KABLOSUZ ALGILAYICI AĞLAR İÇİN MATLAB BUİLDER NE VE MATLAB WEBFİGURE İLE ASP.NET TABANLI WEB ARAYÜZÜ TASARIMI

Transkript

1 ISSN: e-journal of New World Sciences Academy 2009, Volume: 4, Number: 4, Article Number: 2A0032 TECHNOLOGICAL APPLIED SCIENCES Received: May 2008 Accepted: June 2009 Series : 2A ISSN : Sezgin Kaçar, Cüneyt Bayılmış İlyas Çankaya, Murat Çakıroğlu Sakarya University skacar@sakarya.edu.tr Sakarya-Turkey KABLOSUZ ALGILAYICI AĞLAR İÇİN MATLAB BUİLDER NE VE MATLAB WEBFİGURE İLE ASP.NET TABANLI WEB ARAYÜZÜ TASARIMI ÖZET Kablosuz Algılayıcı Ağ (KAA) lar endüstriyel, askeri ve tıbbi alanlarda yaygın biçimde kullanılmaktadır. Bunun yanında KAA ların açık ve kapalı alanlarda sıcaklık, nem, basınç, ışık yoğunluğu gibi fiziksel büyüklükleri izlemek için basit uygulamaları bulunmaktadır. KAA lar orman yangını, sel gibi doğal afertlerin tespitinde de etkin biçimde kullanılabilmektedir. KAA ların tüm bu kullanım alanlarında toplanan verilerin uzaktan izlenmesi ve analiz edilmesi önemli bir problem olarak ortaya çıkmaktadır. Sunulan bu çalışmada, bu problemin çözümü için MATLAB programının analiz özelliklerinden yararlanan internet tabanlı bir kullanıcı arayüzü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kablosuz Algılayıcı Ağlar, İnternet Tabanlı Uzaktan İzleme, Asp.Net Tabanlı Web Arayüzü, Matlab Builder NE, Matlab Web Figure DESIGN OF ASP.NET BASED WEB INTERFACE WITH MATLAB BUILDER NE AND MATLAB WEBFIGURE FOR WIRELESS SENSOR NETWORKS ABSTRACT Wireless Sensor Networks (WSN s) have been commonly used in industrial, military and medical fields. In addition, there are simple applications of WSN s for monitoring physical quantities such as temperature, humidity, pressure, light density in open and close places. WSN s can also be effectively used for detection of natural disasters such as forest fire, flooding. All of these usage fields of WSN s, remote monitoring and analysing collected datas has appeared as an important problem. In the presented work, an internet-based user interface desing which benefits from analysis features of MATLAB programme was performed. Keywords: Wireless Sensor Networks, Internet Based Remote Monitoring, Asp.Net Based Web Interface, Matlab Builder NE, Matlab Web Figure

