- 淺談傳感器網絡的體系和架構
- 來源：賽斯維傳感器網 發(fā)表于 2011/8/31
1 引言
傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。
國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。
目前，傳感器網絡領域尚處于發(fā)展初期，我國的科研、產業(yè)進展與國際幾乎同步，大部分依托于科研成果，在部分領域有示范應用。但在已經實現(xiàn)的傳感器網絡中往往采用私有協(xié)議，尚缺乏完善的傳感器網絡標準體系，缺乏對如何采用現(xiàn)有技術標準的指導，在產品設計、系統(tǒng)集成時無統(tǒng)一標準可循，已經嚴重制約了技術應用和產業(yè)的迅速發(fā)展。所幸的是，我國傳感器網絡的技術、產業(yè)發(fā)展與國際基本同步，目前國際尚無完備的傳感器網絡標準體系，這為我國實質性參與該領域國際標準化工作、占領產業(yè)的制高點提供了一次難得的歷史性機遇。
傳感器網絡標準化研究將有利于鞏固現(xiàn)有技術、產業(yè)成果，規(guī)范、推動產業(yè)有序、健康發(fā)展；通過統(tǒng)籌安排，產學研用聯(lián)合攻關，對相關技術體制進行全面梳理，形成可行的技術標準體系，切入關鍵技術問題；通過“關鍵技術－標準化－應用示范－產業(yè)化－商用化”的漸進發(fā)展道路，保障傳感器網絡大規(guī)模應用的互聯(lián)互通，推動傳感器網絡迅猛發(fā)展；有利于推動我國實質性參與傳感器網絡國際標準化工作，擴大產業(yè)界在國際上的影響力。
2 傳感器網絡國際和國內標準化現(xiàn)狀
傳感器網絡涉及的技術領域和相關標準化組織較多，目前國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）的第一聯(lián)合技術委員會（JTC1）、國際電子和電氣工程師協(xié)會（IEEE）、國際電信聯(lián)盟（ITU）和互聯(lián)網工程師任務組（IETF）等國際標準化組織都在開展傳感器網絡標準相關的研究工作，但大多尚處于標準提案階段。其中，IEEE在為傳感器網絡提供支持的底層無線傳輸技術和傳感器接口的標準化研究等方面已取得一定進展；ITU-T的多媒體編碼、系統(tǒng)和應用（SG16）研究組開始進行泛在傳感器網絡（USN）應用和服務的研究，SG17研究組已開展USN安全框架的研究；IETF成立低功率無線個域網上的IPv6（6LOWPAN）工作組，已產生RFC4944（IEEE 802.15.4上的IPv6）和RFC 4919（問題陳述和目標）。目前，公認的可以被稱為傳感器網絡標準的只有IEEE802.15.4和Zigbee聯(lián)盟推出的傳輸、網絡、應用層協(xié)議標準，以及IEEE 1451。
2008年全球傳感器市場容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言，傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場，占第二位的是過程控制市場，看好通訊市場前景。
一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大，分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSySTems，微機電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復合年增長率預計會超過25%。
目前，全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關專家指出，傳感器領域的主要技術將在現(xiàn)有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產業(yè)化，競爭也將日益激烈。新技術的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場，比如無線傳感器、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)與市場份額的擴大。
為了在傳感器網絡國際標準的制定方面進行研究與探索，2007年ISO/IEC JTC1正式成立了傳感器網絡研究組（SGSN）。目前有22名專家，分別來自中國、法國、日本、韓國、挪威、英國和德國，以及其他組織的聯(lián)絡員。2008年6月，在中國上海召開了第1次全體會議，對傳感器網絡的應用需求、系統(tǒng)架構、協(xié)議、接口和安全等方面的提案進行了討論。2008年9月和2009年1月，我國分別組團參加了在德國和澳大利亞舉辦的第2次和第3次SGSN會議，實質性地參與了《ISO/IECJTC1傳感器網絡研究組技術報告》的編寫工作，并在很多章節(jié)做出了重要的貢獻。
