基于SWE的傳感規(guī)劃服務(wù)研究與實(shí)現(xiàn)

王建國，許任杰

（西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

隨著微機(jī)電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場(chǎng)變革。但隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也暴露出來異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)之間缺乏互通性和互操作性的問題。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，即組成傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及處理方式等方面的不同，使得這些傳感器網(wǎng)絡(luò)成為僅供特定用戶或平臺(tái)使用的信息源，資源的合理配置和共享成為難題，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。為解決這一問題，2005年，開放地理空間聯(lián)盟（Open Geos-patial Consortium，OGC）提出了一種新型的傳感器Web標(biāo)準(zhǔn)——傳感器 Web 整合框架（Sensor Web Enablement，SWE）[2]。 SWE 是一個(gè)全新的標(biāo)準(zhǔn)框架，為構(gòu)建“即插即用”（plug-and-play）的基于WEB的傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)[1]。

SWE由7個(gè)規(guī)范組成：觀測(cè)與測(cè)量（Observation&Measurement，O&M）[4]、傳感器建模語言（Sensor Model Language，SensorML）[5]、 轉(zhuǎn)換器標(biāo)記語言 （Transducer Markup Language，TML）[7]、傳感規(guī)劃服務(wù)（Sensor Planning Service，SPS）[3]、傳感觀測(cè)服務(wù) （Sensor Observation Service，SOS）[8]、 傳 感告 警 服務(wù)（Sensor Alert Service，SAS）[6]、Web 通知服務(wù)（Web Notification Service，WNS）[9]。其中，O&M、SensorML、TML 是信息模型，SPS、SOS、SAS、WNS是功能模型，即SWE規(guī)定的4大服務(wù)。其中SPS用于和用戶交互，并對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行可行性判定和任務(wù)規(guī)劃。SOS用于獲取異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感觀測(cè)數(shù)據(jù)。WNS負(fù)責(zé)向用戶發(fā)送觀測(cè)結(jié)果。SAS負(fù)責(zé)為用戶請(qǐng)求任務(wù)提供告警服務(wù)。這些Web服務(wù)使得用戶通過Internet就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感設(shè)備的操控以及傳感數(shù)據(jù)的獲取。

在SWE的框架中，SPS是用戶和其他SWE服務(wù)之間的橋梁，負(fù)責(zé)評(píng)估用戶請(qǐng)求集合的可行性并幫助用戶建立可行的傳感器收集計(jì)劃和為傳感器和傳感器平臺(tái)規(guī)劃任務(wù)請(qǐng)求。有效的傳感信息收集及處理，要求一個(gè)準(zhǔn)確而特定的問題或任務(wù)的描述和持續(xù)的更新，從而去保證最全面而準(zhǔn)確的收集傳感數(shù)據(jù)的可能性，因此SPS是SWE系統(tǒng)能否滿足用戶需求的關(guān)鍵。

1 SPS的核心操作

從功能上來講SPS在SWE的各個(gè)服務(wù)中扮演一個(gè) “控制中樞”的角色，類似大腦對(duì)于人的作用，負(fù)責(zé)“思維”并指導(dǎo)動(dòng)作。 其核心操作有：Get Capabilities、Describe Tasking、Get Feasibility和Submit。SPS的業(yè)務(wù)流程圖如圖1所示。

圖1 SPS業(yè)務(wù)流程圖Fig.1 The business processes of SPS

Get Capabilities用于獲取服務(wù)實(shí)例的元數(shù)據(jù)文檔，文檔包括SPS服務(wù)的版本號(hào)、標(biāo)識(shí)信息、所支持的操作、操作的參數(shù)描述（Operations Metadata）以及服務(wù)提供者的信息（Service Provider）等。用戶啟動(dòng)Get Capabilities操作，得到SPS服務(wù)實(shí)例可能提供的信息后，詳細(xì)的傳感元數(shù)據(jù)才能被獲得。

Describe Tasking用于客戶端對(duì)具體需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)的參數(shù)設(shè)置，并由SPS進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，以執(zhí)行一個(gè)提交（Submit）操作。任務(wù)規(guī)劃是SPS最為核心的操作，該操作是為了將任務(wù)準(zhǔn)確定位到傳感器。

