一種傳感器網(wǎng)絡應用的面向服務體系結(jié)構(gòu)

摘要：為了解決傳感器網(wǎng)絡和Internet之間的互聯(lián)以及應用問題，提出了面向服務的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)將傳感器網(wǎng)絡應用的接口和交互作為一種網(wǎng)頁服務進行封裝。這樣用戶可以通過HTTP來查找、定位和喚醒這些服務。將傳感器網(wǎng)絡按功能分為核心服務集合和輔助服務集合。通過應用層的接口來調(diào)用傳感器網(wǎng)絡的功能，為應用開發(fā)者提供一個統(tǒng)一的標準，不需要考慮底層的實現(xiàn)，加強了應用開發(fā)的通用性和開發(fā)速度。描述了該體系結(jié)構(gòu)的實驗環(huán)境，并與典型應用場景相結(jié)合，融合核心服務和輔助服務。研究顯示，該體系結(jié)構(gòu)可以促進傳感器網(wǎng)絡應用的快速發(fā)展，有著廣闊的發(fā)展前景。

關鍵詞：傳感器網(wǎng)絡;面向服務；體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP393文獻標志碼：A

文章編號：1001-3695(2008)05-1474-03

0引言

微電子系統(tǒng)和通信技術(shù)的發(fā)展使得現(xiàn)階段可以生產(chǎn)一種新的計算設備，一種無限的、電池供電的、靈敏的傳感器節(jié)點。這些傳感器節(jié)點具有信號采集、信號傳輸和計算功能。典型的例子是美國Berkley開發(fā)出的集成了處理器、存儲器、電源和射頻收發(fā)的節(jié)點Motes，其大小僅有2×4×1 cm。雖然每個單獨節(jié)點的能力有限，但是通過成千上萬的節(jié)點所組成的傳感器網(wǎng)絡卻可以完成大型工作。為了能充分地使用傳感器網(wǎng)絡，人們在各個領域應用了傳感器網(wǎng)絡。例如環(huán)境監(jiān)測、地震監(jiān)測、醫(yī)療和工業(yè)監(jiān)測、智能家居等。傳感器網(wǎng)絡為人類對物理世界的監(jiān)測提供了前所未有的空間范圍[1]。同時，一個關鍵的問題也隨之產(chǎn)生，即是現(xiàn)在的傳感器網(wǎng)絡一般均是相互獨立的，為了能將傳感器網(wǎng)絡的作用進一步擴大并與現(xiàn)階段已經(jīng)普及的Internet相互融合，就需要一種結(jié)構(gòu)框架，使得獨立的傳感器網(wǎng)絡之間能夠相互聯(lián)系、相互通信。現(xiàn)階段很多的工作[2，3]主要集中在從傳感器節(jié)點到匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)收集和融合上。但是如何將傳感器網(wǎng)絡內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送到外部其他網(wǎng)絡的研究卻很少有人涉及。對于從眾多的傳感器網(wǎng)絡中直接按需查找出數(shù)據(jù)沒有現(xiàn)成的方法。另一個關鍵問題是傳感器網(wǎng)絡的應用開發(fā)與網(wǎng)絡的應用環(huán)境是緊密聯(lián)系的。這種過于緊密的聯(lián)系使得傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)有一定的特殊性。不同的任務和要求，往往就需要傳感器網(wǎng)絡有不同的接口。但是一些主要的接口是非常通用的。這些問題減緩了傳感器網(wǎng)絡到實際應用的進程，也可能在相同的硬件平臺上產(chǎn)生了多個不同的應用并且互不兼容。本文提出了一種面向服務的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)主要處理來自不同網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)命名、數(shù)據(jù)查找和運行管理以及數(shù)據(jù)過濾和融合。對于其他網(wǎng)絡而言，傳感器網(wǎng)絡被封裝成Web服務，像一些典型的Web服務一樣，傳感器網(wǎng)絡通過HTTP來進行信息定位、綁定和交換。

