無線傳感器網絡標準化分析與“數字浙江”建設

本文介紹了無線傳感器網絡基本概念和簡要背景，分析、概括了國內外無線傳感器網絡標準化概況。說明了國內外無線傳感器網絡標準化組織的建立、發展以及工作開展情況，對幾個重要網絡標準進行了簡單介紹。結合我國科技發展和“數字浙江”建設現狀，對未來無線傳感器網絡標準化工作的發展方向進行了探討。

IT產業發展經歷了個人電腦、互聯網和無線通信三次產業革命后迎來了新的IT產業革命的關鍵技術——無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks， WSN)(以下簡稱傳感網)及其產業發展的機會。傳感網是許多個具有無線通信和數據處理能力的傳感器節點自動組織構成的能對環境進行感知、傳輸和處理的智能網絡系統。傳感網綜合了微型傳感器、分布式信號處理、無線通信網絡和嵌入式計算等多種先進信息技術，將信息技術領域中過去長期以來獨立發展、極少有交叉和覆蓋的信息感知、處理、傳輸和計算等學科有機地融合起來，成為不可分割的整體，為人們提供了一種革命性的觀察、理解和控制環境的途徑。

現代意義的傳感網起源于上個世紀末。進入21世紀后，隨著無線通信、微電子和計算機等技術的進步，傳感網的研究和應用方面取得了重大進展，各類技術評論雜志一致看好其蘊藏的巨大應用潛力和商用價值。日本、韓國、英國、意大利、巴西等國家對傳感網也表現出極大興趣，分別提出U-Japan、U-Korea等計劃，英特爾公司、微軟公司等IT領軍企業也開始傳感網方面的科學研究工作。我國《國家中長期科學與技術發展規劃(2006~2020年)》在重大專項、優先發展主題、前沿領域均將傳感網列入其重要關注方向，其中重大專項“新一代寬帶移動無線通信網”已將其列為重要方向之一。本文將從目前國內外實際情況出發，對國內這個領域的標準化發展前景做出探討。

國際傳感網標準化現狀

根據傳感網涉及技術領域和相關標準化組織較多，目前國際ISO/IEC JTC1、IEEE、ITU和IETF等組織都在開展傳感網標準研究工作，但大多只是在標準提案階段。具體如下:

◎IEEE在為傳感網絡提供支持的底層無線傳輸技術和傳感器接口的標準化研究等方面已取得一定進展;

◎ITU-T的SG16(多媒體編碼、系統和應用)將開展USN應用和服務的研究，SG17開展USN安全框架的研究;

◎IETF成立低功率WPAN上的IPv6(6LOWPAN)工作組，已產生RFC 4944(15.4網絡上的IPv6)和RFC 4919(問題陳述和目標);

◎ISO/IEC JTC1于2007年底成立傳感器網絡研究組(SGSN)，在傳感器網絡國際標準的制定方面進行研究與探索。

目前公認的可以被稱作為傳感網標準的只有IEEE 802.15.4和Zigbee聯盟推出的傳輸、網絡、應用層協議標準，以及IEEE 1451。

IEEE 802.15.4 定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規范，ZigBee 則定義了網絡互聯、傳輸和應用規范。盡管IEEE802.15.4已經推出多年，但隨著應用的不斷推廣和產業鏈的持續升級，其基本協議內容已經不能完全適應需求，該協議僅定義了聯網通信的內容，沒有對傳感器部件提出標準的協議接口，所以難以承載傳感網技術的夢想與使命;另外，該標準在不同國家地區實施過程中，必然受到該國家地區現行標準的約束。為此，研究者開始以IEEE 802.15.4協議為基礎，推出更多版本以適應不同應用、不同國家和地區的多樣化需求。

