基于传感器网络的监测系统模型及关键技术研究
近年来,随着传感器技术、嵌入式技术、网络通信技术和软件工程技术的快速发展,传感器网络在环境保护、医疗监护、工业制造等多个领域中得到了广泛应用。基于传感器网络的监测系统主要包括传感器、数据采集设备、计算机和监测软件,用于实现数据的自动获取与管理,并将监测结果呈现给终端用户。本文首先抽象出监测系统的层次模型,然后按照层次结构依次在目标追踪、数据采集、软件设计和系统集成四个关键方面逐一进行研究,主要工作及创新点包括:
1.提出了基于传感器网络的监测系统层次模型。由于缺乏统一的监测系统设计规范,给软件开发和数据共享带来一系列问题。通过研究和分析基于传感器网络的多个监测系统案例,本文提出了监测系统的层次模型。在此模型中,按照数据流的方向,将监测系统自下往上划分为感知层、采集层、管理层和应用层,同时定义了各层功能及层间接口。该参考模型的构建,有利于推动监测系统向开放式和标准化方向发展。整个层次模型是本论文工作的主线。
2.在感知层研究了基于无线传感器网络的目标追踪问题,提出了不充分锚节点部署下目标追踪算法Bubble Trace(BT)。现有追踪算法主要是基于三边定位,然而由于锚节点部署的不充分,或者地理环境的限制,节点在移动过程中可能不总被三个锚节点侦测到,导致了间歇性的定位失败。通过深度挖掘隐含在零个、一个、两个锚节点覆盖下的位置信息,首先提出一个双向限定算法来估计目标节点可能的位置区域,然后从所估计区域中寻找一条最大似然路径作为目标节点的轨迹。算法的性能通过大量的仿真进行评估,最后通过由20个MicaZ节点组成的实验平台对算法的有效性进行了验证。
3.在采集层研究了异构传感硬件下的数据采集问题,提出了可配置的数据采集中间件(Data Collection Middleware,简称DCM)。目前存在着种类繁多的数据采集设备,它们的传感数据格式、通信命令和硬件接口等均存在差异,导致了监测软件开发的复杂性。DCM通过向上层应用软件提供统一的资源访问原语和规范化的监测数据,屏蔽了底层传感设备的异构性,实现了数据采集设备的一致性访问。同时,利用XML语言对数据采集设备进行标准化描述与存储,当需要添加设备或者更换设备通信接口时,无需重新编译该中间件,仅修改XML文件即可。借助于该数据采集中间件,开发者可以更加专注于上层软件开发。经原型系统验证,该数据采集中间件可行有效且具有较好的扩展性和灵活性。
4.在管理层和应用层研究了监测软件开发问题,提出了一个交互式零编程监测软件开发平台(Interactive Software Development Platform,简称ISDP)。当取得原始监测数据后,必须通过上层软件进行显示和管理。此类软件的开发往往面临着开发周期长、效率低等问题。为了提高软件开发效率,本文在家电领域设计了零编程监测软件开发平台。该平台主要包括可重用组件库、数据采集子系统、装配子系统以及定制子系统。通过此开发平台,软件开发转变成为利用向导工具进行参数定制。在整个定制过程中无需编写任何代码,且能同时为客户端/服务器架构和浏览器/服务器架构开发相应的监测软件。最后,对所开发监测软件,通过实验评估了其在不同网络环境下的性能,所设计开发平台通过为家电企业开发多套监测软件得到了实际验证。
5.在层次模型基础上对监测系统集成标准进行研究。通过研究与分析监测系统,抽取描述监测对象的标准数据信息和显示配置信息,同时引入面向服务架构思想,构建监测系统集成架构。该架构主要囊括本地监测子系统、集成管理子系统、系统配置子系统、集成监测子系统、本地监测服务以及集成监测服务。其中,本地监测服务提供标准接口完成监测数据的发布,集成监测服务负责发布显示配置信息,实现了监测系统数据与显示的分离。集成监测子系统负责获取数据信息和显示配置信息,以统一界面自适应显示各异构本地监测子系统的数据。通过在家电监测及海洋环境监测等领域的原型验证,该集成架构具有较强的适应性,实现了异构分布式监测系统的无缝集成和界面显示的统一。基于本文集成架构和原型系统,所提议的基于传感器的家电测试软件系统集成标准被IEEE标准委员会批准立项(P1851)。
基于传感器网络的监测系统具有稳定可靠、灵活性强和自动化程度高等特点,因而有着广阔的应用前景。随着传感器网络技术的研究深入,特别是物联网技术的兴起,其一定能为我国经济的持续发展起到很好的支撑和促进作用。
传感器网络;系统模型;目标追踪;开发平台;系统集成;数据采集;中间件
中国海洋大学
博士
计算机应用技术
郭忠文
2011
中文
TN925.93;TP274
131
2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）