基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模型及關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來,隨著傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和軟件工程技術(shù)的快速發(fā)展,傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、工業(yè)制造等多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用?；趥鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)和監(jiān)測(cè)軟件,用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取與管理,并將監(jiān)測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)給終端用戶。本文首先抽象出監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的層次模型,然后按照層次結(jié)構(gòu)依次在目標(biāo)追蹤、數(shù)據(jù)采集、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成四個(gè)關(guān)鍵方面逐一進(jìn)行研究,主要工作及創(chuàng)新點(diǎn)包括:
　　 1.提出了

2、基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)層次模型。由于缺乏統(tǒng)一的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(luò)的多個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)案例,本文提出了監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)自下往上劃分為感知層、采集層、管理層和應(yīng)用層,同時(shí)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向開放式和標(biāo)準(zhǔn)化方向發(fā)展。整個(gè)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(luò)的目標(biāo)追蹤問題,提出了不充分錨節(jié)點(diǎn)部署下目標(biāo)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(diǎn)部署的不充分,或者地理環(huán)境的限制,節(jié)點(diǎn)在移動(dòng)過程中可能不總被三個(gè)錨節(jié)點(diǎn)偵測(cè)到,導(dǎo)致了間歇性的定位失敗。通過深度挖掘隱含在零個(gè)、一個(gè)、兩個(gè)錨節(jié)點(diǎn)覆蓋下的位置信息,首先提出一個(gè)雙向限定算法來估計(jì)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)可能的位置區(qū)域,然后從所估計(jì)區(qū)域中尋找一條最大似然路徑作為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的軌跡。算法的性能通過大量的仿真進(jìn)行評(píng)估,

4、最后通過由20個(gè)MicaZ節(jié)點(diǎn)組成的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)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(jiǎn)稱DCM)。目前存在著種類繁多的數(shù)據(jù)采集設(shè)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(dǎo)致了監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)的復(fù)雜性。DCM通過向上層應(yīng)用軟件提供統(tǒng)一的資源訪問原語和規(guī)范化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),屏蔽了底層傳感設(shè)備的異構(gòu)性,

5、實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集設(shè)備的一致性訪問。同時(shí),利用XML語言對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化描述與存儲(chǔ),當(dāng)需要添加設(shè)備或者更換設(shè)備通信接口時(shí),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(yàn)證,該數(shù)據(jù)采集中間件可行有效且具有較好的擴(kuò)展性和靈活性。
　　 4.在管理層和應(yīng)用層研究了監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)問題,提出了一個(gè)交互式零編程監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)平臺(tái)(Interactive Software D

6、evelopment Platform,簡(jiǎn)稱ISDP)。當(dāng)取得原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后,必須通過上層軟件進(jìn)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(lǐng)域設(shè)計(jì)了零編程監(jiān)測(cè)軟件開發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)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(tái),軟件開發(fā)轉(zhuǎn)變成為利用向?qū)Чぞ哌M(jìn)行參數(shù)定制。在整個(gè)定制過程中無需編寫任何代碼,且能同時(shí)為客戶端/服務(wù)器架構(gòu)和瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)開發(fā)

7、相應(yīng)的監(jiān)測(cè)軟件。最后,對(duì)所開發(fā)監(jiān)測(cè)軟件,通過實(shí)驗(yàn)評(píng)估了其在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的性能,所設(shè)計(jì)開發(fā)平臺(tái)通過為家電企業(yè)開發(fā)多套監(jiān)測(cè)軟件得到了實(shí)際驗(yàn)證。
　　 5.在層次模型基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究。通過研究與分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng),抽取描述監(jiān)測(cè)對(duì)象的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息和顯示配置信息,同時(shí)引入面向服務(wù)架構(gòu)思想,構(gòu)建監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成架構(gòu)。該架構(gòu)主要囊括本地監(jiān)測(cè)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(cè)子系統(tǒng)、本地監(jiān)測(cè)服務(wù)以及集成監(jiān)測(cè)服務(wù)。其中,本地

8、監(jiān)測(cè)服務(wù)提供標(biāo)準(zhǔn)接口完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)布,集成監(jiān)測(cè)服務(wù)負(fù)責(zé)發(fā)布顯示配置信息,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與顯示的分離。集成監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取數(shù)據(jù)信息和顯示配置信息,以統(tǒng)一界面自適應(yīng)顯示各異構(gòu)本地監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。通過在家電監(jiān)測(cè)及海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的原型驗(yàn)證,該集成架構(gòu)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)分布式監(jiān)測(cè)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(cè)試軟件系統(tǒng)集成標(biāo)準(zhǔn)被IEEE標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)批準(zhǔn)立項(xiàng)(P1851)