GetFeasibility用于用戶在提交任務(wù)前SPS對(duì)任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行可行性判定。結(jié)果依賴于用戶的請(qǐng)求和SPS所知道的信息（傳感器資源、傳感器Web服務(wù)和可行性判定算法）。可行性判定使得在任務(wù)提交前用戶對(duì)任務(wù)可能的執(zhí)行結(jié)果有一個(gè)預(yù)先的了解以便與用戶進(jìn)行下一步操作，同時(shí)也提升了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

Submit操作用于提交已經(jīng)SPS規(guī)劃的任務(wù)請(qǐng)求。在執(zhí)行Submit操作后可以根據(jù)響應(yīng)返回的任務(wù)編號(hào)（task ID）對(duì)已提交任務(wù)進(jìn)行其他操作，如查詢?nèi)蝿?wù)執(zhí)行狀態(tài)（Get Status）、更新任務(wù)（Update）、取消任務(wù)（Cancel）等。

2 SPS體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

SWE規(guī)范試圖把每一個(gè)異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)都放在Web上，通過標(biāo)準(zhǔn)操作發(fā)現(xiàn)和獲取他們提供的服務(wù)，即服務(wù)提供者和服務(wù)請(qǐng)求者之間是低耦合的，因此原型系統(tǒng)可以采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA，Service-Oriented Architecture）。

系統(tǒng)為基于Java Web的SOA架構(gòu)，分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層如圖2所示。

圖2 SPS原型系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of SPSprototype system

應(yīng)用層提供用戶界面，負(fù)責(zé)與用戶交互。業(yè)務(wù)邏輯層則提供服務(wù)接口，用戶通過業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)具體的操作。在業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計(jì)了兩個(gè)核心類是SPS Servlet和Request Operation。其中SPSServlet類負(fù)責(zé)處理HTTP請(qǐng)求和返回響應(yīng)。Request Operation類用于接收來自SPSServlet的請(qǐng)求，并檢查請(qǐng)求的有效性，如果是合法有效的請(qǐng)求，則把它交給相應(yīng)的監(jiān)聽類，再由監(jiān)聽類執(zhí)行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)訪問層設(shè)計(jì)若干DAO類和工廠類，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫的交互，為系統(tǒng)所涉及到的每一個(gè)業(yè)務(wù)對(duì)象收集數(shù)據(jù)。

3 原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，并在已經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的基于SWE的傳感觀測(cè)服務(wù)SOS和Web通告服務(wù)WNS的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)原型系統(tǒng)。

3.1 應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層采用了“瘦客戶端”——通用的瀏覽器，從而使用戶通過Internet就可以控制傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)。更重要的是將所有的數(shù)據(jù)處理集中于服務(wù)器上，從而使所有的服務(wù)于服務(wù)請(qǐng)求者無關(guān)，而且對(duì)服務(wù)和數(shù)據(jù)的更新變得比較容易。

3.2 業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)邏輯層按照SWE對(duì)SPS的規(guī)范設(shè)計(jì)了如下列類：

1）SPSServlet類：在SPS系統(tǒng)中擔(dān)任控制器的角色，主要有兩個(gè)功能：①根據(jù)初始化系統(tǒng)配置文件和數(shù)據(jù)庫配置文件的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)初始化。②接收HTTP請(qǐng)求并返回響應(yīng)。

2） Request Operation：接收來自 SPSServlet的請(qǐng)求，進(jìn)行合法性檢查，如果是合法有效的請(qǐng)求，則把它交給響應(yīng)的監(jiān)聽類，由監(jiān)聽類進(jìn)行響應(yīng)的操作，如果調(diào)用相應(yīng)的DAO對(duì)象獲取結(jié)果數(shù)據(jù)，則對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行O&M編碼，返回響應(yīng)對(duì)象。

3）SPSRequest:代表 SPS的所有請(qǐng)求，如 GetCapabilities Request、DescribTasking、Submit等。所有的 SPS 請(qǐng)求類繼承自同一個(gè)抽象類Abstract SPSRequest，這個(gè)抽象類中定義了SPS請(qǐng)求所共有的特征。

