面向海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與信息框架構(gòu)建

孫 睿，王愛強

(河南職業(yè)技術(shù)學院信息工程系，河南 鄭州450046)

0 引 言

當前以物聯(lián)網(wǎng)為代表的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方興未艾，在交通運輸、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等多個領(lǐng)域取得了令人矚目的成就。在海洋開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也逐漸獲得推廣，被廣泛應(yīng)用在船舶制造，自動控制等方面，取得了較好效果［1－2］。

隨著近年來海洋環(huán)境問題頻發(fā)，海洋氣候異常變化加劇，對海洋環(huán)境的監(jiān)測成為了防災減災和科學研究的當務(wù)之急。在傳統(tǒng)的方法中，通常采用船舶和人員實地考察的方法對海洋環(huán)境的變化和狀態(tài)進行考察和記錄，我國也擁有多艘執(zhí)行此類任務(wù)的科考船及科研隊伍，并為我國的海洋研究事業(yè)提供了寶貴的第一手資料，然而使用這種方法，需要較大的時間、經(jīng)濟和人員成本，而獲得的數(shù)據(jù)較為有限，難以連續(xù)、系統(tǒng)地對某海域的情況進行有效監(jiān)測，因此也極大地限制了我國海洋研究的持續(xù)深入。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種部署簡單、實時、遠程的數(shù)據(jù)采集手段，能夠在一定程度上解決海洋環(huán)境監(jiān)測過程中的數(shù)據(jù)采集問題。因此，多家企業(yè)和研究機構(gòu)，進行了廣泛實踐，通過將傳感器、浮標、無線通信鏈路、衛(wèi)星通信相結(jié)合的方法，在某些海域部署海上傳感器網(wǎng)絡(luò)，進行實時地數(shù)據(jù)采集，取得了良好的效果［3］。

然而，在海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用過程中，仍然存在許多問題，例如在海洋嚴苛的自然條件下，難以對多種海洋監(jiān)測設(shè)備、傳感器等進行有效地管控，極大地降低了系統(tǒng)的可用性;以及當采用多種傳感器進行數(shù)據(jù)采集時，難以對多種來源和多種格式的數(shù)據(jù)進行有效的組織和使用等。為了解決以上問題，本文提出一種面向海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與信息框架，該框架能夠有效管理靜態(tài)，準靜態(tài)等多種傳感器類型，并能夠處理時間序列數(shù)據(jù)集和多種數(shù)值模型。本文提出的框架包含一種決策支持機制，以及能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)集成、挖掘和管理的豐富工具。其最主要的創(chuàng)新在于使用了綜合設(shè)施注冊機制，從而能夠以標準化的方法對基本數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)等多種信息進行存儲和輸出。

1 海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)

多年來海洋數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測一直是一項費時且開銷巨大的工作，因此導致可用的海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)較為稀少且僅分布于特定的海域。廉價傳感器的出現(xiàn)，使得這一情況得到改變，并持續(xù)推動傳感器網(wǎng)絡(luò)在多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，例如對海岸和河口地區(qū)的環(huán)境監(jiān)測，地面衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的采集，對海洋模型的校準和驗證等，取得了較好的效果。但是，海上傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用過程中，同樣也面臨著一些問題。首先，傳感器和其附屬的通信設(shè)備需要面對嚴苛的海洋環(huán)境，如浪涌，鹽分腐蝕，海洋藻類的附著等。盡管在海面上使用無線鏈路或衛(wèi)星鏈路通信是可行的，但是在大多數(shù)情況下，傳感器設(shè)備難以始終放置在水面之上的船舶，島礁上，因此需要常常受到海平面環(huán)境的影響。而傳感器設(shè)備的水下通信過程非常不可靠，尤其是在淺灘和河口水域，受到多徑反射和干擾的影響尤其巨大，造成通信過程的可靠性急劇降低。通常海洋傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖1所示［4］。

