面向海上傳感器網絡的數據與信息框架構建

孫 睿，王愛強

(河南職業技術學院信息工程系，河南 鄭州450046)

0 引 言

當前以物聯網為代表的無線傳感器網絡應用方興未艾，在交通運輸、環境監測、智能家居等多個領域取得了令人矚目的成就。在海洋開發應用領域，無線傳感器網絡也逐漸獲得推廣，被廣泛應用在船舶制造，自動控制等方面，取得了較好效果［1－2］。

隨著近年來海洋環境問題頻發，海洋氣候異常變化加劇，對海洋環境的監測成為了防災減災和科學研究的當務之急。在傳統的方法中，通常采用船舶和人員實地考察的方法對海洋環境的變化和狀態進行考察和記錄，我國也擁有多艘執行此類任務的科考船及科研隊伍，并為我國的海洋研究事業提供了寶貴的第一手資料，然而使用這種方法，需要較大的時間、經濟和人員成本，而獲得的數據較為有限，難以連續、系統地對某海域的情況進行有效監測，因此也極大地限制了我國海洋研究的持續深入。

無線傳感器網絡作為一種部署簡單、實時、遠程的數據采集手段，能夠在一定程度上解決海洋環境監測過程中的數據采集問題。因此，多家企業和研究機構，進行了廣泛實踐，通過將傳感器、浮標、無線通信鏈路、衛星通信相結合的方法，在某些海域部署海上傳感器網絡，進行實時地數據采集，取得了良好的效果［3］。

然而，在海上傳感器網絡的使用過程中，仍然存在許多問題，例如在海洋嚴苛的自然條件下，難以對多種海洋監測設備、傳感器等進行有效地管控，極大地降低了系統的可用性;以及當采用多種傳感器進行數據采集時，難以對多種來源和多種格式的數據進行有效的組織和使用等。為了解決以上問題，本文提出一種面向海上傳感器網絡的數據與信息框架，該框架能夠有效管理靜態，準靜態等多種傳感器類型，并能夠處理時間序列數據集和多種數值模型。本文提出的框架包含一種決策支持機制，以及能夠實現數據集成、挖掘和管理的豐富工具。其最主要的創新在于使用了綜合設施注冊機制，從而能夠以標準化的方法對基本數據、元數據等多種信息進行存儲和輸出。

1 海洋傳感器網絡

多年來海洋數據采集和監測一直是一項費時且開銷巨大的工作，因此導致可用的海洋監測數據較為稀少且僅分布于特定的海域。廉價傳感器的出現，使得這一情況得到改變，并持續推動傳感器網絡在多個領域得到廣泛應用，例如對海岸和河口地區的環境監測，地面衛星遙感數據的采集，對海洋模型的校準和驗證等，取得了較好的效果。但是，海上傳感器網絡在使用過程中，同樣也面臨著一些問題。首先，傳感器和其附屬的通信設備需要面對嚴苛的海洋環境，如浪涌，鹽分腐蝕，海洋藻類的附著等。盡管在海面上使用無線鏈路或衛星鏈路通信是可行的，但是在大多數情況下，傳感器設備難以始終放置在水面之上的船舶，島礁上，因此需要常常受到海平面環境的影響。而傳感器設備的水下通信過程非常不可靠，尤其是在淺灘和河口水域，受到多徑反射和干擾的影響尤其巨大，造成通信過程的可靠性急劇降低。通常海洋傳感器節點的結構如圖1所示［4］。

圖1 海上無線傳感器節點結構圖Fig.1 The structure of marine sensor

海上傳感器網絡的主要功能為收集多種海洋數據，如溫度、鹽度、洋流速度、精確位置等。然而，由于海水的腐蝕效應，以及其他海洋有機物、生物等的影響，會極大地降低傳感器的可靠性和通信能力。在海洋環境中，傳感器可以使靜止的、準靜止的、移動的、可航行的、浸入式的、機載的(例如水下無人裝置等)方式進行放置［5］。對于靜止傳感器來說，通常采用圖1的方式，在浮標下部的不同水深處進行部署;對于準靜止的傳感器來說，則通常采用多個傳感器的方法，連接在深度游標上，在不同的海水深度中沉浮。而可航行與機載式傳感器則通常部署在AUV/ROV，船舶或其他航行設備中。傳感器之間的通信在水下使用水聲通信，在水上則使用無線通信方式如3G/4G，WIFI 等。