2 1. GİRİŞ (INTRODUCTION) Kablosuz Algılayıcı Ağ (KAA) lar algılayıcı düğümler ile bu düğümlerden aldığı verileri bilgisayara aktaran baz istasyonundan meydana gelen ve düğümlerin verileri iletmek için radyo frekans sinyallerini kullandığı bir ağ yapısıdır. Algılayıcı düğümler ise genellikle standart piller ile beslenen, ortamdaki sıcaklık, nem, basınç, ışık yoğunluğu gibi fiziksel büyüklükleri algılayabilen, sınırlı işlem yapma kapasitesi olan, kısa mesafeli kablosuz haberleşme yapabilen, düşük güçlü ve düşük maliyetli tüm devrelerdir [1]. Askeri/tıbbi uygulamalar, orman yangını, deprem gibi doğal felaketlerin tespiti ve izlenmesi, fabrika otomasyon ortamlarının izlenmesi, bina güvenliği vb çok çeşitli kullanım alanlarına sahip olmaları sebebiyle hem endüstriyel uygulamalarda hem de akademik çalışmalarda KAA ların gün geçtikçe kullanımı artmaktadır. Bir KAA oluşturabilmek için birkaç algılayıcı düğüm ile bu düğümlerin topladıkları verileri kullanıcı bilgisayarına aktaracak olan merkezi bir düğüm (baz istasyonu veya sink olarak adlandırılabilir) bulunması yeterlidir. Algılayıcı düğümler topladıkları verileri doğrudan veya birbirleri üzerinden, kablosuz olarak baz istasyonuna ulaştırırlar. KAA larda kablosuz iletim mesafesi kısa olduğu için uzak mesafeli izleme sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak için birçok teknoloji kullanılabilir. Ancak günümüzde en yaygın ve kullanımı en rahat olan internet teknolojisi ile bu ihtiyacı karşılamak en iyi seçim olacaktır. İnternet teknolojisinin kullanıldığı web tabanlı bir izleme sistemi kullanıcılara, internet bağlantısı olan standart bir masaüstü bilgisayar, laptop, PDA veya cep telefonu gibi cihazlardan, oluşturulan bir KAA ı izleme, bu ağa müdahale etme ve gelen bilgileri analiz etme imkanı sağlayabilir. KAA lar ile gerçekleştirilmiş sistemlerde toplanan verilerin işlenmesi, iletilmesi ve görselleştirilmesi gibi işlemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu ihtiyacı karşılamak amacıyla çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmada kullanılan MICAz Kablosuz Algılayıcı Düğüm (KAD) lerini üreten Crossbow firması KAA lar için düğüm konfigürasyonunun ayarlanması, toplanan verilerin gerçek zamanlı olarak izlenmesi, kaydedilmesi ve grafik haline dönüştürülmesi işlemlerini yapan Mote-View adında bir arayüz programı geliştirmiştir [2]. Bu program yalnızca yüklü olduğu bilgisayarda çalışabilmekte, ağ ve internet desteği sağlamamaktadır. Bunun yanında Java tabanlı olarak KAA lar için geliştirilmiş genel amaçlı modüler bir yazılım olan jwebdust ve bir KAA görselleştiricisi olan SpyGalss yazılımı bulunmaktadır [3 ve 4]. Bu iki yazılımın farklı KAA uygulamalarına uyarlanabilmeleri için kullanıcının Java programlama dilini kullanabilmesi gerekmektedir. Geçmiş uygulamalara örnek olarak KAA lara yönelik olarak geliştirilmiş MonSense ve SNAMP uygulamaları verilebilir. MonSense uygulamasında KAA ların geliştirilmesi, görüntülenmesi ve kontrolü amaçlanmıştır [5]. SNAMP (Sensor Network Analysis and Management Platform) da KAA lardan veri alınması, analizi ve görselleştirme amacıyla yapılmış bir uygulamadır [6]. KAA lara yönelik, daha önce yapılmış internet tabanlı uygulamalar da mevcuttur. Örneğin; [7] nolu çalışmada Matlab tabanlı Grafik Kullanıcı Arayüzü (GKA) kullanılarak KAA lar ile çevre izleme sistemi tasarlanmıştır. Bu çalışmada sunucu ve kullanıcı arasında gerçek zamanlı bağlantı olmasına karşın uygulamanın GKA kullanılarak gerçekleştirilmiş olması uygulamayı kullanmak isteyen kullanıcıları GKA ne bağımlı hale getirmekte ve kullanıcı bilgisayarında da Matlab GKA nın kurulu olması gerekmektedir. [8] ve [9] nolu çalışmalarda ise KAA lar için genel amaçlı olarak web tabanlı uygulamalar gerçekleştirilmiştir. 361