圖1 海上無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of marine sensor

海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能為收集多種海洋數(shù)據(jù)，如溫度、鹽度、洋流速度、精確位置等。然而，由于海水的腐蝕效應(yīng)，以及其他海洋有機物、生物等的影響，會極大地降低傳感器的可靠性和通信能力。在海洋環(huán)境中，傳感器可以使靜止的、準靜止的、移動的、可航行的、浸入式的、機載的(例如水下無人裝置等)方式進行放置［5］。對于靜止傳感器來說，通常采用圖1的方式，在浮標下部的不同水深處進行部署;對于準靜止的傳感器來說，則通常采用多個傳感器的方法，連接在深度游標上，在不同的海水深度中沉浮。而可航行與機載式傳感器則通常部署在AUV/ROV，船舶或其他航行設(shè)備中。傳感器之間的通信在水下使用水聲通信，在水上則使用無線通信方式如3G/4G，WIFI 等。

除了自然條件的挑戰(zhàn)之外，海上傳感器網(wǎng)絡(luò)在管理各種數(shù)據(jù)和信息時同樣存在一定的問題，例如如何分析和處理海量的數(shù)據(jù)，有效減少數(shù)據(jù)噪聲并進行有組織的存儲，以及如何利用這些數(shù)據(jù)進行決策支持等。為了應(yīng)對以上問題，亟需一種框架，將所需的工具，設(shè)備和技術(shù)進行有機地結(jié)合，并需要相關(guān)的標準將數(shù)據(jù)、信息和知識進行標準化。

本文的目的在于設(shè)計一種基于集成化設(shè)施管理方法的海洋無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與信息框架，主要解決海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的3個問題:1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)如何和現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)相融合，如互聯(lián)網(wǎng)等，實現(xiàn)遠程的監(jiān)控和操作;2)如何利用數(shù)據(jù)庫和軟件工具，增強傳感器網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)的管理;3)增強傳感器網(wǎng)絡(luò)框架中各個模塊的性能，對當前的海洋監(jiān)測手段提供一定的幫助。

2 海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架

本文設(shè)計的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架為“感知——反應(yīng)”模型，包含了多個傳感器節(jié)點和反應(yīng)設(shè)備，并且各個節(jié)點間通過無線鏈路相連。傳感器節(jié)點收集外界信息和數(shù)據(jù)并將其通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給基站服務(wù)器，進而基站根據(jù)收到的信息給出決策，指導反應(yīng)節(jié)點采取合適的行為和操作。這一模型能夠允許用戶在任何地點和時間，對某一遠程海域進行感知并采取對應(yīng)的操作，并且通過網(wǎng)絡(luò)相連的傳感器節(jié)點所能發(fā)揮的效能，將遠大于他們獨立使用的情景。該海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架如圖2所示。

圖2 海上傳感器網(wǎng)絡(luò)框架Fig.2 The architecture of marine sensor network

一個典型的“感知——反應(yīng)”傳感器網(wǎng)絡(luò)通常包括多種傳感器節(jié)點，用來測量濕度、溫度、壓力、氧含量、導電性、光照、位移等，同時節(jié)點中還安裝有若干可進行控制的“反應(yīng)”部件，例如推力控制器、GPS 單元、深度控制器、聲吶裝置、通信裝置等?；究梢越尤牖ヂ?lián)網(wǎng)，從而向用戶提供任意地點和任意時間的訪問能力。當基站位置距離傳感器節(jié)點較遠時，則可以使用諸如衛(wèi)星通信或Stargate的微系統(tǒng)，為傳感器節(jié)點充當通信的中繼節(jié)點?；就瑫r也維護有數(shù)據(jù)庫，并能夠作為Web服務(wù)器使用，因此用戶可以使用手持終端，采用可視化的方式對數(shù)據(jù)進行查詢、查看、管理、控制等操作。

3 框架軟件模塊設(shè)計

本文設(shè)計的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與信息框架共包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、信息挖掘模塊、設(shè)備管理模塊、決策支持模塊和用戶界面6個軟件模塊。在本節(jié)中將對各個模塊的細節(jié)進行設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器節(jié)點和可控裝置組成，前者負責采集環(huán)境數(shù)據(jù)，后者負責調(diào)整傳感器的位置，保證傳感器通信過程正常等。數(shù)據(jù)采集模塊中包含的其他部分包括:1)數(shù)據(jù)濾波器:負責將采集數(shù)據(jù)中的噪聲去除，保證數(shù)據(jù)的正確性和可用性;2)XML/DTD 處理器:負責將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準格式或DTD 格式;3)元數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器:負責使用和控制元數(shù)據(jù)，對采集數(shù)據(jù)進行分析和定義;4)無線通信終端:保證傳感器節(jié)點在運行的過程中，能夠使用可靠的無線通信鏈路。

