張新華，李 紅

ZHANG Xin-hua1, LI Hong2

（1. 商丘師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，商丘 476000；2. 阜陽師范學(xué)院 經(jīng)濟(jì)與商業(yè)學(xué)院，阜陽 236041）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)（IOT）是連接世界各地異構(gòu)設(shè)備的范式，這些設(shè)備包括家電、車輛、道路和智能材料等，它們被通過互聯(lián)網(wǎng)來尋址和管理[1]。網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的成功部署和管理非常關(guān)鍵。網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是一個(gè)集硬件和軟件于一身的網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體，具體來說有路由器、交換機(jī)、網(wǎng)關(guān)和其他網(wǎng)絡(luò)單元，傳統(tǒng)方法（如電信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)）管理物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，由于其有限的帶寬和傳輸距離的限制，使得傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理非常困難，一些基本問題如配置、控制等不可能手動(dòng)管理，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)非常有必要。但至今為止，仍然沒有任何的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)(SNMS）的網(wǎng)管標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文的研究重點(diǎn)是研究SNMS中的一些基本問題，并為SNMS提供一個(gè)良好的體系結(jié)構(gòu)。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理

1.1 SNMS協(xié)議

簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議 (SNMP)的前身是簡單網(wǎng)關(guān)監(jiān)控協(xié)議(SGMP)，用來對(duì)通信線路進(jìn)行管理。隨后，人們對(duì)SGMP進(jìn)行了很大的修改，特別是加入了符合Internet定義的SMI和MIB體系結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的協(xié)議就是著名的SNMP[2,3]。SNMP的目標(biāo)是管理互聯(lián)網(wǎng)Internet上眾多廠家生產(chǎn)的軟硬件平臺(tái)。

傳感器網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（sNMP）是一種管理，它定義了代表網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前狀態(tài)的傳感器模型，并定義了各種網(wǎng)絡(luò)管理功能。sNMP為檢索網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息提供執(zhí)行算法和執(zhí)行工具[4]。在當(dāng)今文獻(xiàn)中有許多傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理協(xié)議和架構(gòu)，它們基于多個(gè)不同方面如：網(wǎng)絡(luò)健康監(jiān)測、故障檢測、擁塞避免、電源管理和資源管理等。通用網(wǎng)絡(luò)管理層協(xié)議的開發(fā)是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的研究課題，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說仍是一個(gè)未知領(lǐng)域[5]。

1.2 WSN的架構(gòu)

管理一個(gè)廣泛的基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)，需要節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)靈活，并且適應(yīng)于網(wǎng)關(guān)所管理的簇節(jié)點(diǎn)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期、采樣率、響應(yīng)時(shí)間都略有不同，所以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)必須足夠靈活以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。此外，傳感器結(jié)構(gòu)應(yīng)該是便于集成和盡量輕便，因此，在高效率的前提下，設(shè)備需要進(jìn)行硬件和軟件的模塊化設(shè)計(jì)。為了滿足生存周期長的要求，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)必須足夠牢固，但由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)的電路面積和計(jì)算能力有限，所以它的結(jié)構(gòu)必須進(jìn)過特殊化設(shè)計(jì)。任何典型的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用都可分成六塊：感知、處理、產(chǎn)生感知數(shù)據(jù)、發(fā)送感知消息、無線電接受與發(fā)送。

以下為物聯(lián)網(wǎng)中傳感器設(shè)備的典型特征：

1）主元件中包含基于事件驅(qū)動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。

2）節(jié)點(diǎn)應(yīng)支持標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，如硬件加速等以提升性能。

3）節(jié)點(diǎn)為特殊應(yīng)用而優(yōu)化。

4）在網(wǎng)關(guān)處進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和過濾，以增加節(jié)點(diǎn)的續(xù)航時(shí)間。

5）節(jié)點(diǎn)必須以低級(jí)別來命名，以減少通信開銷。

6）因?yàn)殡娫词莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)的主要要求，并且電源效率取決于節(jié)點(diǎn)上的軟件，所以應(yīng)該有一個(gè)分析協(xié)議來分析電源需求，以控制各種軟件應(yīng)用。

按照以上特征來設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)，可以降低傳感器網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜度和處理開銷。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)完成以后，下一個(gè)挑戰(zhàn)就是設(shè)計(jì)一個(gè)高效智能的網(wǎng)關(guān)來處理不同傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