現(xiàn)階段SOA（service oriented architecture)[4，5]在應用集成中被廣泛關注，IBM、Microsoft、Oracle等均在從事這方面的研究[6]。為了將無線傳感器網(wǎng)絡集成到Internet中，仍然還有很多工作需要去做。文獻[7，8]中提出Agimone，一種支持集成傳感器網(wǎng)絡到IP網(wǎng)絡的中間件。M. Gaynor等人[9]提出了融合無線傳感網(wǎng)絡和網(wǎng)格。但是所有的研究工作均是集中于傳感器網(wǎng)絡僅僅充當數(shù)據(jù)生產(chǎn)者。本文的工作更進一步將傳感器網(wǎng)絡抽象為一種服務，將其封裝為一種Web服務。傳感器網(wǎng)絡除了承擔數(shù)據(jù)產(chǎn)生者的角色以外，還能響應外部網(wǎng)絡的命令，使得傳感器網(wǎng)絡如同其他Web服務一樣可以按需輸入和輸出。傳感器網(wǎng)絡的另一種高層抽象是以數(shù)據(jù)中心為方法，如TinyDB[1，10]、Cougar[11]等，其思想是將傳感器網(wǎng)絡看做一個分布式數(shù)據(jù)庫。但是，本文的目標和所涉及范疇與此不同。本文的目標是定義一種通用服務接口，使所有類型的應用可以通過該接口訪問傳感器網(wǎng)絡，而不用考慮該服務在傳感器網(wǎng)絡中如何實現(xiàn)。所以TinyDB和Cougar可以看做本文提出的服務接口的組件或者是實現(xiàn)技術(shù)。所有的操作均可以映射成一系列的查詢或請求，而這些查詢或請求服務能用基于數(shù)據(jù)中心的方法實現(xiàn)。

1傳感器網(wǎng)絡和協(xié)議棧

1．1傳感器網(wǎng)絡

傳感器網(wǎng)絡性質(zhì)如下：實時性；自組織網(wǎng)絡；不可信通信鏈接；由于節(jié)點可能失效，能允許網(wǎng)絡拓撲動態(tài)改變。

1．2協(xié)議棧

因為傳感器網(wǎng)絡使用的協(xié)議棧必須具有能量感知、數(shù)據(jù)融合、適應不可靠鏈路等功能，所以該協(xié)議棧必須在傳統(tǒng)的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層組成的基礎之上，并且同時包含能量管理、移動管理和任務管理功能[3]。其中物理層主要解決一種簡單但健壯的數(shù)據(jù)和信息調(diào)制、發(fā)送和接收技術(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層必須能感知并能盡量減少鄰居節(jié)點廣播時的信道沖突；網(wǎng)絡層主要解決路由問題，為傳輸層提供路由選擇依據(jù)。按傳感器網(wǎng)絡應用的要求，傳輸層維護數(shù)據(jù)流；應用層的功能主要集中在處理傳感器網(wǎng)絡基站和應用之間的交互。傳感器網(wǎng)絡協(xié)議棧如圖1所示。

1．3傳感器網(wǎng)絡應用層

雖然現(xiàn)在無線傳感器網(wǎng)絡已經(jīng)應用到很多領域，但是傳感器網(wǎng)絡的應用層仍然存在著大量的未開發(fā)區(qū)域。很多應用需要傳感器網(wǎng)絡可與Internet互訪，并且可以很容易地集成到其他現(xiàn)有的應用系統(tǒng)中。一個明確的應用層體系結(jié)構(gòu)可以幫助設計獨立于硬件和協(xié)議棧底層協(xié)議的應用。面向服務體系結(jié)構(gòu)起源于對分布式計算和Web技術(shù)的研究。應用層的核心功能包括傳感節(jié)點管理、任務分配、數(shù)據(jù)傳播和查詢。傳感器網(wǎng)絡的核心功能可以作為Web服務進行封裝，通過HTTP對傳感器網(wǎng)絡的這些功能進行查詢、綁定和喚醒等。

2傳感器網(wǎng)絡的面向服務體系結(jié)構(gòu)

2．1面向服務體系結(jié)構(gòu)

SOA基于Web服務，在Internet時代，是軟件開發(fā)的主要技術(shù)之一。在本文的體系結(jié)構(gòu)中，軟件開發(fā)者或服務供應者可以將其軟件作為服務，以標準的服務注冊過程來注冊該服務。服務使用者能夠?qū)λ璺者M行信息查詢、綁定和交換。服務供應者、注冊機構(gòu)和服務使用者的關系如圖2所示。

2．2核心服務

傳感器網(wǎng)絡中，最明顯和最直接的需求就是提供良好的通信服務，使傳感器采集的數(shù)據(jù)能夠通過傳感器網(wǎng)絡到達外部網(wǎng)絡中。另外，還需要一些其他服務，如定位服務和計劃管理服務。通過將這些服務融合在一起，應用就可以從傳感器網(wǎng)絡得到其所需的數(shù)據(jù)。

下面列出了一些核心服務。這些服務在通常的應用中均會使用到，也是本文提出的體系結(jié)構(gòu)所必須提供的接口。 

a)查詢服務。該服務允許應用獲得數(shù)據(jù)和傳感器網(wǎng)絡的狀態(tài)。事實上，查詢是一系列的應用行為，需要由一組傳感器產(chǎn)生的環(huán)境信息。為了對傳感器網(wǎng)絡進行有效查詢，應用將規(guī)定一些傳感器節(jié)點參數(shù)：

