王 林，姜 杰

(西安理工大學自動化與信息工程學院,陜西 西安 710048)

無線傳感器網(wǎng)絡中間件技術研究綜述*

王 林，姜 杰

(西安理工大學自動化與信息工程學院,陜西 西安 710048)

無線傳感器網(wǎng)絡在受到廣泛應用與關注的同時，由于網(wǎng)絡復雜度及網(wǎng)絡應用的增加，普遍存在缺乏統(tǒng)一開放接口的問題。針對無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構及特點，介紹無線傳感器網(wǎng)絡中間件技術概念，在全面分析中間件面臨的問題與挑戰(zhàn)的基礎上，比較幾種不同設計方法，并且通過典型實例在幾個重要性能參數(shù)方面進行了對比。最后在中間件QoS機制模型方面提出了一種改進方法。

無線傳感器網(wǎng)絡；中間件技術；設計方法；QoS機制

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡WSN(Wireless Sensor Network)作為最新一代傳感器網(wǎng)絡[1]已演進成為集信息采集、處理和傳輸于一體的綜合智能信息系統(tǒng)，在環(huán)境監(jiān)測、軍事、醫(yī)療、商業(yè)等領域發(fā)展迅速，是當今科研的重點之一。

無線傳感器網(wǎng)絡從高層應用到底層基礎硬件，各層之間具有獨立層次，從數(shù)據(jù)鏈路，到路由選擇，到數(shù)據(jù)表示，到功能應用，構成一個完整的無線傳感器網(wǎng)絡應用。無線傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點資源有限、數(shù)量龐大、應用層次不一，且節(jié)點運行操作系統(tǒng)與應用不能超過系統(tǒng)資源承受范圍，中間件技術可以實現(xiàn)多種應用的融合，減少由不同應用及網(wǎng)絡異構性所產(chǎn)生的系統(tǒng)開銷。無線傳感器網(wǎng)絡中間件[2]能夠向用戶提供一個標準平臺，把分散的系統(tǒng)有機地組合起來，實現(xiàn)應用軟件系統(tǒng)的集成。

本文主要討論無線傳感器網(wǎng)絡中間件研究現(xiàn)狀及現(xiàn)有設計方法，對現(xiàn)有多種典型中間件設計方案從能耗、可靠性、可擴展性、易用性等多方面進行比較；提出了一種改善服務質(zhì)量QoS(Quality of Service)中間件機制，并對其設計思想、體系結(jié)構及工作過程進行了論述。

2 無線傳感器網(wǎng)絡中間件概述

當今無線傳感器網(wǎng)絡具有諸多特點：首先，節(jié)點的體積小，設備存儲能力有限。其次，節(jié)點自身的移動、電池耗盡受環(huán)境影響。再次，網(wǎng)絡的構成一般有成百上千個節(jié)點，人工部署與維護的可實現(xiàn)性較小，需要網(wǎng)絡自身配置與維護。網(wǎng)絡往往由體系結(jié)構、計算能力、存儲能力、能量級別各不相同的異構節(jié)點組成，設計網(wǎng)絡時要考慮異構性問題。無線傳感器網(wǎng)絡中間件是處于操作系統(tǒng)軟件與用戶應用軟件：是一種分布式處理軟件，在操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫之上，應用軟件之下，向上提供分布式服務，增強應用開發(fā)。無線傳感器網(wǎng)絡中間件在整個WSN中的作用如圖1所示。

Figure 1 Structure model of WSN middleware圖1 WSN中間件系統(tǒng)功能結(jié)構圖

3 無線傳感器網(wǎng)絡中間件面臨的問題與挑戰(zhàn)[3]

(1) 資源有限問題。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點微小、能量有限、數(shù)量龐大、部署環(huán)境復雜，這就要求運行在節(jié)點上的中間件都必須具備節(jié)能性和高效性，盡最大努力地延長無線傳感器網(wǎng)絡的生命周期，還要為處理器與存儲器的有效利用提供一定的機制，使其能夠在低功耗狀態(tài)下通信。

