淺談傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系和架構(gòu)

1  引言

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對(duì)傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

目前，傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域尚處于發(fā)展初期，我國(guó)的科研、產(chǎn)業(yè)進(jìn)展與國(guó)際幾乎同步，大部分依托于科研成果，在部分領(lǐng)域有示范應(yīng)用。但在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中往往采用私有協(xié)議，尚缺乏完善的傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系，缺乏對(duì)如何采用現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成時(shí)無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可循，已經(jīng)嚴(yán)重制約了技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。所幸的是，我國(guó)傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國(guó)際基本同步，目前國(guó)際尚無(wú)完備的傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系，這為我國(guó)實(shí)質(zhì)性參與該領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作、占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)提供了一次難得的歷史性機(jī)遇。

傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化研究將有利于鞏固現(xiàn)有技術(shù)、產(chǎn)業(yè)成果，規(guī)范、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)有序、健康發(fā)展；通過(guò)統(tǒng)籌安排，產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān)，對(duì)相關(guān)技術(shù)體制進(jìn)行全面梳理，形成可行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，切入關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；通過(guò)“關(guān)鍵技術(shù)－標(biāo)準(zhǔn)化－應(yīng)用示范－產(chǎn)業(yè)化－商用化”的漸進(jìn)發(fā)展道路，保障傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的互聯(lián)互通，推動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展；有利于推動(dòng)我國(guó)實(shí)質(zhì)性參與傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)界在國(guó)際上的影響力。

2  傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及的技術(shù)領(lǐng)域和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織較多，目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）的第一聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（JTC1）、國(guó)際電子和電氣工程師協(xié)會(huì)（IEEE）、國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）和互聯(lián)網(wǎng)工程師任務(wù)組（IETF）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織都在開展傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的研究工作，但大多尚處于標(biāo)準(zhǔn)提案階段。其中，IEEE在為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供支持的底層無(wú)線傳輸技術(shù)和傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)化研究等方面已取得一定進(jìn)展；ITU-T的多媒體編碼、系統(tǒng)和應(yīng)用（SG16）研究組開始進(jìn)行泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)（USN）應(yīng)用和服務(wù)的研究，SG17研究組已開展USN安全框架的研究；IETF成立低功率無(wú)線個(gè)域網(wǎng)上的IPv6（6LOWPAN）工作組，已產(chǎn)生RFC4944（IEEE 802.15.4上的IPv6）和RFC 4919（問(wèn)題陳述和目標(biāo)）。目前，公認(rèn)的可以被稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的只有IEEE802.15.4和Zigbee聯(lián)盟推出的傳輸、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，以及IEEE 1451。

2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國(guó)、德國(guó)、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的依舊是汽車市場(chǎng)，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景。

一些傳感器市場(chǎng)比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來(lái)自于無(wú)線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSySTems，微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無(wú)線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)超過(guò)25%。

目前，全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國(guó)將競(jìng)相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來(lái)的傳感器市場(chǎng)，比如無(wú)線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。

為了在傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定方面進(jìn)行研究與探索，2007年ISO/IEC JTC1正式成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究組（SGSN）。目前有22名專家，分別來(lái)自中國(guó)、法國(guó)、日本、韓國(guó)、挪威、英國(guó)和德國(guó)，以及其他組織的聯(lián)絡(luò)員。2008年6月，在中國(guó)上海召開了第1次全體會(huì)議，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求、系統(tǒng)架構(gòu)、協(xié)議、接口和安全等方面的提案進(jìn)行了討論。2008年9月和2009年1月，我國(guó)分別組團(tuán)參加了在德國(guó)和澳大利亞舉辦的第2次和第3次SGSN會(huì)議，實(shí)質(zhì)性地參與了《ISO/IECJTC1傳感器網(wǎng)絡(luò)研究組技術(shù)報(bào)告》的編寫工作，并在很多章節(jié)做出了重要的貢獻(xiàn)。