除了自然條件的挑戰之外，海上傳感器網絡在管理各種數據和信息時同樣存在一定的問題，例如如何分析和處理海量的數據，有效減少數據噪聲并進行有組織的存儲，以及如何利用這些數據進行決策支持等。為了應對以上問題，亟需一種框架，將所需的工具，設備和技術進行有機地結合，并需要相關的標準將數據、信息和知識進行標準化。

本文的目的在于設計一種基于集成化設施管理方法的海洋無線傳感器網絡數據與信息框架，主要解決海上傳感器網絡的3個問題:1)無線傳感器網絡如何和現有通信網絡相融合，如互聯網等，實現遠程的監控和操作;2)如何利用數據庫和軟件工具，增強傳感器網絡對數據的管理;3)增強傳感器網絡框架中各個模塊的性能，對當前的海洋監測手段提供一定的幫助。

2 海上傳感器網絡框架

本文設計的海上傳感器網絡框架為“感知——反應”模型，包含了多個傳感器節點和反應設備，并且各個節點間通過無線鏈路相連。傳感器節點收集外界信息和數據并將其通過網絡傳輸給基站服務器，進而基站根據收到的信息給出決策，指導反應節點采取合適的行為和操作。這一模型能夠允許用戶在任何地點和時間，對某一遠程海域進行感知并采取對應的操作，并且通過網絡相連的傳感器節點所能發揮的效能，將遠大于他們獨立使用的情景。該海上傳感器網絡框架如圖2所示。

圖2 海上傳感器網絡框架Fig.2 The architecture of marine sensor network

一個典型的“感知——反應”傳感器網絡通常包括多種傳感器節點，用來測量濕度、溫度、壓力、氧含量、導電性、光照、位移等，同時節點中還安裝有若干可進行控制的“反應”部件，例如推力控制器、GPS 單元、深度控制器、聲吶裝置、通信裝置等。基站可以接入互聯網，從而向用戶提供任意地點和任意時間的訪問能力。當基站位置距離傳感器節點較遠時，則可以使用諸如衛星通信或Stargate的微系統，為傳感器節點充當通信的中繼節點。基站同時也維護有數據庫，并能夠作為Web服務器使用，因此用戶可以使用手持終端，采用可視化的方式對數據進行查詢、查看、管理、控制等操作。

3 框架軟件模塊設計

本文設計的海上傳感器網絡數據與信息框架共包括數據采集模塊、數據存儲模塊、信息挖掘模塊、設備管理模塊、決策支持模塊和用戶界面6個軟件模塊。在本節中將對各個模塊的細節進行設計。

3.1 數據采集模塊

數據采集模塊由傳感器節點和可控裝置組成，前者負責采集環境數據，后者負責調整傳感器的位置，保證傳感器通信過程正常等。數據采集模塊中包含的其他部分包括:1)數據濾波器:負責將采集數據中的噪聲去除，保證數據的正確性和可用性;2)XML/DTD 處理器:負責將數據轉換為標準格式或DTD 格式;3)元數據轉換器:負責使用和控制元數據，對采集數據進行分析和定義;4)無線通信終端:保證傳感器節點在運行的過程中，能夠使用可靠的無線通信鏈路。

3.2 數據存儲模塊

數據存儲模塊有分布式的數據庫和元數據控制器組成。分布式數據庫能夠將海量的傳感器數據存儲起來，而元數據控制器則存儲相關的元數據文件。由于在大型的，異構的海上傳感器網絡中，運行于不同平臺的傳感器可能采用不同的元數據格式，因此元數據控制器還需要具備不同元數據格式之間的編譯功能。數據存儲模塊中的目錄服務組件，能夠提供一個集成化的數據目錄，供系統應用查詢和使用。在本文設計的數據存儲模塊中，采用基于XML的MIMOSA/ISO標準，在分布式數據庫中對數據進行分類。