(2) 可擴展性、移動性及網(wǎng)絡拓撲。可擴展性要求當網(wǎng)絡中的應用增加時，需要在保證對網(wǎng)絡性能無影響的前提下，能足夠靈活地處理增加的應用。無線傳感器網(wǎng)絡是動態(tài)自組網(wǎng)，網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構會由于諸多因素而頻繁地改變。中間件需要提供適應拓撲變化的算法集，使網(wǎng)絡能夠最大化地適應各種拓撲結(jié)構變化、支持各種路由協(xié)議、支持容錯機制及傳感器節(jié)點的自配置和自我維護。

(3) 服務質(zhì)量QoS。在無線傳感器網(wǎng)絡中的QoS有兩方面的含義：一是指無線傳感器網(wǎng)絡中應用的專用參數(shù)，如節(jié)點測量、擴展、動態(tài)節(jié)點數(shù)量等；二是指輔助通信網(wǎng)絡如何有效利用帶寬、功耗等參量指標來滿足應用需求，并且能適應QoS需求的改變。

(4) 安全性。無線傳感器網(wǎng)絡中間件技術需要確保中間件的所有功能正常執(zhí)行，同時還需要考慮數(shù)據(jù)交互和傳輸?shù)陌踩詥栴}。

4 無線傳感器網(wǎng)絡中間件設計方法與比較

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡中間件設計方法

為了使無線傳感器網(wǎng)絡中間件更加有效地在任務與網(wǎng)絡中間實現(xiàn)交互、任務分解、節(jié)點間協(xié)同、數(shù)據(jù)處理、異構抽象等各種機制，許多學者提出了不同的設計方案。文獻[4]提出從編程模型劃分，無線傳感器網(wǎng)絡中間件可分為編程抽象和編程支持。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡中間件的底層編程方式，可將設計方法分為以下七類：

(1) 基于虛擬機的中間件。該方法包含虛擬機、翻譯器以及移動代理，具有靈活性，提供靈活方便的編程接口。典型實例有Maté[5]、Magnet[6]等。Maté能夠?qū)SN的變化提供更好的自適應和交互性，使網(wǎng)絡能夠動態(tài)、靈活和方便地重配置。Magnet使用Java虛擬機，解決WSN的異構性問題，自動分割和分配應用程序代碼到網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點，減少通信開銷。

(2) 基于移動代理的中間件。Impala[7]是支持模塊化、具有可維護性的基于移動代理的中間件。它基于事件驅(qū)動，為應用提供以編程接口,并能使輕量級系統(tǒng)層管理應用程序的動態(tài)自適應。DSware[8]位于應用層與網(wǎng)絡層之間，為應用提供數(shù)據(jù)為中心的、基于組結(jié)構的實時事件檢測服務。

(3) 基于數(shù)據(jù)庫的中間件。此類方法將整個網(wǎng)絡看作一個虛擬數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，為用戶提供易用的接口，用查詢語句獲得所需的數(shù)據(jù)。常見的實例有Cougar[9]、SINA[10]、TinyDB[11]。Cougar為用戶提供分布式數(shù)據(jù)庫查詢接口，使用查詢方式進行管理操作，將WSN中的節(jié)點劃分為簇，形成簇并確定簇頭；SINA使用基于屬性的命名機制和位置感知機制，傳輸協(xié)議利用位置信息限制了地理位置鄰近的相似信息的重復發(fā)送，節(jié)約了能量。TinyDB是傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)管理中間件系統(tǒng)，為用戶提供易用、簡潔、類SQL的應用接口。

(4)基于應用驅(qū)動的中間件。該方法允許程序員根據(jù)應用請求調(diào)整網(wǎng)絡，應用程序指定感興趣的某種特定的狀態(tài)變化，節(jié)點檢測到此事件的發(fā)生就立即向相應程序發(fā)送通知。典型的實例有MiLAN[12]和TinyCubus[13]。MiLAN為高層提供面向應用的接口，將無線傳感器網(wǎng)絡中的應用具體到各個應用的定量需求并能夠調(diào)整網(wǎng)絡特性來增加應用壽命。TinyCubus開發(fā)了通用重配置系統(tǒng)架構，提供靈活、自適應的數(shù)據(jù)管理組件，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和應用程序需求進行最佳選擇。