（a）設置：按規(guī)定創(chuàng)建參數(shù)和設置查詢實例。

(b)更新：使用新參數(shù)更新查詢實例。

（c）寫請求：初始化一個查詢實例并獲得一些參數(shù)。

(d)讀反應：當數(shù)據(jù)有效時，獲得查詢實例的結(jié)果。

(e)停止查詢：停止和釋放查詢實例。

b)定位服務。該服務提供傳感器節(jié)點在網(wǎng)絡中的空間位置信息。傳感器網(wǎng)絡中一般使用節(jié)點位置作為一個關鍵參數(shù)，如在查詢中，應用位置規(guī)定節(jié)點的范圍。位置信息由一個二元組來定義。按位置不同，傳感器節(jié)點被劃分在不同區(qū)域中。區(qū)域的形狀可以是方型、球型、圓柱型或其他更為復雜的類型。另外，一個區(qū)域可以包含或交疊于另一個區(qū)域。一個節(jié)點可能屬于一個或者多個區(qū)域。區(qū)域還可能包含層次結(jié)構(gòu)。定位服務的基本操作包括：設置定位服務實例；更新，使用新參數(shù)更新定位服務實例；獲取當前或者是指定節(jié)點的位置信息；獲取區(qū)域信息，包含當前或者指定節(jié)點的區(qū)域列表；獲取區(qū)域節(jié)點信息，即指定區(qū)域中的節(jié)點列表。

c)計劃管理服務。傳感器節(jié)點可能有不同的數(shù)據(jù)計劃，如它們可能有著不同的功能和目標，采集不同的環(huán)境屬性信息。這就需要提供的服務能管理不同計劃，使它們可以有效地工作。計劃管理服務將維護一個倉庫。其中包含了網(wǎng)絡和節(jié)點的計劃列表，同時也需要考慮這些計劃是否被網(wǎng)絡所支持。計劃管理服務將管理以下概念：（a）屬性。不同傳感器節(jié)點將有不同的計劃。當有新節(jié)點加入或當有節(jié)點失效時，傳感器網(wǎng)絡的屬性將被更新。（b）組織。指出某組節(jié)點的擁有者。當在同一區(qū)域，節(jié)點執(zhí)行同樣的功能，但是使用者和任務不同時，使用組織來區(qū)分節(jié)點是很有必要的。組織也可能是由一或多層結(jié)構(gòu)組成。

這些服務的基本功能有：（a）設置計劃管理服務實例。(b)當新節(jié)點加入或者節(jié)點失效時，更新計劃管理服務。(c)獲取屬性信息，即當前或指定節(jié)點的計劃。(d)獲取組織信息，即當前或指定節(jié)點的擁有者。(e)按屬性獲取節(jié)點，即獲取具有某一共同屬性的節(jié)點列表。(f)按組織獲取節(jié)點，即按指定的所有者獲取節(jié)點列表。

2．3體系結(jié)構(gòu)的輔助服務

除了核心服務之外，還可能需要一些其他服務。其中包括數(shù)據(jù)過濾、融合、緩存等。過濾服務主要是過濾從傳感器網(wǎng)絡發(fā)送到Internet上的數(shù)據(jù)。一般來說，應用僅僅只對其中的部分數(shù)據(jù)感興趣。例如，應用僅僅需要傳感器采集到的溫度大于30℃的信息，這時過濾服務將發(fā)揮作用。

一些服務需要向不同的傳感器網(wǎng)絡或數(shù)據(jù)源查詢信息，融合服務就可以用來匯聚這些數(shù)據(jù)。例如，融合服務先將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，然后對這些數(shù)據(jù)進行合并。融合服務的數(shù)據(jù)源可以是傳感器網(wǎng)絡、一些數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)或系統(tǒng)中存在的其他服務。當數(shù)據(jù)從傳感器網(wǎng)絡發(fā)送到應用時，可以在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中臨時緩存。

2．4通知機制

由于傳感器網(wǎng)絡的特性，當異常事件發(fā)生時，應用需要獲得通知。如此就可以避免傳感器節(jié)點不間斷地監(jiān)聽傳感器網(wǎng)絡。對于能量受限的節(jié)點，可以節(jié)省大量的能量，避免節(jié)點過早死亡。通知機制非常有必要，主要是以Web服務為主。這里使用WS－Notification。

