泛在传感器网络标准体系与系统架构研究

　　传感器网络是一个结合传感器、协同感知、协同信息处理、无线通信与网络、综合信息服务等多种技术的综合信息系统。它具有高度创造性、渗透性和带动性，不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有巨大的应用价值，还将在许多新兴领域体现其优越性，如家庭、保健、交通等。作为物物互联的重要支撑技术之一，它也将为移动通信带来物物互联的新业务，成为推动经济发展与和谐社会的强大动力。

　　目前，传感器网络领域尚处于发展初期，我国的科研、产业进展与国际几乎同步，大部分依托于科研成果，在部分领域有示范应用。但在已经实现的传感器网络中往往采用私有协议，尚缺乏完善的传感器网络标准体系，缺乏对如何采用现有技术标准的指导，在产品设计、系统集成时无统一标准可循，已经严重制约了技术应用和产业的迅速发展。为了实现泛在的传感器网络，要实现和核心网络的融合，大量关键技术尚需突破，标准化将对于实现大规模应用网络所需要的互联互通起到至关重要的作用。标准是传感器网络产业化发展的制高点，各国掌握核心技术的公司和研究机构对标准的制定都非常重视。在目前的传感器网络领域，德州仪器、微软、英特尔、诺基亚、霍尼韦尔、西门子等跨国公司正在开展相关技术标准的制定工作，我国也必须及时开展标准化工作，以避免我国传感器网络产业界再次成为产业链的最低端，沦为代工厂。所幸的是，我国传感器网络的技术、产业发展与国际基本同步，目前国际尚无完备的传感器网络标准体系，这为我国实质性参与该领域国际标准化工作、占领产业的制高点提供了一次难得的历史性机遇。

　　传感器网络标准化研究将有利于巩固现有技术、产业成果，规范、推动产业有序、健康发展；通过统筹安排，产学研用联合攻关，对相关技术体制进行全面梳理，形成可行的技术标准体系，切入关键技术问题；通过“关键技术－标准化－应用示范－产业化－商用化”的渐进发展道路，保障传感器网络大规模应用的互联互通，推动传感器网络迅猛发展；有利于推动我国实质性参与传感器网络国际标准化工作，扩大产业界在国际上的影响力。

传感器网络国际和国内标准化现状

　　传感器网络涉及的技术领域和相关标准化组织较多，目前国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）的第一联合技术委员会（JTC1）、国际电子和电气工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）和互联网工程师任务组（IETF）等国际标准化组织都在开展传感器网络标准相关的研究工作，但大多尚处于标准提案阶段。其中，IEEE在为传感器网络提供支持的底层无线传输技术和传感器接口的标准化研究等方面已取得一定进展；ITU-T的多媒体编码、系统和应用（SG16）研究组开始进行泛在传感器网络（USN）应用和服务的研究，SG17研究组已开展USN安全框架的研究；IETF成立低功率无线个域网上的IPv6（6LOWPAN）工作组，已产生RFC4944（IEEE 802.15.4上的IPv6）和RFC4919（问题陈述和目标）。目前，公认的可以被称为传感器网络标准的只有IEEE802.15.4和Zigbee联盟推出的传输、网络、应用层协议标准，以及IEEE1451。

　　IEEE802.15.4定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范。基于IEEE802.15.4，Zigbee制定出网络互联、传输和应用规范。Zigbee技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点，目前是被普遍看好的无线个域网解决方案，也被很多人视为传感器网络的事实标准。Zigbee联盟对网络层协议和应用程序接口进行了标准化。尽管Zigbee技术试图在传感器网络需求的网络性能上（如功耗、成本、时延、安全等方面）可以提供一个解决方案，但从目前的应用情况来看，在可扩展性、能耗控制、网络性能等方面还存在明显的缺点。IEEE1451标准族是通过定义一套通用的通信接口，以使工业变送器（传感器+执行器）能够独立于通信网络，并与现有的微处理器系统、仪器仪表和现场总线网络相连，解决不同网络之间的兼容性问题，并最终实现变送器到网络的互换性和互操作性。

　　为了在传感器网络国际标准的制定方面进行研究与探索，2007年ISO/IECJTC1正式成立了传感器网络研究组（SGSN）。目前有22名专家，分别来自中国、法国、日本、韩国、挪威、英国和德国，以及其他组织的联络员。2008年6月，在中国上海召开了第1次全体会议，对传感器网络的应用需求、系统架构、协议、接口和安全等方面的提案进行了讨论。2008年9月和2009年1月，我国分别组团参加了在德国和澳大利亚举办的第2次和第3次SGSN会议，实质性地参与了《ISO/IECJTC1传感器网络研究组技术报告》的编写工作，并在很多章节做出了重要的贡献。

