管理、分配时间等权力。管理员接收到学生的实验申请后，合理地分配实验时间并调度相应的实验资源，以保证每位申请者有合适的时间进行实验。

4实验内容

实验内容主要包括无线片上实验和无线传感器实验两部分，所开发的实验装置及实验室如图2所示。现行实验模式下，学生需要在固定时间、地点进行实验；采用云实验模式后，学生可以灵活自主地随时随地通过广域网进行实验。基于无线片上系统的通用数据采集节点由数据采集底板和ZigBee传输模块组成。数据采集底板采用ARM内核的Cortex-STM32芯片作为核心控制器，配合外围数据采集电路接口完成对模拟信号、数字信号的采集，还可完成对扩展模块的控制；ZigBee传输模块采用主流的无线片上系统CC2530芯片完成无线数据的传输功能，ZigBee传输模块可独立完成温度、湿度、光照强度数据的采集。本实验基于CC2530的无线片上系统软件开发使用IAREmbeddedWorkbench完成，是一套完整的集成开发工具集合，包括从代码编辑器、工程建立到C/C++编译器、连接器和调试器的各类开发工具。1）无线片上实验。无线片上实验包括建立实验环境、LED灯实验、定时器实验、外部中断实验、串口通信实验、A/D转换实验。2）无线传感器实验。无线传感器实验包括光强、温度、烟雾、压力等传感器实验。学生登录云实验中心远程操作实验，并通过串口调试助手获取实验结果。3）实验效果。运用基于无线传感器网络实验的云实验模式后，实验室仅需数套实验箱以及与之相连的实验计算机，即可实现24小时无间断开放，从而实现实验设备的充分利用，节省了实验建设资金，避免了复杂的软件安装步骤与繁复的维修设备操作。该模式利于学生自主灵活地选择时间、地点进行实验，便于教师更加系统地了解学生对实验的掌握情况，此外充分提高实验设备的使用效率，极大地节约人力、物力与财力。

参考文献

[1]孔燚.云计算在高校计算机实验室建设管理中的应用[J].中国教育技术装备,2013(12):28-29,31.

[2]曹春梅.云计算、物联网及其在智慧校园建设中的应用[J].中国教育技术装备,2013(12):50-51,54.

[3]刘宏宇.基于无线传感器网络的森林环境监测云平台研究与实现[D].北京:中国林业科学研究院,2012.

[4]冯黎明.云环境下无线传感器网络服务研究[D].南京:南京师范大学,2013.

作者：崔勇 张茜 宋晓 王秋生 单位：北京航空航天大学