(5) 面向消息的中間件。該方法使用發(fā)布/訂閱機制來方便從節(jié)點到Sink節(jié)點的消息交換。其特點在于支持異步通信。典型的實例有Mires[14]。Mires提出適用于WSN應用的異步通信模式，使用的發(fā)布/訂閱模式中僅發(fā)送與訂閱Topic相關的消息，減少發(fā)送數(shù)量從而節(jié)省能耗。

(6) 基于元組空間的中間件。元組空間概念來源于Linda[15]結(jié)構，通過對元組的讀、寫和移動實現(xiàn)進程的協(xié)同。其通信范式不需要節(jié)點的位置或標志信息，非常適合具有移動特性的WSN。典型的實例有Tinylime[16]和Agilla[17]。Tinylime是

基于LIME[18]的數(shù)據(jù)共享型中間件,將其擴展為專屬傳感器網(wǎng)絡的中間件組件，能夠有效地處理有關功耗以及中間件組件運算資源有限等問題。Agilla核心組件包括代理管理器、上下文管理器、指令管理器和遠程元組空間操作管理器及協(xié)調(diào)引擎。

(7) 其他類型中間件。以上六種均為編程支持型中間件。編程抽象型中間件又分為本地狀態(tài)和宏編程兩種設計方法。本地狀態(tài)典型中間件有EnviroTrack[19]；宏編程典型中間件有Kairos[20]。EnviroTrack適用于嵌入式跟蹤應用中，采用以數(shù)據(jù)為中心的編程范例，能夠為應用程序開發(fā)人員提供健壯的程序接口。Kairos允許程序設計者將本地狀態(tài)表示為本地節(jié)點能夠處理的子程序。

4.2 典型中間件比較

國內(nèi)外學者提出了多種WSN中間件設計方法，如何評價中間件的優(yōu)劣需要與相關應用聯(lián)系起來。表1從能耗、可擴展性等八個方面進行比較[4,21]。表1中，Y表示支持，Y-表示部分支持，N表示不支持或者支持較差。

Table 1 Comparison of typical WSN middleware表1 WSN典型中間件的比較

5 一種中間件改善QoS機制模型

QoS支持由于其獨有的特征和一些限制，并不能夠直接應用于無線傳感器網(wǎng)絡中，但可以利用中間件來達到無線傳感器網(wǎng)絡的QoS支持[22]。由表1可以看出，這些典型中間件雖然在某方面都有其各自的優(yōu)越性，但支持QoS(服務質(zhì)量)的中間件較少。網(wǎng)絡層對于QoS參數(shù)要求限于數(shù)據(jù)包延遲、抖動、損耗、帶寬、吞吐量、差錯檢測、精確度以及等待時間；而對于中間件與應用層的QoS參數(shù)要求主要是精確度、數(shù)據(jù)融合時延以及保證系統(tǒng)壽命的傳感器節(jié)點最佳數(shù)量。

傳感器節(jié)點分為三類：普通傳感器節(jié)點、Sink節(jié)點和簇頭節(jié)點。普通節(jié)點是數(shù)據(jù)源，處于最底層，負責感知環(huán)境并產(chǎn)生數(shù)據(jù)。簇頭節(jié)點由若干個普通節(jié)點組成，位于中間層，攜帶簇成員的信息，提供服務并能夠完成中間件的一些運算。Sink節(jié)點位于最高層，為用戶應用與無線傳感器網(wǎng)絡提供接口服務。Sink節(jié)點攜帶了所有傳感器節(jié)點信息及其服務信息。這三類節(jié)點的關系如圖2所示。

