辛慶正（天津市標準化研究院）

無線傳感網(wǎng)絡標準體系框架研究

辛慶正（天津市標準化研究院）

隨著集成電路、半導體技術的高速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的應用領域越來越廣，而無線傳感網(wǎng)絡是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，也是物聯(lián)網(wǎng)應用的開端。一切初始信息都是由無線傳感網(wǎng)絡來完成采集的，可謂是物聯(lián)網(wǎng)的重中之重。論文通過分析國內外相關標準現(xiàn)狀，提出了無線傳感網(wǎng)絡標準體系框架。通過提出這一框架，對我國無線傳感網(wǎng)絡建設和在此基礎上合理有效地開展相關研究工作具有重要的指導意義。

無線傳感 物聯(lián)網(wǎng) 標準體系

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN），簡單說來，就是在監(jiān)測區(qū)域內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)絡系統(tǒng)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內被感知對象的信息，并發(fā)送給監(jiān)測端。

為了更進一步地降低成本，擴大應用，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)模效益，WSN必須實現(xiàn)標準化，這樣出自不同生產廠商的產品能夠在同一網(wǎng)絡下協(xié)同工作，實現(xiàn)無線傳感設備的互換性和互操作性。該網(wǎng)絡建設、管理和維護的標準化，是物聯(lián)網(wǎng)技術應用的開端，是智能領域的基礎支撐。因此，探索建立一套完整、科學、層次分明的無線傳感網(wǎng)絡標準體系框架對于物聯(lián)網(wǎng)標準體系具有重要意義。

2 國內外現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

在智能傳感器方面，國際電工委員會標準管理局（IEC/SMB）于2009年9月16日在SMB/4010A/ DC文件中更新了17項IEC潛在新技術領域的內容，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是半導體器件標準化技術委員會，目前下設SC 47A（集成電路標準化分技術委員會）、SC 47D（半導體器件封裝標準化分技術委員會）和SC 47E（半導體分立器件標準化分技術委員會）3個分技術委員會，委員會和分技術委員會下面均有工作組。IEC/TC 47的國內對口單位是全國半導體器件標準化技術委員會。

2.2 國內現(xiàn)狀

目前，我國傳感器直接相關的技術標準共有400多個，分散在各個領域，包括船舶、安全、地震、城建、電力、機械、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，對于單個設備及通用技術條件有具體的標準，但形成不了系統(tǒng)的體系框架幫助構建完整的無線傳感網(wǎng)絡。而且對于標準體系框架的研究也不多，并不能指導無線傳感行業(yè)大規(guī)模應用及相關技術的發(fā)展。鑒于此，建立能夠讓無線傳感網(wǎng)絡協(xié)調、高效運轉的標準體系框架顯得尤為重要。

3 無線傳感網(wǎng)絡體系框架構建

3.1 構建原則

（1）前瞻性。根據(jù)現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡以及新研發(fā)的相關技術，結合目前無線傳感網(wǎng)絡的實施情況，將相關的影響因素納入研究范圍，預測在以后的應用過程中可能出現(xiàn)的問題，將這些問題總結形成一個個標準體系框架中的模塊。

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

（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，嚴格控制每個問題的邊界。

3.2 體系框架結構

在環(huán)境評方面，雖然中國已經(jīng)制定了相關的法律法規(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)濟利益，不重視環(huán)境影響保護，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)，他們的生產方式是更廣泛，未采取有效措施防治污染造成嚴重環(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，遠未達到環(huán)境影響評價系統(tǒng)設計的初衷。因此，我國環(huán)境保護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)絡標準體系框架。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡標準體系框架

3.2.1 通用基礎標準

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

3.2.2 技術標準

（1）原材料：隨著相關科技的發(fā)展，新的材料、工藝應運而生，許多傳感器運用了這些新材料，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、人身安全的基礎上，提高傳感器件的性能并降低成本。

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

（3）數(shù)據(jù)格式與存儲：傳感器種類和應用場景的不同會導致傳感器數(shù)據(jù)格式的多樣化，通過對不同的數(shù)據(jù)格式進行劃分并合理存儲，當數(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)絡是一個“通過無線通信方式自組織而成的一個多跳網(wǎng)絡系統(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，負責與其他無線傳感器節(jié)點進行無線通信、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)絡建成后要通過測試來檢驗是否滿足目標應用的需求。通過測試結果，對應用需求滿足情況進行評估。這里的標準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)測試結果對無線傳感網(wǎng)絡的一致性進行評估；互用性測試是通過在網(wǎng)絡互用環(huán)境下對無線傳感網(wǎng)絡各實體間功能實現(xiàn)性、信息正確性、互用可行性的測試進行網(wǎng)絡協(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備應該是安全的，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)絡內的所有設備都有一個負責提供運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。這方面的標準主要立足于電力的充足供應、斷電后的應急處理以及電源與設備電路之間的配型。

3.2.3 工作標準

（1）布設要求：由于無線傳感網(wǎng)絡的應用領域非常廣泛，應用環(huán)境也復雜多變，有時受天氣的影響較大，如何科學地進行網(wǎng)絡設備的布設也是保證數(shù)據(jù)正常采集、傳輸?shù)那疤帷?/p>

（2）運行維護：無線傳感網(wǎng)絡系統(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)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近，能夠通過自組織方式構成網(wǎng)絡。這些節(jié)點設備是否在正常運行、是否需要維修等問題關系到整個無線傳感網(wǎng)絡的可靠與否，為保證數(shù)據(jù)能正確地傳送到監(jiān)測端，運行維護標準必不可少。

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

4 結語

無線傳感網(wǎng)絡的標準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)絡體系框架的建立就是要從標準方面著手規(guī)范整個無線傳感網(wǎng)絡的搭建和相關研究工作，對推動物聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的發(fā)展起到積極作用。從標準的角度來說，下一步的工作主要是根據(jù)該標準體系框架以及各大應用領域的特點收錄和制修訂一批科學合理、符合實際情況、可操作性強的標準，來指導實際的無線傳感網(wǎng)絡建設，這就需要相關政府部門、科研院所及企事業(yè)單位的協(xié)調配合，采取各種形式，逐步實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術在各個領域大規(guī)模運用。

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[3]徐全平，張暉. 無線傳感器網(wǎng)絡標準化綜述[J]. 信息技術與標準化，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