近來，在傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的創(chuàng)新成為一個(gè)熱點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡(luò)之間的一個(gè)共同的需求就是：一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)連接到它們的遠(yuǎn)程傳感器。監(jiān)測應(yīng)用中的網(wǎng)關(guān)有一些常見任務(wù)，如：處理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的原始數(shù)據(jù)、管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高效數(shù)據(jù)庫、向遠(yuǎn)程用戶傳送監(jiān)測數(shù)據(jù)、幫助使用者操縱傳感器節(jié)點(diǎn)、故障檢測和告警用戶。這些功能的共性使得設(shè)計(jì)通用網(wǎng)關(guān)平臺(tái)成為可能。同樣重要的是網(wǎng)關(guān)的低功耗，這個(gè)有利于所有的部署。我們進(jìn)行了一個(gè)小實(shí)驗(yàn)來尋找傳感器節(jié)點(diǎn)的能量消耗。實(shí)驗(yàn)裝置包括兩個(gè)兼容IEEE802.15.4的無線模塊：德州儀器的CC2430。這兩個(gè)天線是接地的四分之一波長單極天線。其中一個(gè)模塊預(yù)先設(shè)置為發(fā)送數(shù)據(jù)模式，數(shù)據(jù)包的大小是20字節(jié)，100毫秒的傳輸時(shí)間間隔。第二個(gè)模塊設(shè)置為接收模式，連接到一臺(tái)PC主機(jī)，其存儲(chǔ)有從發(fā)射模塊接收到的消息的相應(yīng)RSSI值，測量結(jié)果如表1所示。

表1 通信節(jié)點(diǎn)的能量損耗

從測量結(jié)果可以看出，節(jié)點(diǎn)在傳送與接受數(shù)據(jù)時(shí)消耗更多能量、處理數(shù)據(jù)時(shí)也要消耗相當(dāng)一部分能量。當(dāng)有更多的設(shè)備需要監(jiān)測和控制時(shí)，如我們能對(duì)此作出改良，那么就可以以提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的續(xù)航時(shí)間。

圖1描述了該軟件的架構(gòu)，若將它用于網(wǎng)關(guān)，則可以有更高的效率和更少的能量損耗。

圖1 傳感器網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

2 傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的可行性研究

如上節(jié)所述，一個(gè)好的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)開銷更少，能量消耗也更低。在本節(jié)中，我們做一個(gè)詳細(xì)分析，從已有的傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中選取設(shè)計(jì)最佳SNMS?，F(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)管理不能被直接應(yīng)用于SNMS，本節(jié)先研究了已有的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（NMS），以便設(shè)計(jì)一個(gè)好的SNMS。一個(gè)典型的NMS結(jié)構(gòu)為一個(gè)三層系統(tǒng)：NMS，網(wǎng)元管理系統(tǒng)（EMS），分布的網(wǎng)元；這就需要它們之間有一個(gè)協(xié)議來進(jìn)行上下層之間的通信。一些用于 NMS和 EMS通 信 的 接 口 有：sNMP，CORBA，Socket，串行接口等等。雖然已經(jīng)有一些協(xié)議可用于不同層之間的信息交換，但是他們還需精簡。最為突出的是傳感器建模語言，即sensorML（由美國宇航局提出）：基于XML標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)、處理和定位傳感器。這種類型的接口可用于EMS和傳感器節(jié)點(diǎn)之間，兩個(gè)無線設(shè)備間的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)接口是6LOWPAN，其傳感器節(jié)點(diǎn)具有IPV6地址，802.15.4的數(shù)據(jù)被壓縮和封裝成IPv6格式。SNMS的設(shè)計(jì)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所使用的接口或協(xié)議，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中廣泛使用的一些協(xié)議有：ZigBee，WHART，MIWI等。

3 異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1 整體SNMS架構(gòu)

基于前文所述，我們提出的“異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)管理”由五部分組成：傳感器用戶接口管理(SUIM)、傳感器安全管理(SSM)、傳感器網(wǎng)絡(luò)配置管理(SNCM)、傳感器節(jié)點(diǎn)管理(SNM)和網(wǎng)關(guān)管理(GM)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 異構(gòu)SNMS結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)支持異構(gòu)WSN管理，這對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)是最優(yōu)的，因?yàn)楸镜芈?lián)網(wǎng)的設(shè)備可以通過它們自己的接口與外界相連。各管理層的功能如圖2所示。SUIM可以管理用戶方系統(tǒng)的傳感器顯示、用戶認(rèn)證和上下文相關(guān)查詢處理。SSM提供安全管理功能如：1)傳感器的物理安全：傳感器被移動(dòng)或被盜竊時(shí)通知用戶；2)數(shù)據(jù)防篡改；3)傳感器驗(yàn)證：任何接入到網(wǎng)絡(luò)中的傳感器都必須先通過認(rèn)證管理進(jìn)行認(rèn)證，然后再發(fā)揮在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)功能。SNCM處理網(wǎng)絡(luò)配置、拓?fù)涔芾?、?shù)據(jù)采集調(diào)度和傳感器電源管理。SNM負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)新的傳感器、配置傳感器，發(fā)現(xiàn)故障、傳感器數(shù)據(jù)庫同步和傳感器的據(jù)處理。GW負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)配置、網(wǎng)關(guān)成極和SNMS與網(wǎng)關(guān)間的接口。另外，它還要負(fù)責(zé)產(chǎn)生管理傳感器和時(shí)間通知處理的命令，它能夠同時(shí)處理如SNMP，CORBA等的異構(gòu)接口。

通過以上討論可知這種結(jié)構(gòu)不同種類的管理。這就需要不同的信息結(jié)構(gòu)來處理這些管理事務(wù)，在下節(jié)中我們將討論各種接口和管理事務(wù)的消息格式。

