周 焱

(電子科技大學(xué)移動計算中心 成都 610054)

用于車間智能環(huán)境的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能標簽

周 焱

(電子科技大學(xué)移動計算中心 成都 610054)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能環(huán)境，將使智能環(huán)境的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸大量多樣性的數(shù)據(jù)，同時智能環(huán)境對其用戶了解環(huán)境中局部區(qū)域狀況時的透明性有更高的要求。該文針對這些問題，結(jié)合車間智能環(huán)境的具體應(yīng)用實際，提出了一種新型的用于車間智能環(huán)境的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能標簽，并描述了其軟硬件結(jié)構(gòu)。該智能標簽軟件結(jié)構(gòu)中包含一個應(yīng)用子層，向上層應(yīng)用程序提供查詢管理、數(shù)據(jù)管理、定位識別和安全驗證的功能接口。

智能環(huán)境; 中間件; 智能標簽; 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

計算機技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展使得大量計算機，或者說具有計算能力的機器，漸漸融入人們生活之中，并透明地、無縫地參與人們的日?；顒?。這種被稱為“無所不在的計算”環(huán)境，或者稱為普適計算的環(huán)境，感知環(huán)境中的變化并進行計算，通過各種交互手段向環(huán)境中的人提供各種各樣的計算服務(wù)[1]。

為了提供豐富的計算服務(wù)，在實現(xiàn)普適計算的環(huán)境時會面臨諸如大規(guī)模、異構(gòu)多樣性、提供服務(wù)的透明性和服務(wù)的可擴展性等多種技術(shù)問題[2]。通常人們使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)[3]作為獲取環(huán)境中大量異構(gòu)多樣場景數(shù)據(jù)的主要手段。但是無線傳感網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中也存在很多亟待解決的問題，包括硬件資源有限、計算能力不足、電源以及數(shù)據(jù)融合等[4]。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于布置普適計算的環(huán)境，會出現(xiàn)新的問題。本文將針對工廠車間中智能環(huán)境的實現(xiàn)，提出一種新型的無線傳感智能標簽結(jié)構(gòu)，在滿足車間智能環(huán)境的應(yīng)用需求的同時，改善無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能環(huán)境應(yīng)用中的不足。

1 基于傳感網(wǎng)絡(luò)的車間智能環(huán)境

1.1 研究中面臨的問題

過往的研究人員指出，在普適計算環(huán)境的實現(xiàn)中將面臨諸如協(xié)調(diào)大量移動計算設(shè)備、環(huán)境感知人而非人操作環(huán)境、服務(wù)的可擴展性、處理大量異構(gòu)多樣的傳感數(shù)據(jù)及分析復(fù)雜的場景信息等多種問題[2]。但是工廠車間的普適計算環(huán)境有其更為特殊的需求：(1) 更為大量的數(shù)據(jù)。(2) 數(shù)據(jù)的異構(gòu)多樣性。(3) 感知局部區(qū)域環(huán)境的變化。(4) 對設(shè)備操作和人員的安全性有要求。

在普適計算環(huán)境具體實現(xiàn)中，通過構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)來管理環(huán)境中的各個計算設(shè)備。兼具無線通信、感知傳感數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)化管理的無線傳感網(wǎng)絡(luò)成為了搭建無線智能環(huán)境的主要選擇之一。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建車間智能環(huán)境，將面臨新的問題和挑戰(zhàn)。(1) 需要解決傳輸大量的數(shù)據(jù)所帶來的功耗問題和可能的網(wǎng)絡(luò)阻塞；(2) 如何在無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)保存和處理異構(gòu)多樣的數(shù)據(jù)和信息也頗為關(guān)鍵；(3)傳統(tǒng)的中心式無線傳感網(wǎng)絡(luò)僅有實現(xiàn)簡單數(shù)據(jù)收集的功能，無法滿足人員獲知車間智能環(huán)境中某一局部區(qū)域狀態(tài)變化的需求[5]，要解決這一問題，首先需要用戶能夠?qū)植繀^(qū)域進行識別，即將局部網(wǎng)絡(luò)看作一個整體進行交互，其次需要無線傳感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能夠進行局部的數(shù)據(jù)交換和對數(shù)據(jù)的協(xié)作處理；(4) 采用身體網(wǎng)絡(luò)(body area network)提供車間內(nèi)工程人員的身體狀況，需要尋求一種合理的組織形式，協(xié)調(diào)組織和管理諸如監(jiān)測工程人員身體狀況、人員識別和定位等多種功能組成部分；(5) 針對車間環(huán)境中設(shè)備的更換和升級所帶來的無線傳感設(shè)備的增加和改變的需求，要給出一個簡易的方法快速、局部地部署和配置，保證智能環(huán)境持續(xù)、穩(wěn)定地運行。本文將給出一個應(yīng)用子層結(jié)構(gòu)來合理地解決上述問題。