我國傳感器網絡技術的研究首次出現(xiàn)在1999年中國科學院的《知識創(chuàng)新工程試點領域方向研究》中，幾乎與發(fā)達國家同步。國家自然科學基金委（NFSC）從2002年開始，連續(xù)資助了一系列有關傳感器網絡的研究，此外還啟動了“面向傳感器網絡的分布自分布系統(tǒng)關鍵技術協(xié)調控制理論”和“傳感器網絡系統(tǒng)基礎軟件及數(shù)據管理關鍵技術研究”等重點項目。國家重點基礎研究發(fā)展計劃（“九七三”計劃）也于2006年資助了“無線傳感網絡的基礎理論及關鍵技術研究”。國家高技術研究發(fā)展計劃（“八六三”計劃）于2006年開始在信息技術領域的通信專題下資助了10余項探索導向型項目，研究傳感器網絡的系統(tǒng)級技術；2007年啟動了“傳感器網絡嵌入式芯片設計”等目標導向型項目，進行節(jié)點系統(tǒng)關鍵技術的攻關。此外，科技部“十一五”國家科技支撐計劃也部署了相關應用示范項目，以促進傳感器網絡在環(huán)境監(jiān)測和精細農業(yè)等方面的行業(yè)應用�！秶抑虚L期科學與技術發(fā)展規(guī)劃（2006—2020年）》在重大專項、優(yōu)先發(fā)展主題、前沿領域均將傳感器網絡列入，其中重大專項“新一代寬帶移動無線通信網”已將其列為重要方向。
這些從基礎研究、科技攻關、示范應用等不同層次、不同角度開展的項目，帶動和加速了我國傳感器網絡研究的進程。統(tǒng)計數(shù)據表明，截至2008年底，我國申請的傳感器網絡相關專利435件�？梢哉f，上述前期探索性研究為我國傳感器網絡技術的進一步發(fā)展進行了必要的技術儲備，為國家標準的制定工作奠定了基礎。
2006年，全國信息技術標準化技術委員會成立了傳感器網絡標準項目組，組織國內的大學、科研單位和企業(yè)開展了標準研究工作，對《傳感器網絡標準體系》、《傳感器網絡協(xié)議�！贰ⅰ秱鞲衅骶W絡智能傳感器接口標準》和《傳感器網絡安全服務》等標準項目進行了研究。2007年底，國家標準化管理委員會正式批準籌建傳感器網絡國家標準工作組，組長單位是中國電子技術標準化研究所，秘書處單位是中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所。目前，工作組由國內50余家成員單位，70多位專家組成，匯集了包括國內傳感器網絡領域產學研用的各方力量，旨在整合國內科研院所和產業(yè)界的優(yōu)勢力量，共同進行傳感器網絡國家標準的制定，全面推動傳感器網絡的產業(yè)發(fā)展。同時，依托該組織，也可將國內相關優(yōu)勢單位聯(lián)合起來，明確分工，統(tǒng)一協(xié)調工作，積極提交國際標準提案，多方進行國際交流和溝通，促進我國在傳感器網絡國際標準化工作中占據重要地位。
3 傳感器網絡的標準體系研究
通過對傳感器網絡產品的生產商、電信運營商、用戶等開展廣泛的調研，同時分析梳理ISO，IEC，IEEE，ISA，ITU-T和IETF及Zigbee聯(lián)盟等組織的標準。在基礎學科研究中，傳感器更具有突出的地位�，F(xiàn)代科學技術的發(fā)展，進入了許多新領域：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，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化，短到 s的瞬間反應。此外，還出現(xiàn)了對深化物質認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種極端技術研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。
顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應的傳感器是不可能的。許多基礎科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測傳感器的出現(xiàn)，往往會導致該領域內的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅。 根據以上原則，我們結合傳感器網絡產品研發(fā)和應用需求，提出傳感器網絡標準體系框架（見圖1）。
圖1 傳感器網絡標準體系架構
我們認為，傳感器網絡標準體系應當包括基礎平臺標準與應用子集標準�；A平臺標準指通過對傳感器網絡各類應用的共性特征和技術要求進行分類、規(guī)范，形成若干標準化的功能模塊組合；應用子集標準指根據各傳感器網絡應用的特點，描述為特定應用要求，如網絡規(guī)模、組網形式、服務質量要求、系統(tǒng)生存時間、覆蓋范圍、業(yè)務種類等；根據具體應用案例，將基礎平臺標準和應用子集標準中的不同模塊組合，形成最終的傳感器網絡應用系統(tǒng)。
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