　　我国传感器网络技术的研究首次出现在1999年中国科学院的《知识创新工程试点领域方向研究》中，几乎与发达国家同步。国家自然科学基金委（NFSC）从2002年开始，连续资助了一系列有关传感器网络的研究，此外还启动了“面向传感器网络的分布自分布系统关键技术协调控制理论”和“传感器网络系统基础软件及数据管理关键技术研究”等重点项目。国家重点基础研究发展计划（“九七三”计划）也于2006年资助了“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”。国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）于2006年开始在信息技术领域的通信专题下资助了10余项探索导向型项目，研究传感器网络的系统级技术；2007年启动了“传感器网络嵌入式芯片设计”等目标导向型项目，进行节点系统关键技术的攻关。此外，科技部“十一五”国家科技支撑计划也部署了相关应用示范项目，以促进传感器网络在环境监测和精细农业等方面的行业应用。《国家中长期科学与技术发展规划（2006—2020年）》在重大专项、优先发展主题、前沿领域均将传感器网络列入，其中重大专项“新一代宽带移动无线通信网”已将其列为重要方向

　　这些从基础研究、科技攻关、示范应用等不同层次、不同角度开展的项目，带动和加速了我国传感器网络研究的进程。统计数据表明，截至2008年底，我国申请的传感器网络相关专利435件。可以说，上述前期探索性研究为我国传感器网络技术的进一步发展进行了必要的技术储备，为国家标准的制定工作奠定了基础。

　　2006年，全国信息技术标准化技术委员会成立了传感器网络标准项目组，组织国内的大学、科研单位和企业开展了标准研究工作，对《传感器网络标准体系》、《传感器网络协议栈》、《传感器网络智能传感器接口标准》和《传感器网络安全服务》等标准项目进行了研究。2007年底，国家标准化管理委员会正式批准筹建传感器网络国家标准工作组，组长单位是中国电子技术标准化研究所，秘书处单位是中国科学院上海微系统与信息技术研究所。目前，工作组由国内50余家成员单位，70多位专家组成，汇集了包括国内传感器网络领域产学研用的各方力量，旨在整合国内科研院所和产业界的优势力量，共同进行传感器网络国家标准的制定，全面推动传感器网络的产业发展。同时，依托该组织，也可将国内相关优势单位联合起来，明确分工，统一协调工作，积极提交国际标准提案，多方进行国际交流和沟通，促进我国在传感器网络国际标准化工作中占据重要地位。

　　传感器网络的标准体系研究

　　通过对传感器网络产品的生产商、电信运营商、用户等开展广泛的调研，同时分析梳理ISO，IEC，IEEE，ISA，ITU-T和IETF及Zigbee联盟等组织的标准。对于已经成熟、满足传感器网络应用需求、知识产权开放的标准，可以直接采用或进行裁剪。对于传感器网络产品开发与应用有特殊需求、国内拥有先进技术成果和自主知识产权的领域，则需要以自主制定为主，且保持与已有标准最大程度的兼容、衔接。根据以上原则，我们结合传感器网络产品研发和应用需求，提出传感器网络标准体系框架（见图1）。

（图1）传感器网络标准体系架构

　　我们认为，传感器网络标准体系应当包括基础平台标准与应用子集标准。基础平台标准指通过对传感器网络各类应用的共性特征和技术要求进行分类、规范，形成若干标准化的功能模块组合；应用子集标准指根据各传感器网络应用的特点，描述为特定应用要求，如网络规模、组网形式、服务质量要求、系统生存时间、覆盖范围、业务种类等；根据具体应用案例，将基础平台标准和应用子集标准中的不同模块组合，形成最终的传感器网络应用系统。

　　（1）基础平台标准：主要包括术语、接口、通信和信息交换、协同信息处理、信息服务支持、信息安全和测试等传感器网络产品都应遵循的标准。其中，通信和信息交换标准包括物理层，MAC层，网络层和骨干网接入等相关的标准；协同信息处理标准包括能力声明、网络服务描述、协同战略规划等标准；信息服务支持标准包括信息描述、信息存储、标识、目录服务等标准；信息安全标准包括安全技术、安全维护　安全评估等标准；测试标准包括一致性测试、互操作性测试和系统测试等标准。

　　（2）应用子集标准：主要包括公共安全、农业、环境保护、智能交通、医疗和家庭看护、智能房屋、工业监控、太空探索、军事和水利安全等与具体应用相关的轮廓标准。

　　在国家标准的制定过程中，应当走积极采用与自主制定相结合的技术路线，充分利用以上国内外先进成果，在此基础上根据我国传感器网络产业发展与应用的特色需求，通过国家标准工作组将国内相关优势单位组织起来，明确分工，统一协调工作，开展自主标准的制定，以形成完整的自主创新传感器网络标准体系，为实质性参与国际标准的制定奠定良好的基础。