3 Sunulan çalışmanın amacı ise bir KAA dan alınan bilgilerin internet üzerinden gerçek zamanlı olarak izlenmesi ve elde edilen verilerin Matlab Builder NE ile oluşturulmuş bir.net bileşeni sayesinde analizinin gerçekleştirilmesidir. Böylece Matlab programının analiz ve grafik özelliklerini içeren web tabanlı bir arayüz oluşturulabilmektedir. Çalışmanın geri kalan bölümlerinden; Bölüm 2 de çalışmanın önemi belirtilmekte, Bölüm 3 de, kullanılan KAA daki Crossbow firmasının MICAz algılayıcı düğümleri hakkında genel bilgiler verilmektedir. Bölüm 4 de çalışmada kullanılan Matlab Builder NE ve Matlab Web Figure aracı tanıtılmaktadır. Bölüm 5 de tasarlanan web arayüzü, kullanımı ve elde edilen bulgular sunulmaktadır. Bölüm 6 da ise sonuçlar ve değerlendirmelere yer verilmektedir. 2. ÇALIŞMANIN ÖNEMİ (RESEARCH SIGNIFICANCE) Yaptığımız çalışmanın önemi ve diğer web tabanlı uygulamalardan farkı sunucu bilgisayarında standart bir sunucu hizmetinden başka bir yazılıma ihtiyaç duymadan ASP.NET tabanlı, kullanılan.net teknolojisi ve Matlab Web Figure (MWF) ile daha dinamik ve daha görsel bir web arayüz tasarımı olmasıdır. Ayrıca sunucu bilgisayarında Matlab programı kurulu olmaksızın, Matlab programının analiz özellikleri gerçekleştirilen arayüz ile kullanılabilmektedir. Bununla birlikte kullanıcılar herhangi bir standart bilgisayardan herhangi bir tarayıcı programı ile bu web arayüzünü kullanabilmektedirler. 3. MICAz KABLOSUZ ALGILAYICI AĞ DÜĞÜMLERİ (MICAz WIRELESS SENSOR NETWORK NODES) Şekil 1 de MICAz kablosuz algılayıcı düğümü görülmektedir. Yaptığımız çalışmada kullanılan bu düğüm içerisinde ATMEGA128L mikrodenetleyicisi bulunmaktadır. Bu mikrodenetleyici 128 KB kod, 4 KB veri hafızasına sahip olup, 16 MHz de çalışmaktadır. Kablosuz iletişim ise IEEE uyumlu Chipcon CC2420 alıcı/verici tüm devresi ile 250 Kbit/s veri iletim hızında gerçekleşmektedir [2]. Ayrıca ışık, sıcaklık, basınç, nem ve yer değişim hareketlerini algılayabilmek için XMTS_400 algılayıcı kartı da kullanılmıştır. Şekil 1. MICAz kablosuz algılayıcı düğümü (Figure 1. The MICAz wireless sensor network node) 4. MATLAB BUILDER NE VE MATLAB WEBFIGURE (MATLAB BUILDER NE AND MATLAB WEBFIGURE) Matlab Builder NE, Matlab Compiler ürününün bir ek ürünüdür ve Matlab fonksiyonlarına.net programcılarının CLS-compliant dilleri olan C#, VB.Net ve C++ programlama dilleriyle ulaşmalarına olanak verir. Matlab Builder, Matlab kodlarını derleyerek Matlab fonksiyonlarını.net metodlarına dönüştürür. Her Matlab Builder NE bileşeni bir veya daha fazla sınıf içerir. Her sınıf ise derleme işleminden önce eklenen Matlab fonksiyonları için arayüz oluşturur [10]. 362