3.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲模塊有分布式的數(shù)據(jù)庫和元數(shù)據(jù)控制器組成。分布式數(shù)據(jù)庫能夠?qū)⒑Ａ康膫鞲衅鲾?shù)據(jù)存儲起來，而元數(shù)據(jù)控制器則存儲相關(guān)的元數(shù)據(jù)文件。由于在大型的，異構(gòu)的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)中，運行于不同平臺的傳感器可能采用不同的元數(shù)據(jù)格式，因此元數(shù)據(jù)控制器還需要具備不同元數(shù)據(jù)格式之間的編譯功能。數(shù)據(jù)存儲模塊中的目錄服務(wù)組件，能夠提供一個集成化的數(shù)據(jù)目錄，供系統(tǒng)應(yīng)用查詢和使用。在本文設(shè)計的數(shù)據(jù)存儲模塊中，采用基于XML的MIMOSA/ISO標準，在分布式數(shù)據(jù)庫中對數(shù)據(jù)進行分類。

3.3 信息挖掘模塊

信息挖掘模塊包含了以下組件:1)報告生成組件，能夠以一定周期根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生系統(tǒng)日志;2)狀態(tài)監(jiān)控組件:該組件能夠根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備的工作狀態(tài)，并具備異常管理，異常處理的功能。

3.4 綜合設(shè)施注冊模塊

綜合設(shè)施注冊模塊依照對應(yīng)的ISO 規(guī)范進行設(shè)計，能夠綜合處理傳感器層次，設(shè)備層次，平臺層次，單元層次，組織層次和企業(yè)層次的多種信息和數(shù)據(jù)。通過綜合設(shè)施注冊模塊，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)中的標記，追溯到對應(yīng)的傳感器或設(shè)備，能夠從多個層面、多個維度對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的元素進行靈活控制和管理。數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、綜合設(shè)施注冊模塊之間的相互關(guān)系及工作流程如圖3所示。

圖3 模塊相互關(guān)系與工作流程Fig.3 The relationship and workflow of modules

3.5 決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)中包含了若干適用于不同領(lǐng)域的決策工具，例如漁業(yè)數(shù)據(jù)分析工具，航運數(shù)據(jù)分析工具等，其中的一些工具具有成熟的商業(yè)版本，如MineSet 等。決策支持系統(tǒng)中的核心部分為事件服務(wù)組件，該組件能夠識別認為行為，環(huán)境行為和數(shù)據(jù)行為，分別如用戶的指令和需求，當前的環(huán)境條件和數(shù)據(jù)的質(zhì)量等。

圖4 模塊結(jié)構(gòu)與工作流程Fig.4 The structure and workflow of modules

3.6 用戶界面模塊

用戶界面一方面負責系統(tǒng)與用戶的交互接口，另一方面負責系統(tǒng)數(shù)據(jù)的輸出，因此該模塊包含以下組件:1)標準化的MIMOSA/ISO 數(shù)據(jù)輸出端口:能夠?qū)?shù)據(jù)以標準化的格式進行輸出，從而這些數(shù)據(jù)能在大多數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測平臺中使用;2)請求優(yōu)化和管理組件:能夠?qū)τ脩舻母鞣N請求進行優(yōu)化，消除各種請求之間的沖突和錯誤，是與用戶進行直接交互的主體;3)圖形化的用戶界面:具備良好的圖形化界面，能夠有效提高用戶體驗。

決策支持系統(tǒng)，用戶界面模塊和信息挖掘模塊的相互關(guān)系與工作流程如圖4所示。

4 結(jié) 語

本文首先分析了海上傳感器網(wǎng)絡(luò)在使用過程中的主要挑戰(zhàn)，對其存在的問題進行深入研究。并設(shè)計了一種新型的海上傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與信息框架。給出該框架的基本結(jié)構(gòu)，對該框架的硬件模塊進行描述，同時對軟件模塊進行細節(jié)地設(shè)計，給出具體的功能結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)方法?？傮w來說，本文提出的框架具有較好的可行性，并能夠在一定程度上解決海上無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中對各種設(shè)備和信息數(shù)據(jù)的管理，對于今后類似平臺的構(gòu)建和海上傳感器網(wǎng)絡(luò)的進一步推廣和使用，具有重要的借鑒意義。

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