基于傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)模型及關鍵技術研究.pdf

1、近年來,隨著傳感器技術、嵌入式技術、網(wǎng)絡通信技術和軟件工程技術的快速發(fā)展,傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境保護、醫(yī)療監(jiān)護、工業(yè)制造等多個領域中得到了廣泛應用?；趥鞲衅骶W(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設備、計算機和監(jiān)測軟件,用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動獲取與管理,并將監(jiān)測結(jié)果呈現(xiàn)給終端用戶。本文首先抽象出監(jiān)測系統(tǒng)的層次模型,然后按照層次結(jié)構(gòu)依次在目標追蹤、數(shù)據(jù)采集、軟件設計和系統(tǒng)集成四個關鍵方面逐一進行研究,主要工作及創(chuàng)新點包括:
　　 1.提出了

2、基于傳感器網(wǎng)絡的監(jiān)測系統(tǒng)層次模型。由于缺乏統(tǒng)一的監(jiān)測系統(tǒng)設計規(guī)范,給軟件開發(fā)和數(shù)據(jù)共享帶來一系列問題。通過研究和分析基于傳感器網(wǎng)絡的多個監(jiān)測系統(tǒng)案例,本文提出了監(jiān)測系統(tǒng)的層次模型。在此模型中,按照數(shù)據(jù)流的方向,將監(jiān)測系統(tǒng)自下往上劃分為感知層、采集層、管理層和應用層,同時定義了各層功能及層間接口。該參考模型的構(gòu)建,有利于推動監(jiān)測系統(tǒng)向開放式和標準化方向發(fā)展。整個層次模型是本論文工作的主線。
　　 2.在感知層研究了基于無線傳感器網(wǎng)

3、絡的目標追蹤問題,提出了不充分錨節(jié)點部署下目標追蹤算法Bubble Trace(BT)?，F(xiàn)有追蹤算法主要是基于三邊定位,然而由于錨節(jié)點部署的不充分,或者地理環(huán)境的限制,節(jié)點在移動過程中可能不總被三個錨節(jié)點偵測到,導致了間歇性的定位失敗。通過深度挖掘隱含在零個、一個、兩個錨節(jié)點覆蓋下的位置信息,首先提出一個雙向限定算法來估計目標節(jié)點可能的位置區(qū)域,然后從所估計區(qū)域中尋找一條最大似然路徑作為目標節(jié)點的軌跡。算法的性能通過大量的仿真進行評估,

4、最后通過由20個MicaZ節(jié)點組成的實驗平臺對算法的有效性進行了驗證。
　　 3.在采集層研究了異構(gòu)傳感硬件下的數(shù)據(jù)采集問題,提出了可配置的數(shù)據(jù)采集中間件(Data Collection Middleware,簡稱DCM)。目前存在著種類繁多的數(shù)據(jù)采集設備,它們的傳感數(shù)據(jù)格式、通信命令和硬件接口等均存在差異,導致了監(jiān)測軟件開發(fā)的復雜性。DCM通過向上層應用軟件提供統(tǒng)一的資源訪問原語和規(guī)范化的監(jiān)測數(shù)據(jù),屏蔽了底層傳感設備的異構(gòu)性,

5、實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集設備的一致性訪問。同時,利用XML語言對數(shù)據(jù)采集設備進行標準化描述與存儲,當需要添加設備或者更換設備通信接口時,無需重新編譯該中間件,僅修改XML文件即可。借助于該數(shù)據(jù)采集中間件,開發(fā)者可以更加專注于上層軟件開發(fā)。經(jīng)原型系統(tǒng)驗證,該數(shù)據(jù)采集中間件可行有效且具有較好的擴展性和靈活性。
　　 4.在管理層和應用層研究了監(jiān)測軟件開發(fā)問題,提出了一個交互式零編程監(jiān)測軟件開發(fā)平臺(Interactive Software D

6、evelopment Platform,簡稱ISDP)。當取得原始監(jiān)測數(shù)據(jù)后,必須通過上層軟件進行顯示和管理。此類軟件的開發(fā)往往面臨著開發(fā)周期長、效率低等問題。為了提高軟件開發(fā)效率,本文在家電領域設計了零編程監(jiān)測軟件開發(fā)平臺。該平臺主要包括可重用組件庫、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、裝配子系統(tǒng)以及定制子系統(tǒng)。通過此開發(fā)平臺,軟件開發(fā)轉(zhuǎn)變成為利用向?qū)Чぞ哌M行參數(shù)定制。在整個定制過程中無需編寫任何代碼,且能同時為客戶端/服務器架構(gòu)和瀏覽器/服務器架構(gòu)開發(fā)

7、相應的監(jiān)測軟件。最后,對所開發(fā)監(jiān)測軟件,通過實驗評估了其在不同網(wǎng)絡環(huán)境下的性能,所設計開發(fā)平臺通過為家電企業(yè)開發(fā)多套監(jiān)測軟件得到了實際驗證。
　　 5.在層次模型基礎上對監(jiān)測系統(tǒng)集成標準進行研究。通過研究與分析監(jiān)測系統(tǒng),抽取描述監(jiān)測對象的標準數(shù)據(jù)信息和顯示配置信息,同時引入面向服務架構(gòu)思想,構(gòu)建監(jiān)測系統(tǒng)集成架構(gòu)。該架構(gòu)主要囊括本地監(jiān)測子系統(tǒng)、集成管理子系統(tǒng)、系統(tǒng)配置子系統(tǒng)、集成監(jiān)測子系統(tǒng)、本地監(jiān)測服務以及集成監(jiān)測服務。其中,本地

8、監(jiān)測服務提供標準接口完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的發(fā)布,集成監(jiān)測服務負責發(fā)布顯示配置信息,實現(xiàn)了監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)與顯示的分離。集成監(jiān)測子系統(tǒng)負責獲取數(shù)據(jù)信息和顯示配置信息,以統(tǒng)一界面自適應顯示各異構(gòu)本地監(jiān)測子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。通過在家電監(jiān)測及海洋環(huán)境監(jiān)測等領域的原型驗證,該集成架構(gòu)具有較強的適應性,實現(xiàn)了異構(gòu)分布式監(jiān)測系統(tǒng)的無縫集成和界面顯示的統(tǒng)一?；诒疚募杉軜?gòu)和原型系統(tǒng),所提議的基于傳感器的家電測試軟件系統(tǒng)集成標準被IEEE標準委員會批準立項(P1851)