基于社群架構的無線傳感器網絡匯集系統

孫領弟，孫占威

（1.河北工程技術高等專科學校 計算機基礎教研室，滄州 061001；2.北京天奈科技有限公司，北京 100023）

0 引言

無線傳感器網絡的規模取決于傳感器的數量與分布范圍，由于目前傳感器已經邁向低成本、低耗電、體積小、分布容易、具有傳感環境功能等特性，因此已經達到可以大量分布傳感器的目的[1]。然而，傳感器大量分布所伴隨而來的問題，就是缺乏有效的傳感數據匯集以及信息處理顯示的方法與架構。傳感器多以識別碼代表(ID)，傳感后所傳送出的數據也多是未經處理的信息(raw data)，不僅重復性高，而且使用者也無法直觀得去判讀這些數據，甚至大量的數據擠在一起，容易模糊焦點，影響判讀的速度。因此，我們針對無線傳感器網絡設計了的一個高效率的數據匯流架構，其中需要用到的技術準則是采用開放式地理信息系統協會(OGC)所制定的相關標準[2]。為了獲知傳感器的傳感信息、空間與位置概念、以及傳感器的屬性信息，OGC訂定了一套叫做傳感網絡賦能 (SWE)協定。在SWE協定中，定義了傳感數據語言(SensorML)來規格化各種傳感器的傳感內容、測量單位以及其傳感器規格，而GPS坐標數據，就可以看成是一個傳感器所獲得的信息，利用我們剛剛所講的這些規格，可以方便的將室內室外的位置服務整合在一起，提供更完善的應用。

1 數據匯集系統與社群架構

圖1 數據流向與匯集系統架構圖

圖2 WASP架構示意圖

我們所提出的運作架構如圖1所示，無線傳感器網絡中的傳感點所傳出來的信息，不論是存儲成一個KML檔案，或是即時的將這些數據上傳到一個網絡服務平臺，都可以根據OGC的SWE協定來描述這個數據坐標值，同時紀錄相關的數據。通過服務導向架構(SOA)與Web Services架構來建立傳感網絡的管理、控制、和數據存取系統。不論是傳感網絡所測得的數據或是已經存儲并處理好的數據(如氣象觀測數據、國道交通路況等等)，都可利用Web2.0設計概念與相關技術(如Web API)構建出對應的傳感器信息匯集系統。

WASP的架構如圖2(a)、(b)所示，其中實線代表傳感器內部的連線(如Zigbee[23]等技術)，而虛線則是代表一般的互聯網連線。WASP系統架構最主要的元件是平臺軟體服務區域(WCSSA)，通常WASP架構內會有一個WCSSA，WCSSA為若干個相關伺服器節點的集合，WCSSA提供絕大部分的WASP基礎服務與應用服務相關元件的計算資源。一個WCSSA通常包含：

1）WASP MySensor Community Portal Server (WASP MSC)：MSC為一入口網站服務器。此服務器是平臺使用者存取WASP 資源的最主要管道。

2）WASP Application Service Agent Provider (WASP ASAP)：ASAP為一無使用者接口的應用程式服務器。此服務器會安裝多種不同的應用服務代理元件，進行WSN原始傳感數據的加值包裝與轉換作業，并公開這些代理元件的網絡服務接口。

3）WASP Central Data Service Provider for each WASP Partner (WASP CDSP)：CDSP也為一無使用者接口的應用程式服務器兼數據庫服務器。在WCSSA中，每一個WASP Partner都會配置各自的WASP CDSP，其用途主要有以下兩種：

圖3 感測資料匯集系統詳細元件

（1）存儲WSN傳感數據并提供與Partner本地端的WSN Gateway進行定期的數據轉換作業。

（2）提供傳感數據存取服務接口給ASAP，協助ASAP上的應用服務代理元件定期獲取CDSP管理的傳感數據。

圖4 WASP與社群網絡結合的架構圖

WASP最主要的運作目標在于提供使用者各種不同的呈現方式來展示WSN傳感數據。在WASP發展中后期，WASP將開始陸續引入各種WSN 事件提示功能與遠端控制功能，促使平臺除了具備數據呈現的核心功能外，也能發揮WSN技術的遠端控制效益。另一方面，關于傳感器信息匯集系統的詳細構成元件，架構設計圖如圖3所示[3]。其元件有：

1）傳感器模式語言(Sensor Model Language)

2）觀察與測量(Observations & Measurements)

3）傳感器數據觀察收集服務(Sensor Observation Service)

4）傳感器規劃服務(Sensor Planning Service)

5）網頁通告服務(Web Notification Service)

6）傳感器警告服務(Sensor Alert Service)

采用這個架構的主要優點是可以參與相關國際標準的制定，并且可以建立以網頁為主要接口的SOA服務平臺來顯示與查詢傳感器所收集的信息，并且鼓勵其它使用者利用這些開放標準接口去開發各種可能的服務。目前我們正積極參與發展相關計劃，目標是因應中國的環境和文化，并結合產學界既有的能力，來制定關于傳感數據的相關開放規格，并利用此規格加入并影響OGC協會的SWE國際標準。目前我們已經針對無線傳感器網絡社群(稱為MySensor)，提供了包括MySensor Data Aggregator與MySensor等軟硬件架構規格，并進一步與社群網絡的結合，提出了下列架構(如圖4所示)，而各部分訊息的傳送流程設計如圖5所示[4]。