Figure 2 Relationship of all nodes layers圖2 節(jié)點層次關系圖

根據(jù)文獻[22]中的概念和范例，本文提出一種改善QoS機制模型，前提是每個節(jié)點上都有一個時間模塊來保證該機制中的時間同步。該模型針對事件驅(qū)動模式給出較為合理的通信范例，能夠改善無線傳感器網(wǎng)絡異步通信等方面。該主動型網(wǎng)絡模型中，節(jié)點周期性地檢測并發(fā)送感知數(shù)據(jù)，適合于有較高精度或?qū)崟r性較強的應用。

該中間件機制包含了兩個階段：配置階段和運行階段。在配置階段，網(wǎng)絡形成了基于簇的結(jié)構，每個普通節(jié)點將自身的傳感器類型及能耗指標信息發(fā)送給簇頭節(jié)點，由簇頭將這些信息發(fā)送給Sink節(jié)點。簇頭提取時間戳，忽略節(jié)點的能耗等信息，計算出普通節(jié)點到簇頭的延時，并將結(jié)果存儲在本地存儲器中。

針對每種服務，簇頭計算出最大時延與最小時延，僅將結(jié)果發(fā)送給Sink節(jié)點。這個過程減少了消息傳送量，從而降低能耗。在濾選信息到達Sink節(jié)點之前，簇頭還要生成其成員信息。在Sink節(jié)點和簇頭中僅使用本地信息。Sink節(jié)點提供WSN服務信息、各服務的最大、最小時延以及能耗信息。簇頭及Sink節(jié)點中的偵聽組件可將不同區(qū)域內(nèi)的傳感器類型冗余信息應用到容錯機制中，當網(wǎng)絡中某些部分出現(xiàn)故障時，其他區(qū)域能夠提供相同的服務，因此亦能提高WSN的可靠性。

在本模型中，包含了五個主要模塊：興趣分析器、興趣調(diào)度及策略生成器、興趣選擇器、偵聽、任務調(diào)度。如圖3所示，利用Sink節(jié)點和簇頭節(jié)點中的本地信息來改善無線傳感器網(wǎng)絡的QoS。

Figure 3 Diagram module of improved QoS mechanism圖3 改進QoS機制框圖

在運行階段，該機制模型的組件分為以下部分：

(1)Sink節(jié)點負責接收用戶應用提出的傳感器網(wǎng)絡的興趣，將該興趣分類，如溫度、時間、濕度等信息，分配給傳輸該服務的傳感器節(jié)點。通常而言，大多數(shù)分配興趣的方法都是利用廣播信息將興趣分配給普通節(jié)點，但是這種方法會產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡通信量和能耗。本機制提出Sink節(jié)點興趣分析組件，利用Sink中的本地信息進行對比分析后，將分類后的興趣分配給興趣調(diào)度及策略生成組件。

(2)興趣調(diào)度及策略生成組件。它根據(jù)興趣分析器分析出的分類結(jié)果生成策略，并選擇性地分配給各簇頭節(jié)點。

(3)興趣選擇組件。存在于簇頭中，以最小傳輸時延將特定興趣分配給普通節(jié)點，力求達到最小能耗。

(4)偵聽組件位于簇頭中，用于偵聽普通節(jié)點工作正常與否、網(wǎng)絡剩余能量等。

(5)調(diào)度組件存在于簇頭和Sink節(jié)點中，用來平衡能耗和普通節(jié)點的工作，調(diào)度高優(yōu)先級的文本。

如果多個Sink節(jié)點有不同的QoS需求，興趣分析組件首先給興趣分配一個Sink Identifier標示符，該標示符是一組序列號。興趣分析器將通過查詢篩選Sink Identifier將興趣送到Sink節(jié)點的調(diào)度及策略生成器中，由該組件分析序列號類別、路由策略，選擇相應的簇頭，由選中的簇頭將該興趣發(fā)送到整個網(wǎng)絡中。

