基于ZigBee的无线传感器网络管理系统架构设计

第50卷第4期吉林大学学报（理学版）Vol．50No．4 2012年7月Journal of Jilin University（Science Edition）July2012研究简报基于ZigBee的无线传感器网络管理系统架构设计何丽莉，孙冰怡，姜宇，张健，胡成全（吉林大学计算机科学与技术学院，符号计算与知识工程教育部重点实验室，长春130012）摘要：基于WINNA网络管理抽象模型，结合ZigBee协议的应用特征，提出一个新的无线传感器网络管理框架；给出了一个基于代理的节点嵌入式系统架构，并支持异构的网络环境；设计了可视化网络管理平台，提高了网络管理的易用性和工作效率．实验表明，该网络管理系统充分利用了有限的网络资源，可提高无线传感器网络应用系统的服务质量．关键词：无线传感器网络；ZigBee协议；网络管理；代理中图分类号：TP315文献标志码：A文章编号：1671-5489（2012）04-0757-05Design of Wireless Sensor Networks Management System Based on ZigBeeHE Li-li，SUN Bing-yi，JIANG Yu，ZHANG Jian，HU Cheng-quan（College of Computer Science and Technology，Computation and KnowledgeEngineering of Ministry of Education，Jilin University，Changchun130012，China）Abstract：Based on WINNA abstract model and ZigBee characteristics，a novel WSN management framework was proposed．An embedded framework of WSN node based on agent was given，which is usable to heteroge-neous networks．Furthermore，a visual network management platform was designed，which can improve the efficiency of the WSN management．It proves that this WSN management system can fully use the limited network resources and greatly improve the service quality．Key words：wireless sensor networks；ZigBee protocol；network management；agent无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）由大量微型、廉价、具有无线通信能力的传感器节点组成，这些节点部署在监视区域上，相互协作完成特定的监控任务．传感器网络具有监测高精度、高容错性、大覆盖区域、可远程监控等分布式处理的优点，应用广泛［1-2］．世界上第一个无线传感器网络管理框架MANNA是由Ruiz等［3］提出的．但目前对于WSN网络管理的研究，尚无统一标准．Song等［4］提出一种基于UPnP协议的无线传感器网络管理系统BOSS，通过在UPnP控制点和WSN间建立桥接架构使得资源有限的WSN能接入UPnP网络，同时这种架构也使用户可通过多种UPnP控制点对WSN进行管理，从而极大提高了WSN的易用性．但BOSS需要终端用户根据网络状态频繁手动做出相应的管理操作，并且集中式的管理结构也不适用于各种异构的设备和服务．Lee等［5］提出一种自适应的基于策略的无线传感器网络管理系统WinMS，其体系结构包含底层的MAC和路由协议、局部网络管理和中央网络管理．WinMS网络管理功能包括配置管理、故障管理、性能管理和计费管理等．WinMS采取先应式监测方式为传感器节点提供自治能力，利用中央管理器分收稿日期：2011-10-08．作者简介：何丽莉（1976—），女，汉族，博士，讲师，从事无线传感器网络和嵌入式系统的研究，E-mail：helili@jlu．edu．cn．通讯作者：张健（1977—），男，汉族，博士，讲师，从事无线传感器网络、嵌入式系统和工作流技术的研究，E-mail：jzhang@jlu．edu．cn．基金项目：吉林省科技发展计划重点项目（批准号：20090425）和吉林大学科学前沿与交叉学科项目（批准号：201103134；201103128）．析网络状态并执行更正和预防管理．由于其采用了自有的非标准底层协议，因此限制了其推广应用．Wagenknecht 等［6］提出一个异构无线传感器网络管理体系结构MARWIS ，支持异构WSN 环境，且支持普通的管理任务，包括监测、配置和程序代码更新等．该方案的骨干网是一种无线Mesh 网，是进行异构无线传感器网络有效管理的前提，对许多应用环境是一种局限．本文基于WINNA 网络管理抽象模型，结合ZigBee 协议的应用特征，提出一个新的无线传感器网络管理框架，该网络管理系统充分利用了有限的网络资源，可提高无线传感器网络应用系统的服务质量．图1网络管理的基本结构Fig．1Basic structure of network management1基于ZigBee 的WSN 网络管理体系结构IEEE 802．15．