本平臺以群播的方式，將數據匯總并傳送，并且通過社群網絡和移動通信系統，快速地將數據呈現給使用者，以多元的方式整合。無線傳感器網絡社群創新平臺以SOA的概念進行架構規劃，并默認采用Web Services這個標準技術做為分散式網絡計算的基礎。不論這些軟件采用何種技術進行開發，只要對外的部分最終皆提供以Web服務技術所公開的網絡服務接口，則本平臺的所有信息或是基礎服務，都可以有效地完成互動與整合。

2 架構目標

2.1 落實Web 2.0的概念

為實現讓不同信息系統間可以直接通過Internet網絡連接的特性，我們采用SOA的概念來規劃無線傳感器網絡社群創新平臺。無線傳感器網絡社群創新平臺的平臺基礎服務群就是由多個獨立的服務提供者及一個具備協調及整合能力的平臺服務協調器(也是服務提供者)所組成的軟件服務集合；這個集合是無線傳感器網絡社群創新平臺實現Web 2.0的最重要核心。此外，我們的規劃也引入其中一個重要的概念：標簽(Tag)。在無線傳感器網絡社群創新平臺中，別名索引標簽(Alias Index Tag)就是借用標簽的概念所設計出來的別名辨識系統。由于傳感器多以ID表示，使用者實難記住這些ID及其代表的意義，加入別名辨識系統，則可方便使用者判讀這些傳感器所傳回的數據，例如原本傳回數據為(ID: 56712345, 23)讓使用者不知數據意義，經處理后變成(溫度傳感器_51的402_1, 23度)，這樣就方便判讀了。

圖5 感測資料信息流架構圖

2.2 多元的數據存儲選項

1）無線傳感器網絡社群創新平臺是一個以搜集與提供多元應用數據為主要目標的系統平臺。在這個平臺內，每個匯集節點可將傳感數據采用下述的三種方式管理存儲：

2）集中式數據管理：存儲于此的數據會由無線傳感器網絡社群創新平臺集中代管。

3）特定式數據管理：數據會由參與無線傳感器網絡社群創新平臺的特定單位或組織(例如：氣象局、環保署等等)個別進行管理。

4）閘道式數據管理：是指將數據存儲在本身便具備存儲能力的閘道器裝置中，數據會由閘道器擁有人進行管理。

2.3 提供可由使用者共同發展應用服務的可延伸式應用服務集合

無線傳感器網絡社群創新平臺允許平臺使用者自行開發應用服務并注冊給無線傳感器網絡社群創新平臺內。只要應用服務建立者正確地公開其應用服務的Internet存取位置，經授權的平臺使用者就都可以順利地使用該應用服務。通過這樣的機制，本平臺的應用服務集合便可快速且多樣的成長，并有效促進不同類型數據的間的互動與整合應用。

2.4 提供多元混搭應用的數據基礎

無線傳感器網絡社群創新平臺所存儲與管理的龐大數據，皆會通過閘道器安裝在數據服務提供者上的原始數據存取服務套件(Generic Data Access Service Package)來提供最基本的軟件存取功能，包括新增、刪除或查詢數據等，因此原始數據存取服務套件可說是本平臺最重要的數據服務基礎。本平臺是通過經包裝過的應用服務來提供服務給平臺使用者，每個應用服務都會有各自的應用服務存取套件(Application Service Access Package)來提供軟件存取的功能。

3 結論

本文提出了利用所設計的WASP平臺來開發無線傳感器網絡數據匯集系統與社群架構，以高擴展性與高效率為研究目標，提升無線傳感器網絡數據匯流與查詢效率，并且利用社群網絡能快速有效的將整理過的信息呈現給使用者。無線傳感器網絡社群創新平臺以SOA的概念進行架構規劃，不論是平臺基礎服務群的個別服務提供者或存取服務套件均可自由采用合適的技術平臺進行開發。所以只要對外的部分最終都提供以Web Services技術所公開的網絡服務接口，則本平臺的所有信息或是基礎服務就都可以有效地完成互動與整合。

[1] 李彬, 王文杰, 等.無線傳感器網絡節點協作的節能路由傳輸[J].西安交通大學學報, 2012, 46(6): 108-114.

[2] 何杰, 劉蘭軍, 王泌.傳感器網絡中結合SOM與免疫克隆選擇的分簇路由策略[J].小型微型計算機系統, 2012,33(3): 433-441.

[3] 涂志亮, 王強, 等.移動傳感器網絡中目標跟蹤與監測的同步優化[J].自動化學報, 2012, 38(3): 452-461.

[4] 沈波, 張世永, 鐘義平.無線傳感器網絡分簇路由協議[J].軟件學報, 2006, 17(7): 1588-1600.