辛慶正（天津市標(biāo)準(zhǔn)化研究院）

無線傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究

辛慶正（天津市標(biāo)準(zhǔn)化研究院）

隨著集成電路、半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開端。一切初始信息都是由無線傳感網(wǎng)絡(luò)來完成采集的，可謂是物聯(lián)網(wǎng)的重中之重。論文通過分析國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀，提出了無線傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系框架。通過提出這一框架，對我國無線傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和在此基礎(chǔ)上合理有效地開展相關(guān)研究工作具有重要的指導(dǎo)意義。

無線傳感 物聯(lián)網(wǎng) 標(biāo)準(zhǔn)體系

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），簡單說來，就是在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量地部署傳感器節(jié)點，通過無線通信方式自組織而成的一個多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并發(fā)送給監(jiān)測端。

為了更進(jìn)一步地降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模效益，WSN必須實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這樣出自不同生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品能夠在同一網(wǎng)絡(luò)下協(xié)同工作，實現(xiàn)無線傳感設(shè)備的互換性和互操作性。該網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、管理和維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的開端，是智能領(lǐng)域的基礎(chǔ)支撐。因此，探索建立一套完整、科學(xué)、層次分明的無線傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系框架對于物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系具有重要意義。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

在智能傳感器方面，國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)管理局（IEC/SMB）于2009年9月16日在SMB/4010A/ DC文件中更新了17項IEC潛在新技術(shù)領(lǐng)域的內(nèi)容，包括智能電網(wǎng)、能效和可再生能源、電廠能并行測量、高效儲能系統(tǒng)等。其中，第14項智能傳感器明確指出歸口IEC/TC 65。

IEC/TC 47是半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，目前下設(shè)SC 47A（集成電路標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會）、SC 47D（半導(dǎo)體器件封裝標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會）和SC 47E（半導(dǎo)體分立器件標(biāo)準(zhǔn)化分技術(shù)委員會）3個分技術(shù)委員會，委員會和分技術(shù)委員會下面均有工作組。IEC/TC 47的國內(nèi)對口單位是全國半導(dǎo)體器件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

目前，我國傳感器直接相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)共有400多個，分散在各個領(lǐng)域，包括船舶、安全、地震、城建、電力、機(jī)械、航空、計量、煤炭、核工業(yè)等。

其實，我國在這方面存在的問題是一樣的，對于單個設(shè)備及通用技術(shù)條件有具體的標(biāo)準(zhǔn)，但形成不了系統(tǒng)的體系框架幫助構(gòu)建完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。而且對于標(biāo)準(zhǔn)體系框架的研究也不多，并不能指導(dǎo)無線傳感行業(yè)大規(guī)模應(yīng)用及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。鑒于此，建立能夠讓無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、高效運(yùn)轉(zhuǎn)的標(biāo)準(zhǔn)體系框架顯得尤為重要。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系框架構(gòu)建

3.1 構(gòu)建原則

（1）前瞻性。根據(jù)現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡(luò)以及新研發(fā)的相關(guān)技術(shù)，結(jié)合目前無線傳感網(wǎng)絡(luò)的實施情況，將相關(guān)的影響因素納入研究范圍，預(yù)測在以后的應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的問題，將這些問題總結(jié)形成一個個標(biāo)準(zhǔn)體系框架中的模塊。

（2）系統(tǒng)性。把整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)看成一個獨立的系統(tǒng)，全面把握系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系，有條不紊地組織各個層次以及每個模塊的歸屬關(guān)系，支撐整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)、高效地運(yùn)轉(zhuǎn)。

（3）邊界清晰。明確每個子體系以及具體每個模塊所要解決的問題，互相之間不沖突、不交叉，嚴(yán)格控制每個問題的邊界。

3.2 體系框架結(jié)構(gòu)

在環(huán)境評方面，雖然中國已經(jīng)制定了相關(guān)的法律法規(guī)，但還沒有普及。有些單位沒有足夠的環(huán)保意識，只是追求經(jīng)濟(jì)利益，不重視環(huán)境影響保護(hù)，為了避免影響環(huán)境評估去采取某些非正式的方式，特別是一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小企業(yè)，他們的生產(chǎn)方式是更廣泛，未采取有效措施防治污染造成嚴(yán)重環(huán)境污染。同時，中國目前的環(huán)境影響評價法律法規(guī)尚不完善，環(huán)境影響評價管理相對落后，基層環(huán)境影響評價制度不能有效實施，遠(yuǎn)未達(dá)到環(huán)境影響評價系統(tǒng)設(shè)計的初衷。因此，我國環(huán)境保護(hù)工作者需要重視推廣環(huán)境影響評價制度。

圖1為無線傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系框架。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系框架

3.2.1 通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

主要是為了方便相關(guān)行業(yè)組織在物聯(lián)網(wǎng)感知層研究方面的交流，需要將術(shù)語與定義、傳感器件的特性與分類及標(biāo)志與標(biāo)識進(jìn)行統(tǒng)一明確定義，形成業(yè)界共同遵守的法則。

3.2.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）原材料：隨著相關(guān)科技的發(fā)展，新的材料、工藝應(yīng)運(yùn)而生，許多傳感器運(yùn)用了這些新材料，如納米材料，大大提高了傳感器的性能，但對于新材料的運(yùn)用要慎重，因為傳感器要安裝到外部環(huán)境中，對于材料的要求也要符合相關(guān)規(guī)定，有效地避免材料對環(huán)境和人身所造成的傷害。所以對于傳感器的材料要有所要求，在不影響環(huán)境、人身安全的基礎(chǔ)上，提高傳感器件的性能并降低成本。