WS－Notification是一系列規(guī)范，它制定了在Web服務環(huán)境中創(chuàng)建事件驅(qū)動系統(tǒng)的標準流程。它們是與Web服務資源框架(Web services resource framework，WSRF)一起開發(fā)的(后者提供了一種在無狀態(tài)環(huán)境中使用狀態(tài)的方法)，但是它們也可以在普通的Web服務中使用。WSN包括三個規(guī)范：

a）WS－BaseNotification。解決基本的功能，它定義了NotificationProducers、 NotificationConsumers、通知和訂閱，并將它們?nèi)诤显谝黄稹Ｋ€描述了暫停訂閱和恢復訂閱的過程，以及控制訂閱長度的方法。 

b）WS－Topics。當用戶訂閱一個NotificationProducer時，該訂閱就與一個特定的主題或多個主題關聯(lián)在一起。這個文檔就解釋了用來定義和創(chuàng)建多個主題所使用的結(jié)構(gòu)。 

c）WS－BrokeredNotification。在有些情況下，創(chuàng)建通知的實體并不能管理各種訂閱。這個文檔定義了創(chuàng)建一個發(fā)布者的過程；發(fā)布者可以簡單地創(chuàng)建一些消息，并通過一個單獨的 NotificationBroker來發(fā)布這些消息。

使用WS－Notification，客戶端按其從Web服務上所需的數(shù)據(jù)注冊特定的興趣，如當溫度大于30℃時，計算平均溫度。當數(shù)據(jù)從傳感器網(wǎng)絡采集過來時，應用將使用規(guī)定的興趣進行檢查。如果滿足這些興趣，那么數(shù)據(jù)將被應用繼續(xù)處理；否則將丟棄。通過WS－Notification框架，數(shù)據(jù)產(chǎn)生者與數(shù)據(jù)消費者之間的緊密聯(lián)系被打破了。遵循通知框架的接口，應用能獨立發(fā)展所需功能，所以可以保證整個系統(tǒng)的可重用性。

3實驗環(huán)境和特定的應用場景

3．1實驗環(huán)境

實驗是基于Visual Studio.NET和MicaZ傳感器節(jié)點的。傳感器網(wǎng)絡可以采集溫度、濕度和光強度等信息，并通過串口與計算機相連接。由Crossbow提供的串行軟件將轉(zhuǎn)換在傳感器網(wǎng)絡與計算機之間的串行通信，按不同的Web服務和實例將這些通信綁定到基于并行共享的套接字中。

在第三部分列出的核心服務和輔助服務已經(jīng)實現(xiàn)。WS－Notification是基于WSRF.NET[5]的。這些服務用WSDL(Web service description language)描述，并且注冊到UDDI(universal description，discovery，and integration)服務注冊中心，集成到Microsoft Windows 2003。JUDDI服務注冊中心在Linux平臺上運行。JUDDI是開源UDDI注冊中心的實現(xiàn)。應用客戶端可以根據(jù)對所需服務的描述，通過在UDDI注冊機構(gòu)查詢來發(fā)現(xiàn)合適的服務，通過SOAP來綁定和交換服務信息。圖3是按照本文提出的體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的基于傳感器網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測應用。

3．2環(huán)境監(jiān)測應用場景

環(huán)境監(jiān)測的應用場景非常具有通用性，如在煤礦安全、智能家具、工業(yè)控制等方面，均可以歸結(jié)為一種環(huán)境監(jiān)測。該應用場景的實現(xiàn)原理如圖4所示。

3．3實驗數(shù)據(jù)

環(huán)境監(jiān)測應用的實驗結(jié)果如表1所示。

實驗一共使用了20個節(jié)點，按所設定的溫度、濕度和亮度進行測試，測試的次數(shù)為30次。表1中的計算結(jié)果為30次結(jié)果的平均值。其他的核心功能和輔助功能也進行了相應的測試，由于是功能上的實現(xiàn)，本文未能給出具體的實驗數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

本文提出了一種面向服務的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)提出了傳感器網(wǎng)絡與Internet的應用接口。相信通過在應用層定義面向服務的體系結(jié)構(gòu)，不僅能按實際情況方便地開發(fā)出適當?shù)膽茫⑶乙灿兄趯F(xiàn)實世界的信息轉(zhuǎn)換到計算機應用中。

本文的某些概念也可以引入到其他類型的應用中。例如，計劃管理服務同樣可以用到多媒體網(wǎng)絡的應用開發(fā)中。同時，該體系結(jié)構(gòu)也還存在一些需要進一步研究的問題。例如，如何對服務進行限制，以保護傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)安全性；如何控制和審計服務的使用等，這些都將是以后的研究方向。

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