孫 睿，王愛(ài)強(qiáng)

(河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，河南 鄭州450046)

0 引 言

當(dāng)前以物聯(lián)網(wǎng)為代表的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方興未艾，在交通運(yùn)輸、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居等多個(gè)領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。在海洋開(kāi)發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)也逐漸獲得推廣，被廣泛應(yīng)用在船舶制造，自動(dòng)控制等方面，取得了較好效果［1－2］。

隨著近年來(lái)海洋環(huán)境問(wèn)題頻發(fā)，海洋氣候異常變化加劇，對(duì)海洋環(huán)境的監(jiān)測(cè)成為了防災(zāi)減災(zāi)和科學(xué)研究的當(dāng)務(wù)之急。在傳統(tǒng)的方法中，通常采用船舶和人員實(shí)地考察的方法對(duì)海洋環(huán)境的變化和狀態(tài)進(jìn)行考察和記錄，我國(guó)也擁有多艘執(zhí)行此類(lèi)任務(wù)的科考船及科研隊(duì)伍，并為我國(guó)的海洋研究事業(yè)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(shí)間、經(jīng)濟(jì)和人員成本，而獲得的數(shù)據(jù)較為有限，難以連續(xù)、系統(tǒng)地對(duì)某海域的情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，因此也極大地限制了我國(guó)海洋研究的持續(xù)深入。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種部署簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集手段，能夠在一定程度上解決海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集問(wèn)題。因此，多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)，進(jìn)行了廣泛實(shí)踐，通過(guò)將傳感器、浮標(biāo)、無(wú)線(xiàn)通信鏈路、衛(wèi)星通信相結(jié)合的方法，在某些海域部署海上傳感器網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，取得了良好的效果［3］。

然而，在海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用過(guò)程中，仍然存在許多問(wèn)題，例如在海洋嚴(yán)苛的自然條件下，難以對(duì)多種海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備、傳感器等進(jìn)行有效地管控，極大地降低了系統(tǒng)的可用性;以及當(dāng)采用多種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，難以對(duì)多種來(lái)源和多種格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的組織和使用等。為了解決以上問(wèn)題，本文提出一種面向海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與信息框架，該框架能夠有效管理靜態(tài)，準(zhǔn)靜態(tài)等多種傳感器類(lèi)型，并能夠處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)集和多種數(shù)值模型。本文提出的框架包含一種決策支持機(jī)制，以及能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)集成、挖掘和管理的豐富工具。其最主要的創(chuàng)新在于使用了綜合設(shè)施注冊(cè)機(jī)制，從而能夠以標(biāo)準(zhǔn)化的方法對(duì)基本數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等多種信息進(jìn)行存儲(chǔ)和輸出。

1 海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)

多年來(lái)海洋數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)一直是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)且開(kāi)銷(xiāo)巨大的工作，因此導(dǎo)致可用的海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較為稀少且僅分布于特定的海域。廉價(jià)傳感器的出現(xiàn)，使得這一情況得到改變，并持續(xù)推動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如對(duì)海岸和河口地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測(cè)，地面衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的采集，對(duì)海洋模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證等，取得了較好的效果。但是，海上傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用過(guò)程中，同樣也面臨著一些問(wèn)題。首先，傳感器和其附屬的通信設(shè)備需要面對(duì)嚴(yán)苛的海洋環(huán)境，如浪涌，鹽分腐蝕，海洋藻類(lèi)的附著等。盡管在海面上使用無(wú)線(xiàn)鏈路或衛(wèi)星鏈路通信是可行的，但是在大多數(shù)情況下，傳感器設(shè)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(huán)境的影響。而傳感器設(shè)備的水下通信過(guò)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(guò)程的可靠性急劇降低。通常海洋傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］。

圖1 海上無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of marine sensor

海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能為收集多種海洋數(shù)據(jù)，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(yīng)，以及其他海洋有機(jī)物、生物等的影響，會(huì)極大地降低傳感器的可靠性和通信能力。在海洋環(huán)境中，傳感器可以使靜止的、準(zhǔn)靜止的、移動(dòng)的、可航行的、浸入式的、機(jī)載的(例如水下無(wú)人裝置等)方式進(jìn)行放置［5］。對(duì)于靜止傳感器來(lái)說(shuō)，通常采用圖1的方式，在浮標(biāo)下部的不同水深處進(jìn)行部署;對(duì)于準(zhǔn)靜止的傳感器來(lái)說(shuō)，則通常采用多個(gè)傳感器的方法，連接在深度游標(biāo)上，在不同的海水深度中沉浮。而可航行與機(jī)載式傳感器則通常部署在AUV/ROV，船舶或其他航行設(shè)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(wú)線(xiàn)通信方式如3G/4G，WIFI 等。