3.2 SNMS的接口、消息和流

1）接口

SNMS管理所提出的5層可歸結(jié)為三大部分：用戶核心、SNSM核心和網(wǎng)關(guān)核心。用戶核心具有用戶接口管理操作。SNMS核心包括SSM、SNCM和SNM；網(wǎng)關(guān)核心具有網(wǎng)關(guān)管理組件。除了網(wǎng)關(guān)核心，其他核心還有一個(gè)連接數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的接口。網(wǎng)關(guān)核心和網(wǎng)關(guān)之間可通過標(biāo)準(zhǔn)接口 如 SNMP，CORBA，COM / DCOM等 進(jìn) 行 通信，為簡便起見，假設(shè)接口為SNMP，各個(gè)核心之間的接口用來進(jìn)行進(jìn)程通信，如消息隊(duì)列、信號(hào)和共享內(nèi)存，核心可以分散開來或者集中于單一服務(wù)器。

2）信息結(jié)構(gòu)

以下四個(gè)基本信息類型專為SNMS的順利運(yùn)行而設(shè)計(jì)：

（1）命令消息幀；

（2）Name-Value幀；

（3）傳感器同步消息幀；

（4）傳感器事件報(bào)告信息幀。

命令信息幀（圖3a）有五個(gè)部分：事務(wù)ID、網(wǎng)關(guān)ID、傳感器ID、命令和輸入?yún)?shù)。

圖3 幀結(jié)構(gòu)

Name-value幀（圖3b）使用單一命令就可以配置傳感器的多個(gè)參數(shù)，有三個(gè)部分：長度、Name和value。

傳感器同步消息幀（圖3c）用來同步SNMS和網(wǎng)關(guān)之間的傳感器信息。網(wǎng)關(guān)以下的傳感器數(shù)據(jù)量非常大，所以無法一次將所有數(shù)據(jù)傳送給NSM，所以要分幀傳送；該幀有六個(gè)部分：事務(wù)ID、網(wǎng)關(guān)ID、長度、傳感器ID、傳感器數(shù)據(jù)和結(jié)束標(biāo)志。

傳感器事件報(bào)告信息幀（圖3d）用來處理傳感器傳向SNMS的事件報(bào)告，有六個(gè)部分組成：事件ID、網(wǎng)關(guān)ID、傳感器ID、事件類型、事件數(shù)據(jù)和時(shí)刻。

隨著物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的日益復(fù)雜，傳統(tǒng)的人工管理方式將無法勝任復(fù)雜物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理，這將阻礙新服務(wù)和新應(yīng)用的產(chǎn)生，但如果系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)如自主管理，自主修復(fù)和自主配置，那么這種問題將迎刃而解。更高可靠性和更強(qiáng)適應(yīng)性的智能自主管理系統(tǒng)正在發(fā)展，分布式智能合作方式是這個(gè)方向的趨勢。復(fù)雜無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)管理優(yōu)勢日益凸顯，對(duì)認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的廣泛研究也正在進(jìn)行。多種架構(gòu)方案正在被探索研究，如集中代理，分層代理，還如控制機(jī)制，如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與控制代理端的基于策略的仿生自動(dòng)控制環(huán)。

圖4 簡化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 自動(dòng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)

根據(jù)以上所講述的相關(guān)概念，一個(gè)簡化的SNMS自主管理結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成一個(gè)智能控制環(huán)，通過環(huán)境參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，應(yīng)用關(guān)系等在網(wǎng)絡(luò)級(jí)來優(yōu)化控制策略。它包括一個(gè)優(yōu)化核心，通過一個(gè)合適的SNMS協(xié)議來訪問網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，然后用優(yōu)化引擎來計(jì)算控制參數(shù)，其目的是滿足最佳意義上的制約策略。策略將指定制約因素，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、成員控制和安全設(shè)置等。簡化設(shè)計(jì)如圖4所示。

5 結(jié)束語

傳感器網(wǎng)絡(luò)的流暢管理是非常有必要，它同時(shí)也延長了傳感器節(jié)點(diǎn)的生存時(shí)間，這就要求其有標(biāo)準(zhǔn)的管理功能，標(biāo)準(zhǔn)的消息格式和標(biāo)準(zhǔn)的接口類型。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文提出了一個(gè)很好的異構(gòu)自優(yōu)化SNMS架構(gòu)框架，這方面的研究正在廣泛進(jìn)行中，以設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)自重構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

[1] 項(xiàng)有建. 沖出數(shù)字化: 物聯(lián)網(wǎng)引爆新一輪技術(shù)革命[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2010.

[2] 陳晨, 高新波. 一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性支持自適應(yīng)MAC協(xié)議[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 37(2): 279-284.

[3] 李法慶, 孫友偉. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換[J]. 西安郵電學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, 15(3): 68-71.

[4] 高志剛, 陸慧娟. 物聯(lián)網(wǎng)硬實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中可調(diào)度性分析方法的研究[J]. 電信科學(xué), 2012, 24(1): 92-96.

[5] 謝秀穎, 邵珠虹. 基于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)融合的空調(diào)故障診斷系統(tǒng)及方法[J]. 計(jì)算及應(yīng)用研究, 2012, 29(2): 565-568.