1.2 相關(guān)工作

對于普適計算環(huán)境實際應(yīng)用的研究，近些年來研究人員做了很多工作。共同關(guān)注的重點主要集中在環(huán)境中設(shè)備的功耗和提供服務(wù)的透明性上。MIT的Oxygen計劃[6]設(shè)想未來的計算像人類呼吸的氧氣一樣存在于人們生活環(huán)境的各個位置。Oxygen通過組建自配置的無線網(wǎng)絡(luò)N21s，連接用戶攜帶的手持設(shè)備和安置在環(huán)境中的設(shè)備和傳感器，完成用戶的多種需求。針對環(huán)境中的各種硬件設(shè)備而言，Oxygen計劃主要面臨感知、低功耗、對資源的高效利用、設(shè)備的移動等技術(shù)挑戰(zhàn)。Georgia Tech GVU實驗室的Aware Home建立了一個可長期運行的、智能交互和服務(wù)透明的智能家居環(huán)境[7]，實現(xiàn)過程中結(jié)合了上下文感知，基于計算機視覺、聲音追蹤以及各種傳感技術(shù)，感知環(huán)境和用戶的行為，提供了更為方便智能的交互體驗。

針對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)融合的中間件研究[8]，文獻[9-10]均提供了一個分布式數(shù)據(jù)庫查詢接口，用戶可以使用類SQL查詢風(fēng)格的語句查詢。兩者都通過數(shù)據(jù)融合的方式減少了通信消耗。文獻[9]建立并維護一個擴展樹，查詢廣播到葉子節(jié)點，葉子節(jié)點根據(jù)查詢條件決定是否轉(zhuǎn)發(fā)到父節(jié)點，在父節(jié)點進行處理和融合。文獻[10]通過把查詢分發(fā)到各節(jié)點最小化數(shù)據(jù)搜集和計算帶來的能量開銷。

2 智能標簽結(jié)構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

本文通過提出一個完整的“智能標簽”結(jié)構(gòu)來解決上文提到的一系列問題。智能標簽總體結(jié)構(gòu)分為硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩部分，如圖1所示。

圖1 智能標簽總體結(jié)構(gòu)

2.2 智能標簽硬件結(jié)構(gòu)

對智能環(huán)境中計算設(shè)備的實現(xiàn)，主要集中在RFID和無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點兩種實現(xiàn)方式。

RFID標簽不僅能夠快速識別周圍的大量RFID設(shè)備，而且具有低功耗和價格低廉的優(yōu)勢，為給其帶上傳感器，使之兼具快速識別和感知環(huán)境的功能，是一種比較流行的做法[11]。RFID分為被動式RFID和主動式RFID兩種，其對比如表1所示。從表1的對照中可以看到，價格低廉的被動式RFID傳輸距離和儲能能力都有限。傳輸距離的不足導(dǎo)致被動式RFID識別速率較低，不能同時識別多個標簽[12]。同時，由于被動式RFID標簽的能量來自于讀寫器發(fā)射的射頻能量，使其無法實時地進行傳感數(shù)據(jù)的采集和存儲，無法攜帶外置存儲芯片進行大量傳感數(shù)據(jù)及標簽信息的存儲。從以上分析可以看出，被動式RFID在車間環(huán)境的實際應(yīng)用中有很大局限性，攜帶傳感器的主動式RFID標簽更適合車間智能環(huán)境的應(yīng)用。

表1 主動式RFID和被動式RFID對比

從表1中可以看出，無論主動式還是被動式RFID，由于缺乏有效的無線通信協(xié)議支持，都不具備組成網(wǎng)狀或者樹狀拓撲結(jié)構(gòu)的能力[11]。僅依賴星形網(wǎng)絡(luò)甚至終端對終端的網(wǎng)絡(luò)無法滿足車間環(huán)境內(nèi)的通信需求。應(yīng)用802.15.4/Zigbee技術(shù)[13]組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以解決這一問題。通過在主動式RFID標簽上實現(xiàn)802.15.4/Zigbee協(xié)議，滿足車間智能環(huán)境多樣的組網(wǎng)需求。另外，除了攜帶傳感器的主動式RFID標簽，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也具有應(yīng)用于車間智能環(huán)境的潛力。相對于RFID標簽，普通的無線傳感節(jié)點在識別速率上不具有優(yōu)勢，但是依然能夠滿足車間環(huán)境的應(yīng)用需求。

