全 文 ：林业科学研究　2008, 21 (增刊 ) : 126～129
Forest Research
　　文章编号 : 100121498 (2008)增刊 20126204
基于自然保护区传感器网络的整合架构设计
曾宣皓 , 张 　旭 , 李 　凡 , 邓 　广 , 郭 　颖
(中国林业科学研究院资源信息研究所 ,北京　100091)
关键词 :传感器网络 ;自然保护区 ; SOA;网格计算 ; OSWA
中图分类号 : TP79 文献标识码 : A
收稿日期 : 2007212210
基金项目 : 国家科技基础条件平台工作重点项目“保护区数字化技术研究与共享系统研建”(2005DKA21400204)
作者简介 : 曾宣皓 (1984—) ,男 ,湖南湘乡人 ,硕士.
D esign of In tegra ted Arch itecture Ba sed on Na ture Reserve Sen sor W eb
ZENG Xuan2hao, ZHANG Xu, L I Fan, DENG Guang, GUO Ying
(Research Institute of Forest Resource Information Techniques, CAF, Beijing　100091, China)
Abstract: An integrated architecture based on Nature Reserve Sensor W eb was designed aim ing at solving the
p roblem s of poor capability of resource sharing, data p rocessing and storing, as well as power restriction. Combined
with the service2oriented architecture, grid technique and sensor web technique, the architecture could share the data
sharing in heterogeneous networks , and obtain comp lex computing results in time, and could also save the power and
p rolong the lifecycle of sensor web.
Key words: sensor web; nature reserve; SOA; grid computing; OSWA
自然保护区不仅对维护生态平衡、保护生态环
境发挥了重要作用 ,而且也为经济和社会的可持续
发展提供了生态安全保障。在我国自然保护区数量
和面积得到发展的同时 ,如何对保护区实施有效的、
科学的管理是当前面临的最大问题。通过开展系统
的、有针对性的传感器网络监测与科学研究 ,掌握自
然保护区生态系统和珍稀动物的动态变化及其相互
关系 ,为自然保护区生态系统、珍稀动物种群的恢复
和发展、为自然保护区科学管理提供依据。因此 ,重
视和加强传感器网络技术在自然保护区中的研究十
分必要。
1　自然保护区传感器网络存在的问题
目前 ,自然保护区传感器网络具有网络的移动
性、断接性、电源能力局限等共同特征和其他鲜明的
特点。这些特征提出一系列问题 [ 5 - 7 ] :
(1)通信能力有限 :传感器网络的传感器的通
信带窄而且经常变化 ,通信覆盖范围只有几十到几
百米。传感器之间的通信断接频繁 ,经常导致通信
失败。在自然保护区中由于传感器网络更多地受到
高山、障碍物等地势地貌以及大风、雨雪、雷电等自
然环境的影响。传感器可能会长时间脱离网络 ,离
线工作。如何在有限通信能力的条件下高质量地完
成感知信息的处理与传输是保护区传感器网络面临
的问题。
(2)电源能量有限 :自然保护区的监测工作大
多在野外。传感器的电源能量极其有限。网络中的
传感器由于电源能量的原因无法及时更换而经常失
效或废弃。电源能量约束是阻碍传感器网络应用的
严重问题。目前的无线发送接收器电源远远不能满
足传感器网络的需要。这就要求在自然保护区传感
器网络工作过程中节省能源 ,最大化网络的生命
周期。
(3)计算能力有限 :传感器网络中的传感器都
增刊 曾宣皓等 :基于自然保护区传感器网络的整合架构设计
具有嵌入式处理器和存储器。这些传感器都具有计
算能力 ,可以完成一些信息处理工作。但是由于嵌
入式处理器和存储器的能力和容量有限 ,传感器的
计算能力十分有限。大数据量的复杂处理是传感器
网络需要解决的问题。