4定义了MAC 和PHY 层协议，ZigBee ［7］在此基础上，对NWK 层［8］、应用支持APS 层及其上的规范进行了定义．ZigBee 由于其独特的性质，在环境监测、工业控制、智能家居、楼宇自动化、自动抄表、医疗监护、智能电网、物流和建筑物监测等领域应用前景广阔［9］．网络管理体系结构是定义网管系统结构及系统成员间相互关系的规则集合［10］．现代计算机网络的网络管理基本采用管理者（Manager ）-代理（Agent ）结构［11］，如图1所示．代理指驻留在被管设备上协助网络管理系统完成网络管理任务的一个守护进程，主要功能是对管理者发送来的请求做出响应，同时根据设置向网络管理者发送中断或通知消息．图2系统的物理结构Fig．2Physical structure of the system网络管理系统结构有3种，分别是集中式体系结构、分层式体系结构和分布式体系结构．本文系统采用分层式体系结构，基于ZigBee 规范，构建了可伸缩性强、支持多应用扩展、支持异构的无线传感器网络管理系统，系统的整体结构如图2所示．该系统允许用户在客户端浏览器上实时监测来自ZigBee 无线传感器网络的状态．系统分为基于ZigBee 的无线传感器网络和管理终端两部分．基于ZigBee 的无线传感器网络包括3类设备：基站、路由和终端节点［12-15］．其中终端节点为简化功能设备，一般是能源资源有限的终端，具有感知和通信功能；路由器为全功能设备，一般为能源资源丰富的终端，具有感知、通信及路由功能；基站是带有网络协调器的PC 机，负责ZigBee 网络与管理终端的数据转发功能．根据MANNA 对于网络管理功能的抽象模型［16］，结合ZigBee 无线传感器网络应用特征［17］，本文定义无线传感器网络管理功能框架如图3所示．图3无线传感器网络管理功能框架Fig．3Network management framework of WSN配置管理包括对系统的拓扑控制及重编程管理；故障管理包括传感器故障、通信故障和传感器节点故障；安全管理包括数据机密性、数据完整性及入侵检测和密钥管理；性能管理包括能量管理、生857吉林大学学报（理学版）第50卷存周期和通信质量管理．这些管理都遵循无线传感器网络管理协议．本文系统基于MANNA 的网络管理与网络应用分离的设计思想，使网络管理系统能适应不同的应用环境．体系结构由管理站、路由节点和传感器节点组成，其中管理站带有用户访问接口和ZigBee 网络管理应用软件系统，实现对ZigBee 网络的集中式管理和基于Web 的访问与控制，并同时具有网关功能，允许Internet 与ZigBee 网络的通信；路由节点具有ZigBee 网络管理模块，能建立簇状网络，并提供子网的管理功能．传感器节点具有一个代理模块，负责网络管理信息的搜集与网管命令的执行．2基于ZigBee 的WSN 可视化网络管理平台设计无线传感器网络可视化管理平台软件采用基于MVC 模型的三层Web 结构，如图4所示．在管理功能上包含配置管理、故障管理、安全管理、性能管理和可视化工具集．图4基于Web 的无线传感器网络可视化管理逻辑结构Fig．4Visual management structure based on Web of WSN1）配置管理模块：包括拓扑控制（拓扑发现、睡眠周期管理、成簇管理）、重编程（参数调整）和Agent 调度等；2）故障管理模块：包括传感器故障管理、通信故障管理和传感器节点故障管理等；3）安全管理模块：包括消息认证、访问控制和密钥管理等；4）性能管理模块：包括生存周期管理（能量消耗）、通信QoS 管理（丢包率、时延、实时）和网络感知QoS 管理（网络覆盖率）等；5）可视化工具：包括拓扑结构的可视化、能量的可视化和节点状态的可视化等；6）数据库：包括网络拓扑数据、节点属性表、配置信息和覆盖区域信息等．3基于ZigBee 的WSN 网络管理系统嵌入式软件设计3．1基于Agent 的终端节点嵌入式软件设计目前，对基于Agent 的嵌入式体系结构研究尚处于探索阶段，还没有成熟的产品；已有的框架都侧重解决某一局部问题和算法，没有从WSN 应用开发的全局考虑，因此不具有通用性．基于Agent 的面向服务处理机制，其终端节点的嵌入式中间件架构采用异步多对多的通信模型，适合大规模的WSN．采用半有序层级结构，每层只能调用同层或下层，层向上的调用和模块及应用间的调用以事件为通信方法，上层可跨层调用下层的服务，体系结构如图5所示．该嵌入式体系结构基于ZigBee 参考模型．尽管硬件设计可能不同，但所有的WSN 节点硬件都实现一个共性的功能集合．为了实现对节点上不同操作系统和硬件的兼容，在应用支撑层APS 中，采用基于Agent 的设计．对不同的硬件，只需实现这些面向服务的Agent ，即可保证向上的透明性．对于特殊节点的特殊功能，属于相关应用，由应用程序直接调用，也可定制和包装为应用相关的服务Agent ，供指定应用程序调用．按照功能不同，APS 层Agent 分为管理Agent 和功能Agent 两类．功能Agent 提供应用所需的所有功能，根据应用的不同，可通过配置管理Agent 动态配置各个功能Agent．基于WSN 网络管理功能框架，本文设计4种管理Agent ，即配置管理Agent 、故障管理Agent 、性能管理Agent 和安全管理Agent．