4 Matlab Builder NE veri dönüşümü, veri sıralama ve dizi biçimlendirme imkanı sağlayarak, derlenmiş kod çağrıldığında Matlab fonksiyonları ve özelliklerinin esnek biçimde kullanılmasını sağlar. Bunun yanında Matlab Builder NE de Matlab data tiplerinin desteklenmesi için MWArray.dll dosyasında tanımlı olan MWArray veri dönüşüm sınıfları bulunmaktadır. Kullanılan veri ve dizileri Matlab a uygun biçime dönüştürmek ve Matlab tan gelen verileri hazırlanan programda kullanabilmek için MWArray.dll dosyası uygulamaya referans olarak eklenmelidir [10]. Matlab Builder NE deki WebFigure özelliği ise Matlab figürlerini bir web sitesinde gösterebilme ve bu figürler üzerinde görsel olarak işlem yapabilme olanağı sağlamaktadır. Bu özellik son kullanıcılara, Matlab programı ve diğer araçlar olmadan grafiksel uygulamaları istedikleri bir yerden yalnızca web tarayıcı aracılığı ile internet üzerinden gerçekleştirme imkanı sağlamaktadır [10]. Matlab Builder NE derleyicisini kullanarak.dll uzantılı.net bileşeni (component) ni oluşturmak için öncelikle içerisinde yapılmak istenen işlemleri içeren bir Matlab fonksiyonu uygun bir.m dosyası içerisinde tanımlanır. Bu çalışmada Web Figure aracı kullanılacağı için oluşturulan Matlab fonksiyonunda çıktı olarak bir figure tanımlanmalıdır. Şekil 2 de Matlab fonksiyonu ve içerisindeki figure yapısının nasıl tanımlandığı görülmektedir..m dosyası uygun biçimde oluşturulduktan sonra derleme işleminin yapılacağı Geliştirme Aracı (Deployment Tool) çalıştırılır (Şekil 2). Yeni bir proje oluşturulur. Bu esnada.net ile ilgili seçeneklerin seçilmesine dikkat edilmelidir. Bir diğer dikkat edilecek nokta oluşturulan bileşenin ve içindeki sınıf (class) ın isimlerinin belirlenmesidir. Bu isimler daha sonra web arayüz tasarımı sırasında kullanılacaktır. İsimler verildikten sonra dosya ekle (add file) ikonuna tıklanarak oluşturulan.m dosyası sınıfa eklenir (Şekil 2). Son olarak derleme (build) ikonu tıklanarak derleme işlemi gerçekleştirilir. Geliştirme aracının çalıştırılması. Yeni proje oluşturma ikonu Dosya ekleme ikonu Proje derleme ikonu Eklenen.m dosyası Şekil 2. Matlab Builder NE ile.net bileşeni oluşturma işlemi (Figure 2. The process of creating.net component with Matlab Builder NE) Matlab Web Figure aracını kullanmak için web arayüzü tasarımında kullanılan programda yapılacak ilk işlem Web Figure Control aracı 363

5 (tool) nın araç kutusu (toolbox) na eklenmesidir. Ardından bu araç çalışma ekranına sürüklenerek bırakılır. Aracın özellikler (properties) inde isim (name) kısmına uygun bir isim yazılır ve (scope) kısmında application seçeneği seçilmelidir. Bu ekranda son olarak oluşturulan.net bileşeni referans olarak gösterilmelidir (Şekil 3). Şekil 3. Oluşturulan.Net bileşeni ve Web Figure Control aracının kullanılması işlemi (Figure 3. The process of using of created.net component and Web Figure Control tool) Sonrasında kod ekranına geçilerek Şekil 4 deki kodlar yazılmalıdır. Buradaki değişkenler ve kullanılan grafikciz foksiyonu oluşturulan.net bileşeninde tanımlanan değişken ve fonksiyonlardır. Tasarım ekranında Web Figure Control aracına verilen isim kod ekranında yazılan kodlarda kullanılmıştır (Şekil 4). Şekil 4. Oluşturulan.Net bileşeni ve Web Figure Control aracının kullanılabilmesi için gerekli kodlar (Figure 4. The necessary codes for using of created.net component and Web Figure Control tool) 364

6 5. TASARLANAN WEB ARAYÜZÜ UYGULAMASI (DESIGNED WEB INTERFACE APPLICATION) Gerçekleştirilen web arayüzü tasarımında; Matlab programı ve Matlab Builder NE ile hazırlanmış.net bileşeni, bu bileşen ile uyumlu biçimde çalışabilen ve arayüz tasarımının gerçekleştirildiği Visual Web Developer 2008 Express Edition programı ve sunucu hizmeti olarak da IIS 5.0 (Internet Information Service) kullanılmıştır. Web tasarımının alt yapısı ASP.NET ve kullanılan programlama dili ise C# olarak seçilmiştir. KAA dan gelen bilgiler PostgreSQL veri tabanına kaydedilmekte olup Matlab ve Asp.Net için veriler buradan sağlanmıştır [11]. Şekil 5 de sistemin mimari yapısı ve Şekil 6 da sistemin çalışmasını açıklayan akış diyagramı görülmektedir. Şekil 5. Sistemin mimari yapısı (Figure 5. The system s architecture) 365

7 Şekil 6. Sistemin çalışmasını açıklayan akış diyagramı (Figure 6. The flow chart which explains working of system) 366

