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宄，主要工作及刨新点包括：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。通过研宄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，将监测系统自下住上划分为感知层、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．在感知层研宄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。通过深夏挖掘隐含在零个、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．在采集层研宄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宄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。此类软件的开发住住面临着开发周期长、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宄。通过研宄与分析监测系统，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(Pl851)。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宄深入，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。