(4)网络动态性强 :传感器网络具有很强的动
态性。网络中的传感器、感知对象和观察者这三要
素都可能具有移动性 ,并且经常有新的传感器网络
加入或已有部分网络失效。传感器网络必须具有可
重构和自调整性。
( 5)数据管理 :自然保护区传感器网络中的每
个传感器通常都产生较大的流式数据 ,并具有实时
性。每个传感器的计算资源难以处理巨大的实时
数据流。需要研究强有力的分布式数据流管理、查
询、分析和挖掘方法。对已存档的数据还要进行发
现和挖掘 ,提取有效信息。此外 ,传感器网络存在
多种异质传感器网络 ,需要对数据进行融合管理。
数据本身的相似性要求数据传输过程要减少数据
冗余 [ 7 ] 。
2　基于自然保护区传感器网络整合架构
本文提出基于自然保护区传感器网络的整合
架构来解决上文中提到的电源能量、计算能量和
数据管理问题。这些问题主要具体表现在两个
方面 :一方面 ,对传感器网络缺乏统一操作不能
有效地收集和分析信息 ,并且没有标准数据说
明 ,资源不能有效地进行重定位和被应用程序共
享 [ 3 ] 。另一方面 ,由于传感器网络处理能力有
限、存储资源不足以及能量制约 ,单纯靠自身的
能力无法完成复杂的计算 ,即使可以完成复杂的
计算处理 ,从发起任务请求到得出处理结果所需
的时间很长 ,处理的实时性得不到满足 [ 10 ] 。并且
此类复杂处理会消耗传感器网络大量的能量 ,大
大降低整个网络的生命周期。
2. 1　相关技术
自然保护区传感器网络是由大量部署在自然保
护区的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节
点 ,通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指
定任务的分布式智能化网络系统。传感器网络能够
通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感
知和采集环境或监测对象的信息 ,通过嵌入式系统
对信息进行处理 ,并通过随机自组织无线通信网络
以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端 [ 5 ]。
一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是
自然保护区传感器网络的重要特点。
自然保护区传感器网络是新的计算平台 ,每
个节点都具有环境感知、数据处理和无线通信能
力。但是传感器节点具有电池供电、计算存储能
力有限的特点 ,这使其在处理和利用所得数据时
受到了限制。具有高速计算能力、巨量存储能力
和高速通信带宽特点的网格技术已经成为在动
态虚拟社区中解决大规模分布式、异构资源共享
的一个标准方式 [ 6 ] 。
网格技术起源于复杂的科学计算以及海量的数
据处理。网格计算扩展了以前十分有限的计算能
力。网格计算就是基于网格的问题进行求解 ,实现
大区域范围的计算资源、存储资源、数据资源、信息
资源、知识资源、专家资源、设备资源的全面共享 [ 9 ]。
它可为传感器网络提供高性能计算资源支持。
面向服务的体系结构 ( SOA)是自然保护区传感
器网络提供数据交互操作的解决方案 ,它将传感器
网络应用程序的不同功能称为服务 ,通过这些服务
之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是采用
中立的方式进行定义的 ,它应该独立于实现服务的
硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在传
感器网络系统中的服务可以以一种统一和通用的方
式进行交互。面向对象体系结构使用简单对象访问
协议 ( SOAP)和可扩展标记语言 ( XML )标准 [ 8 ] ,能
够描述、发现和调用来自保护区各种异质传感器网
络的服务。
2. 2　整合架构设计
本文提出的基于自然保护区传感器网络整合架
构 ,是对开放传感器网络体系结构 (OSWA ) [ 3 ]自然
保护区传感器网络和网格计算的结合。它既是一个
服从开放地理空间协会 (OGC)的传感器网络整合框
架 ( SW E)标准的软件框架 [ 1 - 2 ] ,又是一个集成传感
器网络以及分布式计算技术的平台。
该传感器网络整合框架可划分为 4个主要部
分 :基础架构层、应用服务层、应用开发层、应用层 ,
如图 1所示。
基础架构层由感知器件、嵌入式处理器与存储
器、通信器件、嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统