8 Yapılan çalışma sonunda KAA lar için kullanıcı web arayüzü Şekil 7 deki gibi tasarlanmıştır. Şekil 7. Tasarlanan web arayüzü (Figure 7. The designed web interface) Bu tasarımda amaç görselliği ve dinamik yapıyı koruyarak karmaşık olmayan ve kullanımı kolay bir arayüz oluşturmaktır. Bunun yanında tasarımın kullanıcıya sunduğu özellikler aşağıdaki gibi sıralanabilir; Gerçek zamanlı değer göstergesi kısmında KAA dan gelen değerler kaydedildikleri anda gerçek zamanlı olarak ekranda gözlenebilirler. Bu kısımda bulunan düğüm seçim kısmı ise görüntülenmek istenen düğümü seçmek için kullanılır. İstenen düğüm, düğüm listesinden seçilip Seç butonuna basıldığında ilgili düğüme ait değerler ekrana gelir. Grafik oluşturma tablosunda çizdirilmek istenen grafiğin özellikleri belirlenir. Sensör kısmı grafikte görüntülenmek istenen fiziksel büyüklüğü belirlemek için kullanılırken, 1. ve 2. düğüm seçenekleri karşılaştırmalı grafiklerde hangi düğümlerin karşılaştırılacağını seçmekte kullanılır. Karşılaştırma seçenekleri kısmında tek düğüm için bir grafik veya seçilen iki düğümün karşılaştırıldığı bir grafik tercih edilebilir (Şekil 8 ve Şekil 9). Şekil 8 deki grafikte 3 nolu düğüm için çizilmiş sıcaklık grafiği görülmektedir. Bu grafikte yatay eksende görülen zaman aralığında 3 nolu düğümün bulunduğu ortamdaki sıcaklığın 24 C civarındaki değişimi gözlenmektedir. Şekil 9 da ise 3 ve 4 nolu düğümlerin yatay eksendeki yaklaşık bir saatlik zaman aralığında algıladıkları ışığın değişimi karşılaştırmalı olarak görülmektedir. Bu grafikte her iki düğümde algılanan ışık şiddetinin birbirine yakın değerlerde (284 lüx civarında) olduğu gözlenmektedir. 367

9 Şekil 8. Tek düğüm için sıcaklık/zaman grafiği (Figure 8. The temparature/time graphic for one node) Şekil 9. İki düğümün karşılaştırıldığı ışık/zaman grafiği (Figure 9. The ligth/time graphic in which two nodes compared) Web arayüzü temelde çizgi ve bar grafiği olmak üzere iki farklı grafik seçeneği sunmaktadır. Çizgi grafiğinde belli bir zaman aralığındaki değer değişimi, bar grafiğinde KAA dan elde edilen değerlerin ortalaması gösterilmektedir. Bunun yanında bar grafiği üç farklı standart sapma aralığı için çizilebilir (Şekil 10). Bar grafiğinde standart sapmanın kullanım amacı KAA dan elde edilen değerlerin yoğunlukla hangi değer aralığında bulunduğunu göstermektir. Bu yoğunluğun standart sapma aralıklarına göre dağılımı şu şekilde açıklanabilir; o Bir standart sapma aralığında olan değerler tüm değerlerin %68,2 sinin, 368