(一)ZigBee協議棧

ZigBee 聯盟成立于2001 年8 月，最初成員包括:霍尼韋爾、Invensys、三菱、摩托羅拉和飛利浦等工業公司，目前擁有超過200 多個會員。ZigBee 1.0(Revision7)規格正式于2004 年12 月推出，2006 年12 月，推出了ZigBee 2006(Revision 13)，即1.1 版，2007 年又推出了ZigBee 2007 Pro，2008 年春對該版本再次進行拓展更新。相比而言，ZigBee 技術具有功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優點，目前是被普遍看好的無線個域網解決方案，也被業界人士視為傳感網的事實標準，同時ZigBee 聯盟對網絡層協議和應用程序接口(Application Programming Interfaces，API)進行標準化處理。從網絡系統模型分析，ZigBee 協議棧架構基于開放系統互連模型七層模型，包含IEEE 802.15.4 標準及由該聯盟獨立定義的網絡層和應用層協議。ZigBee 所制定的網絡層協議主要負責網絡拓撲的搭建和維護，以及設備尋址與路由，屬于通用的網絡層功能范疇，而其應用層則包括應用支持子層(Aplication Support Sub-layer，APS)、ZigBee 設備對象(ZigBee Device Object，ZDO)及設備商自定義的應用組件，負責業務數據流的匯聚、設備發現、服務發現、安全與鑒權等。ZigBee 技術試圖在傳感器網絡需求的網絡性能上如功耗、成本、時延、安全等方面提供一個綜合解決方案，但從目前應用情況來看，在可擴展性、能耗控制、網絡性能等方面還存在明顯的缺點。

(二)IEEE1451標準族

IEEE1451標準族則通過定義一套通用的通信接口，使工業變送器(傳感器+執行器)能夠獨立于通信網絡，并與現有的微處理器系統、儀表儀器和現場總線網絡相連，解決不同網絡之間的兼容性問題，并最終能夠實現變送器到網絡的互換性與互操作性。IEEE1451 標準族定義了變送器的軟硬件接口，將傳感器分成兩層模塊結構:第一層用來運行網絡協議和應用硬件，稱為網絡適配器(Network Capable Application Processor， NCAP);第二層為智能變送器接口模塊(Smart Transducer Interface Module， STIM)，其中包括變送器和電子數據表格TEDS。IEEE1451 工作組先后提出了五項標準提案(IEEE1451.1—IEEE1451.5)，分別針對不同的工業應用現場需求，其中IEEE1451.5 為無線傳感通信接口標準。IEEE1451.5 標準提案于2001 年6 月推出，在已有的IEEE1451 柜架下提出了一個開放的標準無線傳感器接口，以滿足工業自動化等不同應用領域的需求。IEEE1451.5 盡量使用無線的傳輸介質，描述了智能傳感器與網絡適配器模塊之間的無線連接規范，而不是網絡適配器模塊與網絡之間的無線連接，實現了網絡適配器模塊與智能傳感器的IEEE 802.11、Bluetooth、ZigBee 無線接口之間的互操作性。

(三)SGSN成立與相關協議建立

ISO/IEC JTC1為了明晰傳感網的相關情況，在2007年澳大利亞全會上通過了成立SGSN的決議，并于07年底正式成立，目前專家有22名，分別來自加拿大、中國、法國、日本、韓國、挪威、英國和德國，以及其他組織的聯絡員，其中我國專家為11名。主要工作進展如下:

2008年6月在中國上海召開了第一次全體會議，會議討論了傳感網的應用需求、系統架構、協議、接口和安全等方面的提案，并聽取其他聯絡組織的工作報告，同時確定SGSN工作計劃。在此次會議中，中國代表團向大會提交8份技術報告，其中最為重要的傳感網標準體系得到與會國際專家的普遍認可，一致同意以中國提出的標準體系為基礎，形成后續擬提交JTC1的技術報告的核心內容。同時，中國代表團部分成員將參與傳感器網絡定義、傳范圍、特點、應用等報告中所有章節的編寫工作。

◎2008年9月組團參加在德國舉辦的SGSN第二次會議，實質性參與了《Technical Document of ISO/IEC JTC 1 Study Group on Sensor Networks (SGSN)》技術報告的編寫，并在很多章節作出重要貢獻。

◎第三次會議于2008年11月在瑞士召開，我國代表ISO/IEC JTC1傳感網標準化組向SC6做了總體技術報告，將標準化體系框架、網絡系統架構、協同體系等內容納入總體報告。會上中國代表當選為傳感器網絡系統架構與安全架構等兩個提案的聯合編輯。

◎第四次會議于2009年1月在澳大利亞召開，詳細討論了JTC1層面傳感器網絡國際標準的規劃問題，中國代表表達了在JTC1框架下成立傳感網工作組的意見。

◎第五次會議于2009年4月在韓國召開，中國代表做了“傳感器網絡技術綜述”等特邀報告，重點針對ISO/IEC JTC1 傳感網標準組織的中長期演進路線、傳感器網絡國際標準化工作、傳感器網絡大規模產業化模式等進行了深入討論。