除了在任務層上使用興趣分析外，還在應用層上使用Topic表達應用，一個應用可以有多個Topic。Topic語法結(jié)構定義如：

Topic〈Application〉[〈Application〉〈Application〉…]〈Ttype〉〈Tcont〉[〈Tcont〉…]

其中，Application是應用名；Ttype表示Topic類型；Tcont表示Topic具體內(nèi)容，在該結(jié)構模型中就是節(jié)點接收到的興趣。

普通節(jié)點產(chǎn)生信息數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送給簇頭，還將自身的剩余能量信息同時發(fā)送出去。簇頭的偵聽組件檢測信息，當其檢測到普通節(jié)點剩余能量下降時，簇頭更新其本地信息。當其剩余能量低于某閾值時，通知Sink節(jié)點。

Sink節(jié)點的偵聽組件收到來自簇頭的通知信息，如果得知某簇頭節(jié)點剩余能量低于某臨界值，偵聽組件將告知興趣調(diào)度及策略生成組件，進而將興趣分配給其他區(qū)域。該過程中，Sink節(jié)點需要周期性地偵聽簇頭信息以獲取最新消息，由此Sink節(jié)點可得知哪些節(jié)點已壞死。這對于傳統(tǒng)的由簇頭和普通節(jié)點告知Sink節(jié)點能量信息的方法在QoS方面會有極大的改善。

當多個Sink節(jié)點同時周期偵聽時，將更新信息相互發(fā)送會造成過多開銷，因此要求Sink節(jié)點在偵聽到壞死節(jié)點信息后立即通知其他Sink節(jié)點，避免消息在網(wǎng)絡中反復發(fā)送帶來資源浪費。

6 結(jié)束語

本文在全面介紹無線傳感器網(wǎng)絡中間件的概念和典型實例基礎上，提出一種改善QoS的無線傳感器網(wǎng)絡中間件結(jié)構。在該結(jié)構中，QoS需求被壓縮到興趣消息中，并利用分簇結(jié)構保障興趣消息按時發(fā)送到Sink節(jié)點及用戶應用中。由于該機制在傳輸消息決策時利用了本地信息，因此具有可擴展性。該機制能夠在網(wǎng)絡配置階段將興趣信息發(fā)送給特定節(jié)點，因而減少了發(fā)布無關興趣的開銷。然而，隨著無線傳感器網(wǎng)絡以及物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡中間件的設計將面臨更多的挑戰(zhàn)，在實時性、QoS保障等方面，需要進一步對操作系統(tǒng)以及網(wǎng)絡層進行研究。

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WANGLin,born in 1963,PhD,professor,his research interest includes wireless sensor network applications.

姜杰(1984-),女,陜西咸陽人，碩士生，講師，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡應用。E-mail:cnjiangjie@yahoo.com.cn

JIANGJie,born in 1984,MS candidate,lecturer,her research interest includes wireless sensor network applications.

Researchonmiddlewareforwirelesssensornetwork

WANG Lin,JIANG Jie

(School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,China)

Wireless sensor networks are widely used and attract more attention, but have the problem of lack of a unified open interface due to the increase of network complexity and network applications. In view of the structure and characteristics of wireless sensor networks, the concept of wireless sensor network middleware technologies is introduced. Based on the comprehensive analysis of problems and challenges confronted by the wireless sensor network middleware, several concrete middleware design approaches are presented, and several typical instances of middleware are compared in some important performance parameters such as QoS support, reliability, mobility, etc. Finally, an improved method in the QoS mechanism of middleware is proposed.

wireless sensor network;middleware technology;design approaches;QoS mechanism

2012-08-29;

：2012-12-04

1007-130X(2014)02-0244-06

TP212

：A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.02.010

王林(1963-),男,江蘇東臺人，博士，教授，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡應用。E-mail:wanglin@xaut.edu.cn

通信地址：710048 陜西省西安市西安理工大學自動化與信息工程學院Address:School of Automation and Information Engineering,Xi’an University of Technology,Xi’an 710048,Shaanxi,P.R.China