（2）網(wǎng)絡(luò)接口：包括物理接口和數(shù)據(jù)接口。物理接口是指設(shè)備內(nèi)部及設(shè)備之間的物理連接，這樣有利于形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)設(shè)備之間能夠替代，提高設(shè)備間的通用性。數(shù)據(jù)接口是指軟件的客戶端與服務(wù)器端的通信，明確數(shù)據(jù)接口可提高軟件代碼的復(fù)用性，降低相關(guān)軟件的開發(fā)成本，由于接口的規(guī)范性，一個數(shù)據(jù)接口可服務(wù)于多個系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)格式與存儲：傳感器種類和應(yīng)用場景的不同會導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)格式的多樣化，通過對不同的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行劃分并合理存儲，當(dāng)數(shù)據(jù)被獲取用于分析、決策時不會因為格式及存儲方式的不同而造成混亂。除此之外，動態(tài)地通過數(shù)據(jù)壓縮、減少冗余信息、省略不必要的精度等數(shù)據(jù)分解方法增加數(shù)據(jù)存儲量。

（4）通信協(xié)議：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個“通過無線通信方式自組織而成的一個多跳網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，屬于自組織網(wǎng)的范疇。每個無線傳感器節(jié)點都有一個無線通信模塊，負(fù)責(zé)與其他無線傳感器節(jié)點進(jìn)行無線通信、交換控制信息以及接收和發(fā)送節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)。

（5）測試：這部分包括一致性測試及互用性測試。無線傳感網(wǎng)絡(luò)建成后要通過測試來檢驗是否滿足目標(biāo)應(yīng)用的需求。通過測試結(jié)果，對應(yīng)用需求滿足情況進(jìn)行評估。這里的標(biāo)準(zhǔn)主要包括測試方法及測試用例。一致性測試是對感知層在特定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下輸入測試用例后輸出數(shù)據(jù)的一致性測試，根據(jù)測試結(jié)果對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的一致性進(jìn)行評估；互用性測試是通過在網(wǎng)絡(luò)互用環(huán)境下對無線傳感網(wǎng)絡(luò)各實體間功能實現(xiàn)性、信息正確性、互用可行性的測試進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議正確性的評估。

（6）安全：一款可在現(xiàn)實環(huán)境中正常使用的傳感設(shè)備應(yīng)該是安全的，目前來說主要包括防爆要求、信息安全及電氣安全。

（7）電源供電：無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有設(shè)備都有一個負(fù)責(zé)提供運(yùn)行所需的電力的模塊，目前主要有兩種供電方式，一種是無線傳感器自帶電池，一種是配備電源適配器。這方面的標(biāo)準(zhǔn)主要立足于電力的充足供應(yīng)、斷電后的應(yīng)急處理以及電源與設(shè)備電路之間的配型。

3.2.3 工作標(biāo)準(zhǔn)

（1）布設(shè)要求：由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，應(yīng)用環(huán)境也復(fù)雜多變，有時受天氣的影響較大，如何科學(xué)地進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的布設(shè)也是保證數(shù)據(jù)正常采集、傳輸?shù)那疤帷?/p>

（2）運(yùn)行維護(hù)：無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。大量傳感器節(jié)點隨機(jī)部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點設(shè)備是否在正常運(yùn)行、是否需要維修等問題關(guān)系到整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的可靠與否，為保證數(shù)據(jù)能正確地傳送到監(jiān)測端，運(yùn)行維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)必不可少。

（3）管理：由于傳感器的類型眾多，通信協(xié)議、接口多種多樣，以及各個傳感設(shè)備的布設(shè)位置和運(yùn)行情況等信息需要做好記錄，并對可能出現(xiàn)的問題設(shè)計出合理的解決方案，建立長效機(jī)制，出現(xiàn)問題后及時處理。

4 結(jié)語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)研究目前來說成果不多，還處在起步階段，需要研究解決的問題還有很多，無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系框架的建立就是要從標(biāo)準(zhǔn)方面著手規(guī)范整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的搭建和相關(guān)研究工作，對推動物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到積極作用。從標(biāo)準(zhǔn)的角度來說，下一步的工作主要是根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)體系框架以及各大應(yīng)用領(lǐng)域的特點收錄和制修訂一批科學(xué)合理、符合實際情況、可操作性強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，來指導(dǎo)實際的無線傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，這就需要相關(guān)政府部門、科研院所及企事業(yè)單位的協(xié)調(diào)配合，采取各種形式，逐步實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個領(lǐng)域大規(guī)模運(yùn)用。

[1]陳紅霞，趙俊鈺. 物聯(lián)網(wǎng)感知層標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)研究[J]. 電信科學(xué)，2011（9）：101-105.

[2]沈杰，邢濤. 傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)體系分析[J]. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009（12）：44-47.

[3]徐全平，張暉. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化綜述[J]. 信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009（3）：4-7.

Research on Standard Architecture of Wireless Sensor Networks

Xin Qingzheng
( Tianjin Insititute of Standardization )

With the rapid development of integrated circuit and semiconductor technology, the application fields of internet of things become broader, and wireless sensor network is an important part of the internet of things, it is also the beginning of application of the internet of things. Since all initial informations are collected by the wireless sensor network, it is the priority among priorities for the internet of things. Based on the analysis of the relevant standards at home and abroad, this paper puts forward the framework of wireless sensor network standard system. By presenting this framework, it is of great significance to guide the construction of wireless sensor networks in our country and to carry out relevant research work reasonably and effectively on the basis of it.

wireless sensor, internet of things, standard system