　　此外，我们将在科学研究的基础上，规划传感器网络的标准化工作，根据传感器网络与应用密切相关的特点，按照技术基础标准和应用子集两个层次，提出引用现有标准、裁剪现有标准或制定新规范等策略，形成包括体系架构、组网通信协议、接口、协同处理组件、网络安全、编码标识、骨干网接入与服务等技术基础规范和产品、应用子集类规范的标准体系，并通过标准体系指导标准制定工作，为今后产品研发和应用开发中对标准的采用提供重要的支持。
 
传感器网络的系统架构研究

　　从传感器网络的特点可知，它是一种需要支持纵向（应用和服务）和横向（系统内部）需求的新型系统。纵向上看，传感器网络标准必须能够涵盖所有系统的共性特点以支持各类应用和服务；横向上看，传感器网络本身具有可扩展性、传感器的广泛性以及协议算法的不确定性等。这都对传感器网络标准的制定提出了很高的要求，同时也带来了较高的难度。

　　由于系统架构是进行任何系统设计的首要前提，传感器网络需要一种具有框架支撑作用，且有效、可靠、可扩展性强的科学系统架构，可以提取许多传感器网络应用之间在元素、组件、模块、功能等的共同性，同时也提取应用之间的差异性，并且可以标识传感器网络中特定的标准化需求领域，并且标识任何可能应用于传感器网络的现有标准，还可将接口、数据类型、节点间的链路、所需的各个通信层等进行形象化表示，以及将传感器网络标准化处理进行归档和提供可以表示传感器网络的架构模型。

　　传感器网络及其应用是一个不断发展和更新的领域，应用的多样性和特定性决定了其系统架构必须具备兼容性、灵活性和可扩展性等特点。针对传感节点类型多，感知处理模式、数据流量特征、通信环境差异大，QoS要求范围广等特点，需要对各类应用进行最大程度的共性抽象，以使此系统架构能够最大程度地符合传感器网络广泛应用的一般要求。

　　传感器网络的应用类型过于广泛，在其标准的研发、设计过程中较难有效地协调网络应用特定性和系统普适性的矛盾关系。为了解决传感器网络标准化进程中可能遇到的若干问题，需要研究建立一个科学、完整的传感器网络标准体系和系统架构。这种系统架构的设计水平将决定传感器网络标准化进程中的技术细节、应用模式和发展趋势。

　　目前，已有一些标准化组织和专业机构提出了多种系统架构模型，比如美国国防部体系架构（DoDAF），英国国防部体系架构（MoDAF），开放组织体系框架（ToGAF），结构化信息标准推动组织（OASIS），开放系统互联参考模型（OSI）等，但由于各自的针对性不同，这些系统架构的定义和思想并不统一。传感器网络系统作为一种全新的异构信息系统，需要选取合适的顶层规划原则进行传感器网络系统架构设计。

　　经仔细研究，我们采用了ZACHMAN框架，原因在于通过该框架，可以建立起一套完整架构的要素。从这个要素列表来看，对基于被置入ZACHMAN要素表信息的任何框架，可以用其创建多种架构。图2给出了用于企业架构的ZACHMAN框架的顶层描述。此框架从多个角度提出了6个问题（即什么、怎样、哪里、谁、何时和为什么）。在每个项目开始时，每个问题基于项目执行者的角度（比如所有者、建筑师、建造者等）、项目执行者的视点和该架构的思想提出若干子问题。因此，创建这样一个架构将是非常有价值的，而且在创建此架构的过程中，基于每个角度的每个问题都需要进行仔细考虑。

（图2）用于企业架构的ZACHMAN框架　

　　基于ZACHMAN框架，在对传感器网络系统深入研究的基础上，我们可以对其系统框架进行抽象性描述，抽取其基本要素并描述其相互关系，建立体现传感器网络特点的参考模型，将各种不同的传感器网络应用系统纳入到统一的标准化框架下，并以此为出发点，从方法论指导与建立面向不同应用的传感器网络参考架构及系统模型，为实际应用系统的规划和建设提供参考基础。 
　
结束语

　　由于应用领域非常广泛，在传感器网络标准的研发、设计过程中不可避免地会遇到网络应用特定性和系统普适性的矛盾关系。作为必不可少的顶层设计和路线指南，标准体系和系统架构的研究在传感器网络标准制定过程中占据着极为重要的地位，关乎传感器网络标准制定的方向和成败。本文对传感器网络标准体系和系统架构的研究工作进行了简单探讨，指出只有在对标准体系和系统架构进行研究的基础上，我们才能提出引用现有标准、裁剪现有标准或制定新规范等策略，形成全面覆盖基础技术标准和应用子集标准的统一标准体系架构，指导标准制定工作，支持产品研发和应用开发中对标准的采用，从而推动产业化、商业化和行业的应用进程。

转载请注明来源：汇润科贸加速度传感器网（www.aq315.com）

若本文收录的图片文字侵犯了您的权益，请邮件联系我们，我们将在24小时内予以删除。