1）配置管理Agent ：负责设置终端节点的网络运行参数、代码更新和节点状态等；2）故障管理Agent ：传感器网络通常需要在无人干预的环境下长时间运行，而传感器节点众多、自身资源受限，使得网络中可能随时存在故障节点，因此，故障管理Agent 负责节点系统自检、故障检测和故障报告等操作；3）性能管理Agent ：QoS 是检验节点性能的重要特性，交叉于各层中，并包含于各种功能服务957第4期何丽莉，等：基于ZigBee 的无线传感器网络管理系统架构设计图5终端节点嵌入式架构Fig．5Embedded framework of terminal nodeAgent 中，如数据管理服务Agent 要求可靠且高精确度；用于度量WSN 中QoS 基础结构的典型参数，包括消息时延、延时抖动、丢包率、网络带宽、吞吐量及滞后时间等；用于度量WSN 中QoS 应用的典型参数，包括数据精确度、聚合延迟、覆盖量和系统寿命等信息；性能管理Agent 负责收集并报告各种QoS 信息；4）安全管理Agent ：负责管理节点的信息安全，包括消息的机密性、完整性、身份认证、入侵检测和访问控制等．3．2基于Agent 的路由节点嵌入式软件设计基于终端节点的嵌入式体系结构是基于Agent 的路由节点体系结构，如图6所示．除具有终端节点所有的功能Agent 外，增加了路由管理Agent 和消息管理Agent ，其网络管理Agent 功能也更丰富．图6路由节点嵌入式软件体系结构Fig．6Embedded framework of router node路由管理Agent 负责建立和维护其所属子网节点的路由表，消息管理Agent 负责管理其所属子网节点所传输的消息，如遇到网络不通或阻塞的情况，可缓存部分最新消息并提供重发机制．网络管理Agent 除具有终端节点的所有管理功能外，还具有管理其所属子网的状态、拓扑结构等特殊管理功能．综上所述，本文基于WINNA 管理框架，结合ZigBee 协议设计并开发了一个基于ZigBee 的无线传感器网络管理系统．该系统基于Agent 技术，包括终端节点的嵌入式设计和路由节点的嵌入式设计；通过基站的双向转发，设计了可视化的网络管理平台，实现了WSN 的配置管理、故障管理、安全管理和性能管理等核心网络管理功能．参考文献［1］SONG He-ping ，HU Cheng-quan ，FAN Dong-xia ，et al．Cluster-Based Key Management Scheme for Wireless Sensor 067吉林大学学报（理学版）第50卷Networks ［J ］．Journal of Jilin University ：Information Science Edition ，2011，29（3）：231-236．（宋和平，胡成全，樊东霞，等．基于簇的无线传感器网络密钥管理方案［J ］．吉林大学学报：信息科学版，2011，29（3）：231-236．）［2］YANG Jing ，XIONG Wei-li ，QIN Ning-ning ，et al．Energy-Efficient Data Gathering Algorithm for Wireless SensorNetworks ［J ］．Journal of Jilin University ：Engineering and Technology Edition ，2011，41（6）：1720-1725．（杨靖，熊伟丽，秦宁宁，等．用于无线传感器网络的高能效数据收集算法［J ］．吉林大学学报：工学版，2011，41（6）：1720-1725．）［3］Ruiz L B ，Nogueira J M ，Loureiro A A F．MANNA ：A Management Architecture for Wireless Sensor Networks ［J ］．Journal of the IEEE Communications ，2003，41（2）：116-125．［4］Song H ，Kim D ，Lee K ，et al．UPnP-Based Sensor Network Management Architecture ［C ］//Proceedings of the SecondInternational Conference on Mobile Computing and Ubiquitous Networking．Osaka ：ICMU ，2005．［5］Lee W ，Datta A ，Cardell-Oliver R．WinMS ：Wireless Sensor Network Management System ：An Adaptive Policy-BasedManagement for Wireless Sensor Networks ［R ］．［S．l．］：The University of Western Australia ，2006．［6］Wagenknecht G ，Anwander M ，Braun T ，et al．MARWIS ：A Management Architecture for Heterogeneous WirelessSensor Networks ［C ］//Proceedings of the 6th International Conference on Wired /Wireless Internet Communications．Berlin ：Springer-Verlag ，2008：177-188．［7］ZigBee Alliance．ZigBee Specification ［DB /OL ］．2005-06-27．http ：//www．ZigBee．org．［8］LIU Dan ，QIAN Zhi-hong ，LIU Ying．