除了自然條件的挑戰(zhàn)之外，海上傳感器網(wǎng)絡(luò)在管理各種數(shù)據(jù)和信息時(shí)同樣存在一定的問(wèn)題，例如如何分析和處理海量的數(shù)據(jù)，有效減少數(shù)據(jù)噪聲并進(jìn)行有組織的存儲(chǔ)，以及如何利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行決策支持等。為了應(yīng)對(duì)以上問(wèn)題，亟需一種框架，將所需的工具，設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，并需要相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)將數(shù)據(jù)、信息和知識(shí)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

本文的目的在于設(shè)計(jì)一種基于集成化設(shè)施管理方法的海洋無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與信息框架，主要解決海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個(gè)問(wèn)題:1)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)如何和現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)相融合，如互聯(lián)網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控和操作;2)如何利用數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件工具，增強(qiáng)傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)的管理;3)增強(qiáng)傳感器網(wǎng)絡(luò)框架中各個(gè)模塊的性能，對(duì)當(dāng)前的海洋監(jiān)測(cè)手段提供一定的幫助。

2 海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架

本文設(shè)計(jì)的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架為“感知——反應(yīng)”模型，包含了多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和反應(yīng)設(shè)備，并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路相連。傳感器節(jié)點(diǎn)收集外界信息和數(shù)據(jù)并將其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸給基站服務(wù)器，進(jìn)而基站根據(jù)收到的信息給出決策，指導(dǎo)反應(yīng)節(jié)點(diǎn)采取合適的行為和操作。這一模型能夠允許用戶(hù)在任何地點(diǎn)和時(shí)間，對(duì)某一遠(yuǎn)程海域進(jìn)行感知并采取對(duì)應(yīng)的操作，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相連的傳感器節(jié)點(diǎn)所能發(fā)揮的效能，將遠(yuǎn)大于他們獨(dú)立使用的情景。該海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架如圖2所示。

圖2 海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架Fig.2 The architecture of marine sensor network

一個(gè)典型的“感知——反應(yīng)”傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括多種傳感器節(jié)點(diǎn)，用來(lái)測(cè)量濕度、溫度、壓力、氧含量、導(dǎo)電性、光照、位移等，同時(shí)節(jié)點(diǎn)中還安裝有若干可進(jìn)行控制的“反應(yīng)”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?；究梢越尤牖ヂ?lián)網(wǎng)，從而向用戶(hù)提供任意地點(diǎn)和任意時(shí)間的訪問(wèn)能力。當(dāng)基站位置距離傳感器節(jié)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，則可以使用諸如衛(wèi)星通信或Stargate的微系統(tǒng)，為傳感器節(jié)點(diǎn)充當(dāng)通信的中繼節(jié)點(diǎn)?；就瑫r(shí)也維護(hù)有數(shù)據(jù)庫(kù)，并能夠作為Web服務(wù)器使用，因此用戶(hù)可以使用手持終端，采用可視化的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)、查看、管理、控制等操作。

3 框架軟件模塊設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與信息框架共包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、信息挖掘模塊、設(shè)備管理模塊、決策支持模塊和用戶(hù)界面6個(gè)軟件模塊。在本節(jié)中將對(duì)各個(gè)模塊的細(xì)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器節(jié)點(diǎn)和可控裝置組成，前者負(fù)責(zé)采集環(huán)境數(shù)據(jù)，后者負(fù)責(zé)調(diào)整傳感器的位置，保證傳感器通信過(guò)程正常等。數(shù)據(jù)采集模塊中包含的其他部分包括:1)數(shù)據(jù)濾波器:負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)中的噪聲去除，保證數(shù)據(jù)的正確性和可用性;2)XML/DTD 處理器:負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)格式或DTD 格式;3)元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器:負(fù)責(zé)使用和控制元數(shù)據(jù)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和定義;4)無(wú)線(xiàn)通信終端:保證傳感器節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行的過(guò)程中，能夠使用可靠的無(wú)線(xiàn)通信鏈路。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊有分布式的數(shù)據(jù)庫(kù)和元數(shù)據(jù)控制器組成。分布式數(shù)據(jù)庫(kù)能夠?qū)⒑Ａ康膫鞲衅鲾?shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，而元數(shù)據(jù)控制器則存儲(chǔ)相關(guān)的元數(shù)據(jù)文件。由于在大型的，異構(gòu)的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)行于不同平臺(tái)的傳感器可能采用不同的元數(shù)據(jù)格式，因此元數(shù)據(jù)控制器還需要具備不同元數(shù)據(jù)格式之間的編譯功能。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中的目錄服務(wù)組件，能夠提供一個(gè)集成化的數(shù)據(jù)目錄，供系統(tǒng)應(yīng)用查詢(xún)和使用。在本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，采用基于XML的MIMOSA/ISO標(biāo)準(zhǔn)，在分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)。