3.3 信息挖掘模塊

信息挖掘模塊包含了以下組件:1)報告生成組件，能夠以一定周期根據收集到的數據產生系統日志;2)狀態監控組件:該組件能夠根據接收到的數據，判斷設備的工作狀態，并具備異常管理，異常處理的功能。

3.4 綜合設施注冊模塊

綜合設施注冊模塊依照對應的ISO 規范進行設計，能夠綜合處理傳感器層次，設備層次，平臺層次，單元層次，組織層次和企業層次的多種信息和數據。通過綜合設施注冊模塊，可以根據采集數據中的標記，追溯到對應的傳感器或設備，能夠從多個層面、多個維度對傳感器網絡中的元素進行靈活控制和管理。數據采集模塊、數據存儲模塊、綜合設施注冊模塊之間的相互關系及工作流程如圖3所示。

圖3 模塊相互關系與工作流程Fig.3 The relationship and workflow of modules

3.5 決策支持系統

決策支持系統中包含了若干適用于不同領域的決策工具，例如漁業數據分析工具，航運數據分析工具等，其中的一些工具具有成熟的商業版本，如MineSet 等。決策支持系統中的核心部分為事件服務組件，該組件能夠識別認為行為，環境行為和數據行為，分別如用戶的指令和需求，當前的環境條件和數據的質量等。

圖4 模塊結構與工作流程Fig.4 The structure and workflow of modules

3.6 用戶界面模塊

用戶界面一方面負責系統與用戶的交互接口，另一方面負責系統數據的輸出，因此該模塊包含以下組件:1)標準化的MIMOSA/ISO 數據輸出端口:能夠將數據以標準化的格式進行輸出，從而這些數據能在大多數海洋環境監測平臺中使用;2)請求優化和管理組件:能夠對用戶的各種請求進行優化，消除各種請求之間的沖突和錯誤，是與用戶進行直接交互的主體;3)圖形化的用戶界面:具備良好的圖形化界面，能夠有效提高用戶體驗。

決策支持系統，用戶界面模塊和信息挖掘模塊的相互關系與工作流程如圖4所示。

4 結 語

本文首先分析了海上傳感器網絡在使用過程中的主要挑戰，對其存在的問題進行深入研究。并設計了一種新型的海上傳感器網絡數據與信息框架。給出該框架的基本結構，對該框架的硬件模塊進行描述，同時對軟件模塊進行細節地設計，給出具體的功能結構和實現方法。總體來說，本文提出的框架具有較好的可行性，并能夠在一定程度上解決海上無線傳感器網絡中對各種設備和信息數據的管理，對于今后類似平臺的構建和海上傳感器網絡的進一步推廣和使用，具有重要的借鑒意義。

［1］KIM S，PAKZAD S，CULLER D，et al.Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks［C］//New York:IEEE Press，2007:254－263.

［2］LAKSHMI V N.EDAM:An anchor desk for environmental disaster analysis ＆ management:design of a secondgeneration foundational information management infrastructure ［C］//ICETiC 09.Virudhunagar: IEEE Press，2009:1－14.

［3］蔣雷，賀國.一種絕對式氣壓傳感器結構與相關特性［J］.艦船科學技術，2013，35(6):123－128.JIANG Lei，HE Guo.An absolute pressure sensor structure and related properties［J］.Ship Science and Technology，2013，35(6):123－128.

［4］LAKSHMI V N.MSIAMIE:Marine sensor information acquisition，management，integration ＆ exploitation architecture［Z］.larger Working Document，2009.

［5］粟栗.多傳感器數據融合方法在軍事信息領域的應用［J］.艦船科學技術，2013，35(6):78－83.SU Li.Multi-sensor data fusion method is applied in the field of military information ［J］.Ship Science and Technology，2013，35(6):78－83.