車間智能環(huán)境中計算設(shè)備的硬件需求：(1) 滿足基本繞射要求的通信頻率。(2) 低功耗的射頻傳輸芯片和處理核。(3) 一定的存儲空間。

智能標簽硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，它分為傳感器、無線傳輸、處理核心和電源4部分。確定智能標簽的硬件結(jié)構(gòu)，需要靈活地確定這4個部分的實現(xiàn)方式。

圖2 智能標簽硬件結(jié)構(gòu)

2.3 智能標簽軟件結(jié)構(gòu)

由于智能標簽的運行往往受到有限的硬件資源的限制，所以要求智能標簽的軟件具有較高的運行和處理效率。為了滿足智能標簽定位、識別、網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)協(xié)作處理等一系列需求，本文設(shè)計了一個運用子層結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)各軟件功能的合理組織，向用戶透明地提供系統(tǒng)調(diào)用接口，以查詢的方式獲得局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部協(xié)作處理后的結(jié)果。圖3為智能標簽軟件的總體結(jié)構(gòu)。

2.3.1 查詢模型

傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在最初部署時就確定了數(shù)據(jù)收集的方式，對于車間這種具有復(fù)雜多樣場景信息的環(huán)境，對用戶提出的新的查詢需求進行新的軟件部署會花費大量時間和精力。為了改變這種復(fù)雜、重復(fù)、缺乏靈活性的系統(tǒng)設(shè)計方式，提出以數(shù)據(jù)為中心的方法來改善對無線傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的查詢。在對傳感網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進行收集和處理時，將整個傳感網(wǎng)絡(luò)視為一個大型的分布式數(shù)據(jù)庫，采用對這個數(shù)據(jù)庫進行查詢的方式任意獲取局部環(huán)境內(nèi)的各種傳感信息。采用該方式的目的是對傳感網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的存取、操作與網(wǎng)絡(luò)底層實現(xiàn)分離，用戶及其應(yīng)用程序只需關(guān)心所要提出的查詢和邏輯結(jié)構(gòu)，無需關(guān)心傳感網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)細節(jié)，釋放用戶對底層實現(xiàn)機制的依賴性，簡化了用戶的任務(wù)[14]。

圖3 智能標簽軟件總體結(jié)構(gòu)

本文將類SQL的查詢語句輸入至局部的傳感網(wǎng)絡(luò)環(huán)境以獲取相應(yīng)的信息。如車間中的工程人員在其手持設(shè)備上輸入如下查詢。

該查詢將在應(yīng)用子層被解析，并組成一個查詢命令經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至02號設(shè)備所在區(qū)域的簇頭標簽。簇頭標簽接到解析該查詢命令后即查找該區(qū)域相應(yīng)的攜帶不同傳感器的智能標簽，分別進行傳感數(shù)據(jù)的采集和存儲。最后，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果會交由簇頭標簽。對于需要多個智能標簽協(xié)作完成的查詢?nèi)蝿?wù)，參與任務(wù)的智能標簽將會直接把存儲的數(shù)據(jù)匯總至簇頭標簽，由其進行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理。

2.3.2 查詢管理模塊

應(yīng)用子層中的查詢管理模塊的主要功能為維護和優(yōu)化正在被執(zhí)行的查詢隊列。其主要工作就是合并多個查詢命令，使合并后的傳感采樣任務(wù)能夠滿足所有需要執(zhí)行的查詢命令。如將每10 s間隔的采樣任務(wù)和每5 s間隔的采樣任務(wù)合并為一個采樣間隔為5 s的傳感采樣任務(wù)。但每個查詢?nèi)蝿?wù)都會存放到查詢隊列中便于反饋查詢結(jié)果。通過這種方式對查詢隊列進行優(yōu)化，可以在一定程度上提高實時性。