10 o İki standart sapma aralığında olan değerler tüm değerlerin %95,4 ünün, o Üç standart sapma aralığında olan değerler tüm değerlerin %99,8 inin, o bu değer aralığında olduğunu göstermektedir. Şekil 10 da 3 ve 4 nolu düğümlerde elde edilen sıcaklık değerlerinin ortalaması ve iki standart sapma (%95,4) için değerlerin bulunabileceği değer aralığı gösterilmektedir. Şekil 10 daki grafiğin üst kısmında görülmekte olan standart sapma değerleri de kullanılarak elde edilen iki standart sapma aralığında, grafikte 1. Düğüm olarak tanımlanan 3 nolu düğümden algılanan sıcaklık değerlerinin ortalaması yaklaşık 24.4 C olup değerlerin 24.3 C ile 24.6 C arasında değiştiği, 2. Düğüm olarak tanımlanan 4 nolu düğümden algılanan sıcaklık değerlerinin ortalaması yaklaşık 24.3 C olup değerlerin 23.8 C ile 24.8 C arasında değiştiği görülmektedir. Tüm seçimler tamamlandıktan sonra Çiz butonuna basılarak grafik oluşturulur. Oluşturulan grafik Matlab Web figure özelliği taşıdığı için grafiğin bakış açısı değiştirilebilir, grafik yakınlaştırılabilir ve grafiğin yeri şekil sınırları içerisinde değiştirilebilir. Bu sayede tasarımda dinamiklik ön plana çıkmakta ve uygulama kullanıcılar için daha esnek hale gelmektedir. Şekil 10. İki düğümün ortalama değerlerinin karşılaştırıldığı bar grafiği (Figure 10. The bar graphic in which the average values of two nodes compared) 5. SONUÇLAR(CONCLUSIONS) Sunulan çalışmada KAA lar için genel amaçlı, modüler, uygulamalara bağlı olarak kolay geliştirilebilir bir web tabanlı kullanıcı arayüzü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada önceki örneklerinden farklı olarak Matlab Builder NE ve Matlab Web Figure araçları kullanılarak.net platformunda Asp.Net tabanlı bir web tasarımı yapılmıştır. Böylece hem Matlab programının yeni 369

11 versiyonlarına hem de her geçen gün yaygınlaşan ve gelişen.net teknolojisine uyumlu bir arayüz oluşturulmuştur. Yapılan çalışmanın sunduğu en büyük avantaj Matlab programının özellikleri kullanılırken sunucu bilgisayarında Matlab programının kurulu olması gereksinimini ortadan kaldırılmasıdır. Ayrıca çalışmanın bir diğer üstünlüğü ise Matlab Web Figure aracının kullanıcılara sağlamış olduğu dinamik ve esnek yapıdır. Sunulan uygulama bir prototip ve başlangıç çalışması olup, gelecek çalışmalarda daha farklı analiz sonuçları, grafik ve karşılaştırma seçenekleri üzerine odaklanılması düşünülmektedir. KAYNAKLAR (REFERENCES) 1. Akyildiz, I.F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y., Cayirci, E., (Mart 2002) Wireless Sensor Networks: A Survey, Computer Networks, Cilt 38, Sayı:4, ss: Crossbow MICAZ Data Sheet, Crossbow Technology Inc., 2009, Z_Datasheet.pdf. 3. Chatzigiannakis, I., Mylonas, G., and Nikoletseas, S.E., (2005). jwebdust: a javabased generic applicationenvironment for wireless sensor Networks, Proceedings of the IEEE International Conference on Distributed Computing in Sensor Networks (DCOSS), ss: Buschmann, C., Psterer, D., Fischer, S., Fekete, S.P., and Kroler A., (2005) Spyglass: a wireless sesor network visualizer, ACM SIGBED Review, Cilt:2, Sayı:1, ss: Pinto, J., Sousa, A., Lebres, P., Gonçalves, G.M., and Sousa, J., (2006). MonSense Application for Deployment, Monitoring and Control of Wireless Sensor Networks, ACM REALWSN'06 Workshop Program. 6. Yang, Y., Xia, P., Huang, L., Zhou, Q., Xu, Y., and Li, X., (Mayıs 2006). SNAMP: A Multi-sniffer and Multi-view Visualization Platform for Wireless Sensor Networks, IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA 2006). 7. Cao, X., Chen, J., Zhang, Y., and Sun, Y., (2008). Development of an integrated wireless sensor network micro-environment monitoring System, ISA Transactions, Cilt:47, ss: Hussain, S., Schofied, N., and Martin, A., (2006). Desing of a Web-based application for Wireless Sensor Networks, Proceedings of the 17th International Conference on Database and Expert Systems Applications, ss: Panchard, J., Rao, S., Prabhakar, T.V., Jamadagni, H.S. and Hubaux, J.P., (Mayıs 2006). COMMON-Sense Net: Improved Water Management for Resource-Poor Farmers via Sensor Networks, the International Conference on Information and Communication Technologies and Development(ICTD2006). 10. Matlab Builder NE 3 User s Guide, The Mathworks Inc., Ekim PostgreSQL, 370