中國、美國、德國、韓國、英國等主要成員國代表達成了關于在JTC1下成立傳感器網絡標準化工作組的初步意向，達到總體協調傳感器網絡國際標準制定的目的，并將于今年10月份在JTC1大會上遞交該倡議。

國內傳感網標準化現狀

我國現代意義的傳感網研究幾乎與發達國家同步啟動，首次出現在1999年中國科學院的《知識創新工程試點領域方向研究》中。國家自然科學基金委(NSFC)從2002年開始連續資助了一系列有關傳感器網絡的研究，此外還啟動了“面向傳感器網絡的分布自治系統關鍵技術協調控制理論”和“傳感器網絡系統基礎軟件及數據管理關鍵技術研究”等重點項目;國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)也于2006年資助了“無線傳感網絡的基礎理論及關鍵技術研究”;國家高技術研究發展計劃(863計劃)于2006年開始在信息技術領域的通信專題下資助了10余項探索導向型項目，研究傳感器網絡的系統級技術，2007年又啟動了“無線傳感器網絡嵌入式芯片設計”等目標導向型項目，進行節點系統關鍵技術的攻關。此外，十一五科技部國家科技支撐計劃也部署了相關應用示范項目，促進傳感器網絡在環境監測和精細農業等方面的行業應用。《國家中長期科學與技術發展規劃(2006~2020年)》在重大專項、優先發展主題、前沿領域均將傳感器網絡列入，其中重大專項“新一代寬帶移動無線通信網”已將其列為重要方向之一。

這些從基礎研究、科技攻關、示范應用等不同層次、不同角度開展的項目，帶動和加速了我國傳感器網絡研究的進程，統計數據表明，截止2007年底，我國申請的傳感網相關專利127件。上述前期探索性研究為我國傳感網進一步發展做了必要的技術貯備，奠定了科學研究與工業發展的堅實基礎。但是，與大多數先期開展傳感器網絡研究的國家一樣，多數研究項目或注重原理性驗證，或僅僅局限于單一的技術目標，或根據具體應用需求量身定制的，缺乏系統性和全局性考慮。少數應用原型系統的成功部署往往依賴于個別研究小組依據特定的應用環境為系統定制了一套垂直聯系非常緊密的組件。研究小組與研究小組之間、組件與組件之間都缺乏相互的協作與互動。這種獨立單一的開發設計模式使得在一個系統中得到穩定運行的組件很難用于構建其他相關系統，缺乏開放性的標準規范，阻礙了傳感網規模化的商業推廣，難以推進產業化進程，正是基于這個原因，在世界范圍內傳感網還未能真正成為產業的重要原因之一。

全國信息技術標準化技術委員會于2006年成立了無線傳感器網絡標準項目組，組織國內大學、科研單位和工業企業開展了標準研究工作，對《中國無線傳感器網絡標準體系》、《無線傳感器網絡協議棧》、《傳感器網絡智能傳感器接口標準》和《無線傳感器網絡安全服務》等進行了研究，提出了我國無線傳感器網絡標準體系框架，如圖1所示。

2008年11月底在中國無錫召開了籌備會議，討論了章程和知識產權等問題，經過討論并通過了2009年工作計劃，成立了PG1(國際標準化)、PG2(標準體系與系統架構)、PG3(通信與信息交互)、PG4(協同信息處理)、PG5(標識)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(電力行業應用調研)等八個項目組，開展具體國家標準的制定工作。

2009年9月11日，“傳感器網絡標準工作組成立大會暨‘感知中國’高峰論壇”在北京舉行。工業和信息化部副部長奚國華、國家標準化管理委員會副主任方向出席會議并致辭。工作組組長單位是中國科學院上海微系統與信息技術研究所，秘書處單位是中國電子技術標準化研究所，目前工作組由國內五十多家成員單位，匯集了國內傳感器網絡領域產學研用各方力量，旨在整合國內科研院所和產業界的優勢力量，共同進行國家傳感器網絡標準的制定、代表我國參加國際標準化組織的標準制定，和全面推動傳感器網絡的產業發展。