3.3 信息挖掘模塊

信息挖掘模塊包含了以下組件:1)報(bào)告生成組件，能夠以一定周期根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生系統(tǒng)日志;2)狀態(tài)監(jiān)控組件:該組件能夠根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，并具備異常管理，異常處理的功能。

3.4 綜合設(shè)施注冊(cè)模塊

綜合設(shè)施注冊(cè)模塊依照對(duì)應(yīng)的ISO 規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠綜合處理傳感器層次，設(shè)備層次，平臺(tái)層次，單元層次，組織層次和企業(yè)層次的多種信息和數(shù)據(jù)。通過(guò)綜合設(shè)施注冊(cè)模塊，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)中的標(biāo)記，追溯到對(duì)應(yīng)的傳感器或設(shè)備，能夠從多個(gè)層面、多個(gè)維度對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中的元素進(jìn)行靈活控制和管理。數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、綜合設(shè)施注冊(cè)模塊之間的相互關(guān)系及工作流程如圖3所示。

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

3.5 決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)中包含了若干適用于不同領(lǐng)域的決策工具，例如漁業(yè)數(shù)據(jù)分析工具，航運(yùn)數(shù)據(jù)分析工具等，其中的一些工具具有成熟的商業(yè)版本，如MineSet 等。決策支持系統(tǒng)中的核心部分為事件服務(wù)組件，該組件能夠識(shí)別認(rèn)為行為，環(huán)境行為和數(shù)據(jù)行為，分別如用戶(hù)的指令和需求，當(dāng)前的環(huán)境條件和數(shù)據(jù)的質(zhì)量等。

圖4 模塊結(jié)構(gòu)與工作流程Fig.4 The structure and workflow of modules

3.6 用戶(hù)界面模塊

用戶(hù)界面一方面負(fù)責(zé)系統(tǒng)與用戶(hù)的交互接口，另一方面負(fù)責(zé)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出，因此該模塊包含以下組件:1)標(biāo)準(zhǔn)化的MIMOSA/ISO 數(shù)據(jù)輸出端口:能夠?qū)?shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)化的格式進(jìn)行輸出，從而這些數(shù)據(jù)能在大多數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)平臺(tái)中使用;2)請(qǐng)求優(yōu)化和管理組件:能夠?qū)τ脩?hù)的各種請(qǐng)求進(jìn)行優(yōu)化，消除各種請(qǐng)求之間的沖突和錯(cuò)誤，是與用戶(hù)進(jìn)行直接交互的主體;3)圖形化的用戶(hù)界面:具備良好的圖形化界面，能夠有效提高用戶(hù)體驗(yàn)。

決策支持系統(tǒng)，用戶(hù)界面模塊和信息挖掘模塊的相互關(guān)系與工作流程如圖4所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先分析了海上傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用過(guò)程中的主要挑戰(zhàn)，對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行深入研究。并設(shè)計(jì)了一種新型的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與信息框架。給出該框架的基本結(jié)構(gòu)，對(duì)該框架的硬件模塊進(jìn)行描述，同時(shí)對(duì)軟件模塊進(jìn)行細(xì)節(jié)地設(shè)計(jì)，給出具體的功能結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法?？傮w來(lái)說(shuō)，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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中對(duì)各種設(shè)備和信息數(shù)據(jù)的管理，對(duì)于今后類(lèi)似平臺(tái)的構(gòu)建和海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步推廣和使用，具有重要的借鑒意義。

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