Tree Routing Improvement Algorithm in ZigBee Network ［J ］．Journal of JilinUniversity ：Engineering and Technology Edition ，2010，40（5）：1392-1396．（刘丹，钱志鸿，刘影．ZigBee 网络树路由改进算法［J ］．吉林大学学报：工学版，2010，40（5）：1392-1396．）［9］PANG Na ，CHENG De-fu．Design of Greenhouse Monitoring System Based on ZigBee Wireless Sensor Networks ［J ］．Journal of Jilin University ：Information Science Edition ，2010，28（1）：55-60．（庞娜，程德福．基于ZigBee 无线传感器网络的温室监测系统设计［J ］．吉林大学学报：信息科学版，2010，28（1）：55-60．）［10］MENG Luo-ming．Network Management ：Problems ，Progress and Prospect ［J ］．Journal of Beijing University of Postsand Telecommunications ，2003，26（2）：1-8．（孟洛明．网络管理研究中的问题、现状和若干研究方向［J ］．北京邮电大学学报，2003，26（2）：1-8．）［11］LI Ye-wen ，MENG Luo-ming ，QI Feng．The Study and Perspective of Mobile Agent Applications in Network ManagementEnvironment ［J ］．Acta Electronica Sinica ，2002，30（4）：564-569．（李冶文，孟洛明，亓峰．网络管理环境下移动代理技术应用研究的现状、问题与展望［J ］．电子学报，2002，30（4）：564-569．）［12］CUI Li ，JU Hai-ling ，MIAO Yong ，et al．Overview of Wireless Sensor Networks ［J ］．Journal of Computer Research and Development ，2005，42（1）：163-174．（崔莉，鞠海玲，苗勇，等．无线传感器网络研究进展［J ］．计算机研究与发展，2005，42（1）：163-174．）［13］ZHOU Ying．Research on Architecture of Network Management and Relative Technologies for Wireless Sensor Network ［D ］：［Ph D Thesis ］．Wuhan ：Wuhan University of Technology ，2008：72-93．（周颖．无线传感器网络的网络管理体系结构及相关技术的研究［D ］：［博士学位论文］．武汉：武汉理工大学，2008：72-93．）［14］LI Jian-zhong ，GAO Hong．Survey of Wireless Network Research ［J ］．Journal of Computer Research and Development ，2008，45（1）：1-15．（李建中，高宏．无线传感器网络的研究进展［J ］．计算机研究与发展，2008，45（1）：1-15．）［15］SHI Jun-feng ，ZHONG Xian-xin ，CHEN Shuai ，et al．Architecture and Characteristics of Wireless Sensor Networks ［J ］．Journal of Chongqing University ：Natural Science Edition ，2005，28（2）：16-19．（石军锋，钟先信，陈帅，等．无线传感器网络结构及特点分析［J ］．重庆大学学报：自然科学版，2005，28（2）：16-19．）［16］YU Hai-bin ，ZENG Peng ，WANG Zhong-feng ，et al．Study of Communication Protocol of Distributed Sensor Network［J ］．Journal of China Institute of Communications ，2004，25（10）：102-110．（于海斌，曾鹏，王忠锋，等．分布式无线传感器网络通信协议研究［J ］．通信学报，2004，25（10）：102-110．）［17］DUAN Shang-wei ，YUAN Xiao-bu．Exploring Hierarchy Architecture for Wireless Sensor Networks Management ［C ］//Proc of the Third IEEE and IFIP International Conference on Wireless and Optical Communications Networks （WOCN 2006）．Bangalore ，India ：IEEE Press ，2006：6．（责任编辑：韩啸）167第4期何丽莉，等：基于ZigBee 的无线传感器网络管理系统架构设计。