我國無線傳感器網絡標準化工作與“數字浙江”建設探討

我國傳感網的研究與國際上相比具有同發優勢、同等水平，在研究、應用及標準化等方面與國際先進水平基本同步，個別領域甚至超前。當前國際標準化組織對傳感網國際標準的研究剛剛啟動，尚未形成統一意見。通過傳感網標準化工作組的努力，力圖搶先制定適合我國產業發展特點的標準，引領國際標準走向，引導我國傳感網產業的興起，這無疑給我國提供了參與國際信息產業重新洗牌的重要機會。

圍繞黨的十七大提出的“五化并舉”、“兩化融合”重要舉措及浙江省委“創業富民、創新強省”總戰略，結合產業發展實際，提出推進“數字浙江”建設兩大行動計劃:制定了《加快發展我省信息產業，推動信息化與工業化融合的意見》，將《浙江省信息化條例》列入2009年一類立法計劃。建設“數字浙江”的根本目的是以信息化帶動工業化，以工業化促進信息化，走新型工業化道路。在《“十二五”期間浙江省基礎研究重點資助方向》中提出:針對“數字浙江”建設和我省發展軟件、網絡與通訊和數字動漫等產業的需求，開展信息獲取、傳輸、處理、存儲和利用、下一代移動通信網絡、下一代互聯網和傳感網絡等關鍵技術的基礎研究，信息與網絡安全的理論，自然和諧人機交互理論，數字娛樂關鍵技術的基礎。作為信息技術領域的前沿陣地，浙江省近年來多次支持基于傳感器網絡的原型系統開發與關鍵技術項目，沒有盲目跟從國外發展路線，而是形成了以應用為牽引的研究特色，面向國家重大戰略和應用需求，開展了傳感器網絡基礎前沿、關鍵技術、應用開發、系統集成和測試評估技術等方面的研究。

浙江大學工業控制技術國家重點實驗室是國內該方向國內最早的研究單位之一，以及中國計算機學會傳感器網絡專委會和中國傳感器網絡標準委員會發起人之一。早在2003年就開始了傳感器網絡方向的研究工作，先后承擔了國家基金(重點、面上)項目和863項目(專題、重點)等多項國家項目，經過近6年多的積累有較為豐富的科研經驗和成果。近年來，項目組成員對項目所提出的研究內容已經做了大量的前期研究工作，并在傳感器網絡以及多移動機器人方面取得了多項進展。在傳感器網絡和移動感知系統方面(基于兩跳搜索區間的實時路由算法、鏈路估計與網絡連接性論、基于地理位置的按需路由算法、基于非測距室內定位和基于測距的安全定位、移動目標定位與跟蹤、多移動機器人隊形協調與優化、網絡追蹤系統QoS體系設計、協同感知與覆蓋)和工業通信與系統方面(現場總線的實時性能分析與協議優化、實時調度理論和隨機性能評價)等取得多項進展，在該領域積累了豐碩的成果，在國際期刊和國內一級學報(軟件學報、計算機學報、通信學報、電子信息學報和儀器儀表學報等)上發表了50余篇有影響力的學術論文，其中SCI、EI檢索論文30余篇。

結合研究者多年在傳感網領域的實踐經驗，筆者對我國傳感網標準化工作提出幾點想法:

首先，立足國內產業需求，實質性參與國際標準化:在國內以產學研結合的國家標準工作組為基礎，迅速制定出具有自主知識產權的傳感網的核心技術標準，來促進傳感網在各行業中大規模應用;在國際上實質性參與ISO/IEC JTC1/SGSN工作，同步制定國內、國際標準，密切跟蹤ITU-T、 IEEE、ISA等組織相關進展情況。

其次，結合產業需求，以應用為導向、以技術為支撐:要實現標準研究與核心技術、產品研發及業務應用協調互動，制定標準依據一方面來自于傳感器網絡核心技術和產品研發與集成的需求，另一方面來自于傳感器網絡業務應用的需求。要實現標準研制、驗證與實施與技術研發、應用示范緊密結合。

第三，標準制定應該分段實施:第一階段是在對應用現狀分析和標準化現狀分析建立標準體系，通用類技術標準先行制定，如:術語、接口、標識等;第二階段是核心技術標準研制和標準驗證，選擇典型大范圍進行示范應用，與核心網絡結合，多種應用結合。

(作者單位:王智，浙江大學工業控制技術國家重點實驗室;徐全平，中國電子技術標準化研究所;孫元杰，江蘇省宜興市出入境檢驗檢疫局)