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南京易讯通:泛在传感器网络概论及其体系结构

军情观察 发布时间:2018-11-27 阅读:

摘要:本文剖析了泛在传感器网络的涵义及其特征。基于ITU NGN-GSI的研究基础,定义了一种泛在传感器网络的体系结构,并对泛在传感器网络各个组件的功能进行了详细的描述。

关键词:USN;泛在传感器网络;传感器网络;体系结构

中图分类号:TP393文献标志码:A文章编号:1671-7953(2009)03-0099-02

当你进入一座现代办公大楼,比如位于日内瓦的ITU-T办公室,玻璃门会自动打开;当你走进一间昏暗的房间,电灯会自动照亮。这种“魔法”是通过运动传感器(motion sensor)来实现的。然而,当你进入一座未来的大楼时,你可能会听到根据你的名字而设计的个性化问候,并准备好与你身份相一致的安全访问。所有这一切都是在无人干涉的情况下完成的。为了做到这些,不但需要智能传感器,也许还需要ID标签、阅读器以及与一个或多个包含你个人信息的数据库的交互作用。

在2008年2月发布的ITU-T技术观察简报《Ubiquitous Sensor Networks》中,提出使用术语“泛在传感器网络(Ubiquitous Sensor Networks,USN)”来描述这种关于智能传感器节点的网络。USN字面意义是:无论如何遥远,传感器被部署在地球的每一部分。显然,这是一个不现实的目标。考虑到实用性和可实现性,ITU-T将USN 描述成一种在任何地方都可用到的技术。

1泛在传感器网络定义与特征

1.1泛在传感器网络的定义

USN是关于智能传感器节点的网络,是可以实现高级e-Life社会的智能信息服务基础设施(intelligent information service infrastructure)。具有特定功能的智能传感器节点被广泛地部署在各种物体(甚至是人体)上,通过Ad-hoc通信技术构成WSN,以协同地实时监测、感知和采集网络所监控区域内各种环境信息或被监测对象的信息,并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户,实现在任何地方、任何时候,为任何人、任何事物提供各种个性化的知识服务。

1.2泛在传感器网络的特征

USN是关于智能传感器节点的网络。这些智能传感器节点,将来有一天,会无处不在。由此实现的高级e-Life社会是由智能网络、最先进的计算技术以及其它领先的数字技术基础设施武装而成的技术社会形态。根据这样的构想,USN将以“无所不在”、“无所不包”、“无所不能”为基本特征,帮助人类实现“4A”化通信,即在任何时间、任何地点,任何人、任何物都能顺畅地通信。具体地说,USN主要具有如下特征:1)泛在性、异构性;2)规模大、密度高;3)自组织、自愈性;4)以数据为中心;5)环境感知性;6)应用相关性;7)节点体积小、资源受限;8)动态网络拓扑;9)开放性、透明性;10)移动性、宽带性;11)多媒体、协同性;12)对称性、融合性;13)易受攻击性。

从以上特征可以看出,USN不是颠覆性的网络革命,而是对传统网络潜力的挖掘和网络效能的提升。

2泛在传感器网络体系结构

2.1泛在传感器网络的整体结构

泛在传感器网络采用ITU-T关于USN体系结构的建议,论文提出的USN整体结构如图(2-1)所示,它主要包括5个组件,自底向上分别是:传感器网络(Sensor Networks)、USN接入网络(USN Access Network)、网络基础设施(Network Infrastructure)、USN中间件(USN Middleware)和USN应用平台(USN Applications Platform)。

关于USN体系结构,几点补充说明如下:

1)USN体系结构中,传感器网络特指无线传感器网络,它由大量部署在监测区域的无线传感器网络节点(简称传感器节点或节点)、执行机构构成,节点之间、节点与执行机构之间采用无线通信技术通信。所有节点以Ad Hoc方式自组织成网络。

2)在某些应用中,传感器节点之间也许会采用有线通信方式进行通信,所构成的传感器网络称为有线传感器网络。

3)在一些应用中,传感数据的传输可能采用RFID网络。RFID网络的地位相当于USN体系结构中的传感器网络。

4)由图2-1可知,3USN不但是一个网络,而且是一个可支持各类应用的智能信息服务基础设施。

2.2泛在传感器网络的组件

2.2.1传感器网络

在USN体系结构中,传感器网络特指WSN。WSN的基本功能是:协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被监测对象的信息,并发送给观察者。WSN的系统架构如图2-2所示,通常包括传感器节点和执行机构

2.2.2USN接入网络

逻辑上,USN接入网络域位于传感器网络域与网络基础设施域之间,是传感器网络与控制中心或外部实体之间的通信桥梁。传感器网络所采集的信息,通过USN接入网络,传送至控制中心或外部实体。

物理上,USN接入网络域是关于汇节点的集合。汇节点通常具有较强的处理能力、存储能力和通信能力,它即可以是一个具有足够能量供给和更多内存资源与计算能力的增强型传感器节点,也可以是一个带有无线通信接口的特殊网关设备。

2.2.3网络基础设施

网络基础设施主要是指全球网络,包括Internet、NGN、GSM等。

2.2.4USN中间件

USN中间件是指收集并处理传感器网络采集数据的软件。USN中间件主要实现如下功能:传感信息搜集、数据筛选、数据处理、环境感知处

理、环境感知决策与估计等。

2.2.5USN应用平台

USN应用平台是指实现各种USN应用和服务的技术平台。USN应用和服务主要包括集成服务(integrated service)、传感信息描述和表示(sensory information description and presentation)等。基于USN中间件,各种USN应用和服务得以建立起来[同时,利用USN中间件,USN向各类用户(包括个人、企业、组织和政府等)提供所有USN应用和服务。

3结束语

USN综合了传感器技术、嵌入式计算技术、计算机网络技术、现代通信技术、分布式信息处理技术、网络安全技术、软件开发技术等,是一种典型的多学科高度交叉、知识高度集成的高科技技术,是当今国内外备受关注的新兴前沿研究领域。目前,USN理论研究成果比较丰富,应用研究成果也逐日增多。尽管如此,对于USN,尚有大量问题尚未解决。从USN涉及的关键技术来看,在未来相当长的时期内,USN的研究热点和研究难点将主要集中在以下八个方面,即:USN体系结构、USN通信协议、USN安全、USN传感器接口、USN数据管理、USN编程模型、USN时间和空间约束、USN技术相关标准。本文详细剖析了USN体系结构。今后,USN应用研究将集中在以下几个方面:适合领域(如军事领域、工业领域、环境领域、农业领域等)应用的应用系统体系结构、无线传感器节点技术、传感器网络网关(汇节点)技术、移动基站技术、能量有效的通信协议实现技术、多网(如无线传感器网络、互联网、无线数字业务网等)整合技术、节能数据收集技术和应用系统(如USN数据管理系统、USN知识管理系统等)开发等。

参考文献

[1] ITU-T. Ubiquitous Sensor Networks (USN) [R/OL]. ITU-T Technology Watch Briefing Report Series, 2008, (4). Available at: http://www.itu.int/ITU-T/techwatch/reports.html.

[2] 罗忠. 泛在传感器网络概念、最新技术进展、应用和标准动态[J].中国多媒体通信, 2007, (10):35-40.

[3] 高峰,俞立,张文安,等.基于作物水分胁迫声发射技术的无线传感器网络精量灌溉系统的初步研究[J].农业工程学报, 2008, 24(1): 60-63.

[4] 高峰,俞立,张文安,等.基于茎直径变化的无线传感器网络作物精量灌溉系统[J]. 农业工程学报, 2008, 24(11):7-12.