以及网格基础设施等。基础层的功能包括监测感知
对象、采集感知对象的信息、传输发布感知信息、初
步的信息处理、网格数据的采集和网格复杂的计算
处理。
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林 　业 　科 　学 　研 　究 第 21卷
图 1　自然保护区传感器网络整合架构
　　应用服务层建立了几种描述传感器和传感器观
测的编码 ,也为 W eb Service定义了若干标准接口 ,
并且符合 OGC的标准原型规范。该整合架构提供
以下传感器服务 :
传感器通知、收集和观测 ;
数据收集、聚合和存档 ;
传感器协调和数据处理 ;
修正和管理错误传感器数据 ;
传感器的配置和目录服务 ;
传感器网格数据服务和处理服务。
应用开发层主要的作用就是为了更加方便和快
速开发传感器的各种监测应用 ,提供有用的工具。
开发层主要由传感器编程框架、修正和管理传感器
错误数据、传感器的配置服务以及第三方等开发工
具。这个较高层为传感器网络的应用和管理提供
工具。
应用层是由自然保护区的各种应用构成 ,例如
保护区生态系统监测网络、珍稀动物种群监测网络、
保护区森林防火监测网络、保护区内自然灾害的预
测等应用。应用层能够动态获取保护区的数据和资
源 ,并且及时地预测、预报监测情况。
2. 3　整合结构解决的问题
该整合架构采用面向服务的体系结构 ( SOA )。
面向服务的体系提供传感器网络的描述、发现、调用
方法。只要按照标准的协议将自然保护区传感器网
络作为服务发布 ,用户应用可以通过统一的协议发
现和访问服务。自然保护区中的传感器网络不再是
孤立地执行特定的任务 ,它可以被别的应用发现和
调用。构建在架构中的服务可以以一种通用的方式
进行交互 ,把异质的传感器网络变成一个支持可动
态发现和访问的集成统一平台。
该架构提供数据标准说明 ,来解决数据共享的
问题。通过数据收集、聚合服务对自然保护区存档
和实时的观测结果进行编码 ,将数据编码成 XML格
式 ,或者封装成网格处理的标准格式 SOAP格式。
标准编码数据通过网络协议 (HTTP、SMTP或者 FTP
传输协议 )传输到网格应用。另一方面 ,基于 XML
的存档数据也可以通过 XPath和 Xquery等标准 [ 3 ]
的 XML文档查询方式集成到网格应用系统。采用
标准协议和应用程序接口 ,能够发现并调用传感器
网络实时传感数据和存档传感数据 ,异质网络的内
部数据不再只为特定的应用所使用。因此 ,整合架
构的组件化技术可解决数据资源的互操作性问题。
此外 ,基于自然保护区传感器网络的整合架构
有效地分离数据感知与数据处理。传感器网络的数
据处理不是由能量有限的嵌入式传感器来处理 ,沉
重的信息处理负载从传感器网络转移到像网格一样
的高性能分布式系统。由于传感器网络只负责感知
和传送保护区的数据 ,不需要对数据进行复杂的处
理 ,节约了传感器网络的能量。同时 ,具有高性能的
分布式平台能够加速处理和融合数据 ,加快响应数
据复杂处理请求 ,从而使得传感器网络的计算能量
消耗大大降低 ,延长传感器网络的生命周期。
2. 4　事例说明
以自然保护区常见的林火灾害应用为例。保护
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增刊 曾宣皓等 :基于自然保护区传感器网络的整合架构设计
区工作人员与基站通信 ,获取森林火灾辅助决策支
持。这不是简单的查询某节点的温度值或者是林区
着火区域的平均温度 ,而是需要更复杂的计算处理。
例如 :整个林区火势蔓延趋势分析、明火区域识别 ,
并且生成火灾应急预案。该应用通过传感器目录服
务 ,调度多种传感器网络 (包括温度、湿度、风向、视
频等传感器网络 )的协同监测实时数据 ,发现并调用
存档传感器数据和其他网络的背景数据 (包括地形
数据、气候条件数据、GIS数据 ) ,并且把林火决策涉
及的复杂模型和数据计算工作交给分布式系统来处
理 ,利用网格强大的计算、存储等资源 ,实时的处理
和快速响应。
3　小结
随着对保护区实施有效和科学的管理 ,有必要
建立自然保护区的传感器网络。本文通过结合传感
器网络、SOA和网格计算技术设计基于自然保护区
的传感器网络架构。该整合架构标准的服务和应用
程序的接口实现多种异质传感器网络的监测数据和
信息的共享。通过将复杂的数据处理转移到高性能
平台 ,有效弥补了传统传感器网络电源能量有限、数
据处理能力不足。该架构为自然保护区科学管理提
供有效的技术保障。
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