我國(guó)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究首次出現(xiàn)在1999年中國(guó)科學(xué)院的《知識(shí)創(chuàng)新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》中，幾乎與發(fā)達(dá)國(guó)家同步。國(guó)家自然科學(xué)基金委（NFSC）從2002年開始，連續(xù)資助了一系列有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，此外還啟動(dòng)了“面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自分布系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)協(xié)調(diào)控制理論”和“傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件及數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)研究”等重點(diǎn)項(xiàng)目。國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（“九七三”計(jì)劃）也于2006年資助了“無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”。國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“八六三”計(jì)劃）于2006年開始在信息技術(shù)領(lǐng)域的通信專題下資助了10余項(xiàng)探索導(dǎo)向型項(xiàng)目，研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級(jí)技術(shù)；2007年啟動(dòng)了“傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式芯片設(shè)計(jì)”等目標(biāo)導(dǎo)向型項(xiàng)目，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。此外，科技部“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃也部署了相關(guān)應(yīng)用示范項(xiàng)目，以促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測(cè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)等方面的行業(yè)應(yīng)用?！秶?guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃（2006—2020年）》在重大專項(xiàng)、優(yōu)先發(fā)展主題、前沿領(lǐng)域均將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入，其中重大專項(xiàng)“新一代寬帶移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)”已將其列為重要方向。

這些從基礎(chǔ)研究、科技攻關(guān)、示范應(yīng)用等不同層次、不同角度開展的項(xiàng)目，帶動(dòng)和加速了我國(guó)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的進(jìn)程。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，截至2008年底，我國(guó)申請(qǐng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專利435件?？梢哉f(shuō)，上述前期探索性研究為我國(guó)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了必要的技術(shù)儲(chǔ)備，為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作奠定了基礎(chǔ)。

2006年，全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目組，組織國(guó)內(nèi)的大學(xué)、科研單位和企業(yè)開展了標(biāo)準(zhǔn)研究工作，對(duì)《傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系》、《傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?！?、《傳感器網(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)》和《傳感器網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)》等標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)行了研究。2007年底，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)正式批準(zhǔn)籌建傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)工作組，組長(zhǎng)單位是中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，秘書處單位是中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所。目前，工作組由國(guó)內(nèi)50余家成員單位，70多位專家組成，匯集了包括國(guó)內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用的各方力量，旨在整合國(guó)內(nèi)科研院所和產(chǎn)業(yè)界的優(yōu)勢(shì)力量，共同進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的制定，全面推動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，依托該組織，也可將國(guó)內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢(shì)單位聯(lián)合起來(lái)，明確分工，統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作，積極提交國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案，多方進(jìn)行國(guó)際交流和溝通，促進(jìn)我國(guó)在傳感器網(wǎng)絡(luò)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作中占據(jù)重要地位。

3  傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)體系研究

通過(guò)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的生產(chǎn)商、電信運(yùn)營(yíng)商、用戶等開展廣泛的調(diào)研，同時(shí)分析梳理ISO，IEC，IEEE，ISA，ITU-T和IETF及Zigbee聯(lián)盟等組織的標(biāo)準(zhǔn)。在基礎(chǔ)學(xué)科研究中，傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域：例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 nm的粒子世界，縱向上要觀察長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年的天體演化，短到 s的瞬間反應(yīng)。此外，還出現(xiàn)了對(duì)深化物質(zhì)認(rèn)識(shí)、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超弱磁碭等等。

顯然，要獲取大量人類感官無(wú)法直接獲取的信息，沒(méi)有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè)傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。 根據(jù)以上原則，我們結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品研發(fā)和應(yīng)用需求，提出傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系框架（見圖1）。

圖1  傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)

我們認(rèn)為，傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)當(dāng)包括基礎(chǔ)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用子集標(biāo)準(zhǔn)。基礎(chǔ)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)指通過(guò)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)各類應(yīng)用的共性特征和技術(shù)要求進(jìn)行分類、規(guī)范，形成若干標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊組合；應(yīng)用子集標(biāo)準(zhǔn)指根據(jù)各傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特點(diǎn)，描述為特定應(yīng)用要求，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、組網(wǎng)形式、服務(wù)質(zhì)量要求、系統(tǒng)生存時(shí)間、覆蓋范圍、業(yè)務(wù)種類等；根據(jù)具體應(yīng)用案例，將基礎(chǔ)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用子集標(biāo)準(zhǔn)中的不同模塊組合，形成最終的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。