配合查詢管理模塊完成查詢?nèi)蝿?wù)的還有發(fā)現(xiàn)模塊。當進行涉及局部環(huán)境中更新了的某個傳感器的查詢?nèi)蝿?wù)時，發(fā)現(xiàn)模塊會查找到新的傳感器，并在該區(qū)域的簇頭標簽中更改該區(qū)域的傳感器信息，簡化了更新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)置復(fù)雜程度。

2.3.3 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊進行數(shù)據(jù)存儲和處理，其中數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)收集和融合。車間環(huán)境中的大量場景信息若不加處理地全部進行傳輸，將極大地增加網(wǎng)絡(luò)負擔(dān)。同時由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的能量消耗主要集中在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的收發(fā)[15]，因此針對局部網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)融合不僅能夠有效地減少無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的通信負載，還可以降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功耗，從而延長網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的生命周期。

智能標簽軟件結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)融合模塊會將保存在數(shù)據(jù)區(qū)中的傳感數(shù)據(jù)以不同的收集依據(jù)進行分類、篩選和統(tǒng)計，減少局部網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)的傳輸量。對于采集到和待處理的數(shù)據(jù)，以二元數(shù)組的形式(attribute, value)表示。其中屬性一般指傳感數(shù)據(jù)的種類，如溫度、濕度和光照等。數(shù)據(jù)融合模塊對接收到的大量數(shù)據(jù)按其各自屬性或值所在的區(qū)間進行分類，然后根據(jù)查詢命令的要求求最大、最小值、以及均值或者曲線擬合等簡單的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并得到結(jié)果[16]。在簇樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，配合無線通信協(xié)議中的時間同步功能，在規(guī)定的時槽內(nèi)將數(shù)據(jù)收集的結(jié)果向父標簽反映。

2.3.4 定位識別模塊

車間環(huán)境包括兩點定位需求：第一，確定工程人員在哪臺機器旁邊操作。第二，確定工程人員是否進入了安全警戒區(qū)域或者惡劣操作環(huán)境。第一點定位需求實際上為識別工程。利用車間環(huán)境中安置的大量設(shè)備，通過每臺設(shè)備上的智能標簽和攜帶在工程人員身上的智能標簽的相互識別，確定工程人員的工作區(qū)域。對于第二點需求，本文在特定區(qū)域中布置一定數(shù)量的智能標簽作為參考標簽，通過檢測工程人員攜帶的智能標簽(即定位標簽)和參考標簽之間的通信信號強度RSSI，根據(jù)無線信號衰減模型，估算出工程人員的具體位置。

2.3.5 安全驗證模塊

應(yīng)用子層中的安全驗證模塊實現(xiàn)兩個功能。第一，配合定位識別模塊，具體設(shè)備或者某些危險區(qū)域?qū)ζ涓浇墓こ倘藛T的操作權(quán)限進行驗證。第二，通過查詢工程人員身體網(wǎng)絡(luò)獲得其身體狀況，并據(jù)此驗證該工程人員是否具備進入某個危險區(qū)域或者操作某臺特殊設(shè)備的身體狀況條件。

3 結(jié) 束 語

本文提出了實現(xiàn)車間智能環(huán)境需要面對數(shù)據(jù)量大和多樣性、了解局部區(qū)域狀況時的透明性、設(shè)備操作和人員的安全性問題的挑戰(zhàn)。經(jīng)過比較分析認為攜帶傳感器的主動式RFID標簽適合實現(xiàn)車間智能環(huán)境的智能標簽的硬件結(jié)構(gòu)，并通過智能標簽軟件結(jié)構(gòu)應(yīng)用子層中的各個模塊解決以上提出的問題。

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WSN-Based Smart Badge for Workshop Intelligent Environment

ZHOU Yan

(Mobile Computing Center, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

Wireless sensor networks used in intelligent environment faces problems such as large,heterogeneous data in radio channels and higher transparency requirement of accessing a local area. With these problems above and the reality of workshop intelligent environment applications, this paper presents a novel WSN-based smart badge, and depicts its hardware demands and software architecture, which contains a application sublayer that provides functional interfaces of querying management, data management, localization and identification and security authorization to upper layer applications.

intelligent environment; middleware; smart badge; wireless sensor networks

TP918.91

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.z1.023

2009 ? 11 ? 15

中加政府間科技合作基金(2009DFA12100)；國家自然科學(xué)基金(60674077)

周 焱(1985 ? )，男，碩士生，主要從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究.

編 輯 稅 紅