4）SPSRequestListener:對(duì)應(yīng)每個(gè) SPS請(qǐng)求的監(jiān)聽，如GetCapabilitiesListener、GetFeasibilityListener等。 這些監(jiān)聽用于處理相應(yīng)的請(qǐng)求。

5）SPSFeasibility:負(fù)責(zé)對(duì)用戶提交的任務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行可行性判定。對(duì)于不同的任務(wù)請(qǐng)求，可行性判定算法可能和檢測(cè)請(qǐng)求參數(shù)的有效性一樣簡(jiǎn)單，也可能是一個(gè)復(fù)雜的操作，計(jì)算在特定時(shí)間、地點(diǎn)完成特定任務(wù)的資產(chǎn)可用性。

6）Register:該類負(fù)責(zé)對(duì)傳感器資源和傳感器服務(wù) （如SOS）進(jìn)行注冊(cè)。基于SWE的傳感網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)、SPS的可行性判定算法均依賴于已注冊(cè)的資源及服務(wù)信息。

7）SPSEncoder:主要是SPS接收用戶請(qǐng)求參數(shù)以及從數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)并進(jìn)行O&M或SensorML編碼。8）SPSResponse:用戶請(qǐng)求操作后返回相應(yīng)的請(qǐng)求響應(yīng)。9）SOS異常類:當(dāng)請(qǐng)求不合法或者規(guī)劃任務(wù)出錯(cuò)時(shí)產(chǎn)生的異常。

3.3 數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)層使用工廠模式，由工廠類來創(chuàng)建每個(gè)業(yè)務(wù)對(duì)象的DAO。這些DAO中提供了訪問數(shù)據(jù)庫的方法。主要方法有：

1）SPSConnectionPool：數(shù)據(jù)庫連接池，用于創(chuàng)建和獲取數(shù)據(jù)庫連接。當(dāng)程序訪問數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接時(shí)，通過該類獲取數(shù)據(jù)庫連接。數(shù)據(jù)庫訪問結(jié)束后由該類釋放數(shù)據(jù)庫連接資源。

2）SPSSQLDAOFactor：工廠類，該類包含了 SPS所有請(qǐng)求的DAO對(duì)象，并提供存取這些對(duì)象的方法。

3）SPS請(qǐng)求DAO：主要是執(zhí)行查詢操作。根據(jù)具體的SPS請(qǐng)求，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問。用戶通過該類可以獲取所需的數(shù)據(jù)，主要包含GetCapabilitiesDAO、DescribeTaskingDAO、SubmitDAO等。

4）insertDAO：數(shù)據(jù)添加操作，主要是存儲(chǔ)、插入和更新各類傳感器資源、傳感器服務(wù)、現(xiàn)象和任務(wù)數(shù)據(jù)等。

通過3.1~3.3對(duì)SPS原型系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，并在紅外樓宇監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到實(shí)踐，紅外樓宇監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外樓宇監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of infrared building monitoring network

網(wǎng)絡(luò)用戶可以通過Internet調(diào)用SPS服務(wù)提出觀測(cè)請(qǐng)求，并由SPS對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃最終完成傳感觀測(cè)并將觀測(cè)結(jié)果以郵件的方式發(fā)送給用戶。

4 結(jié)束語

文中主要通過設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)基于SWE的SPS原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)SPS的核心操作，使用戶通過互聯(lián)網(wǎng)就能訪問到來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的即時(shí)傳感數(shù)據(jù)和來自數(shù)據(jù)庫的歷史傳感數(shù)據(jù)的查詢。但是關(guān)于傳感器Web的研究仍然處于起步階段，筆者所實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)功能并不完善，對(duì)傳感器資源及傳感服務(wù)的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)未能實(shí)現(xiàn)還需要人為的進(jìn)行注冊(cè)。此外系統(tǒng)的任務(wù)分配算法也有待優(yōu)化以提升系統(tǒng)的執(zhí)行效率，這兩方面是今后研究的重點(diǎn)。

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