基于SWE的傳感規(guī)劃服務(wù)研究與實(shí)現(xiàn)

王建國，許任杰

（西安工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

隨著微機(jī)電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。但隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也暴露出來異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)之間缺乏互通性和互操作性的問題。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，即組成傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)采集、存儲及處理方式等方面的不同，使得這些傳感器網(wǎng)絡(luò)成為僅供特定用戶或平臺使用的信息源，資源的合理配置和共享成為難題，造成了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。為解決這一問題，2005年，開放地理空間聯(lián)盟（Open Geos-patial Consortium，OGC）提出了一種新型的傳感器Web標(biāo)準(zhǔn)——傳感器 Web 整合框架（Sensor Web Enablement，SWE）[2]。 SWE 是一個全新的標(biāo)準(zhǔn)框架，為構(gòu)建“即插即用”（plug-and-play）的基于WEB的傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一個標(biāo)準(zhǔn)的平臺[1]。

SWE由7個規(guī)范組成：觀測與測量（Observation&Measurement，O&M）[4]、傳感器建模語言（Sensor Model Language，SensorML）[5]、 轉(zhuǎn)換器標(biāo)記語言 （Transducer Markup Language，TML）[7]、傳感規(guī)劃服務(wù)（Sensor Planning Service，SPS）[3]、傳感觀測服務(wù) （Sensor Observation Service，SOS）[8]、 傳 感告 警 服務(wù)（Sensor Alert Service，SAS）[6]、Web 通知服務(wù)（Web Notification Service，WNS）[9]。其中，O&M、SensorML、TML 是信息模型，SPS、SOS、SAS、WNS是功能模型，即SWE規(guī)定的4大服務(wù)。其中SPS用于和用戶交互，并對用戶請求進(jìn)行可行性判定和任務(wù)規(guī)劃。SOS用于獲取異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感觀測數(shù)據(jù)。WNS負(fù)責(zé)向用戶發(fā)送觀測結(jié)果。SAS負(fù)責(zé)為用戶請求任務(wù)提供告警服務(wù)。這些Web服務(wù)使得用戶通過Internet就可以實(shí)現(xiàn)對傳感設(shè)備的操控以及傳感數(shù)據(jù)的獲取。

在SWE的框架中，SPS是用戶和其他SWE服務(wù)之間的橋梁，負(fù)責(zé)評估用戶請求集合的可行性并幫助用戶建立可行的傳感器收集計劃和為傳感器和傳感器平臺規(guī)劃任務(wù)請求。有效的傳感信息收集及處理，要求一個準(zhǔn)確而特定的問題或任務(wù)的描述和持續(xù)的更新，從而去保證最全面而準(zhǔn)確的收集傳感數(shù)據(jù)的可能性，因此SPS是SWE系統(tǒng)能否滿足用戶需求的關(guān)鍵。

1 SPS的核心操作

從功能上來講SPS在SWE的各個服務(wù)中扮演一個 “控制中樞”的角色，類似大腦對于人的作用，負(fù)責(zé)“思維”并指導(dǎo)動作。 其核心操作有：Get Capabilities、Describe Tasking、Get Feasibility和Submit。SPS的業(yè)務(wù)流程圖如圖1所示。

圖1 SPS業(yè)務(wù)流程圖Fig.1 The business processes of SPS

Get Capabilities用于獲取服務(wù)實(shí)例的元數(shù)據(jù)文檔，文檔包括SPS服務(wù)的版本號、標(biāo)識信息、所支持的操作、操作的參數(shù)描述（Operations Metadata）以及服務(wù)提供者的信息（Service Provider）等。用戶啟動Get Capabilities操作，得到SPS服務(wù)實(shí)例可能提供的信息后，詳細(xì)的傳感元數(shù)據(jù)才能被獲得。

Describe Tasking用于客戶端對具體需要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)任務(wù)的參數(shù)設(shè)置，并由SPS進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，以執(zhí)行一個提交（Submit）操作。任務(wù)規(guī)劃是SPS最為核心的操作，該操作是為了將任務(wù)準(zhǔn)確定位到傳感器。

GetFeasibility用于用戶在提交任務(wù)前SPS對任務(wù)請求進(jìn)行可行性判定。結(jié)果依賴于用戶的請求和SPS所知道的信息（傳感器資源、傳感器Web服務(wù)和可行性判定算法）。可行性判定使得在任務(wù)提交前用戶對任務(wù)可能的執(zhí)行結(jié)果有一個預(yù)先的了解以便與用戶進(jìn)行下一步操作，同時也提升了系統(tǒng)的執(zhí)行效率。

Submit操作用于提交已經(jīng)SPS規(guī)劃的任務(wù)請求。在執(zhí)行Submit操作后可以根據(jù)響應(yīng)返回的任務(wù)編號（task ID）對已提交任務(wù)進(jìn)行其他操作，如查詢?nèi)蝿?wù)執(zhí)行狀態(tài)（Get Status）、更新任務(wù)（Update）、取消任務(wù)（Cancel）等。

2 SPS體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計

SWE規(guī)范試圖把每一個異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)都放在Web上，通過標(biāo)準(zhǔn)操作發(fā)現(xiàn)和獲取他們提供的服務(wù)，即服務(wù)提供者和服務(wù)請求者之間是低耦合的，因此原型系統(tǒng)可以采用面向服務(wù)的體系架構(gòu)（SOA，Service-Oriented Architecture）。

系統(tǒng)為基于Java Web的SOA架構(gòu)，分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層、數(shù)據(jù)層如圖2所示。

圖2 SPS原型系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.2 Architecture of SPSprototype system

應(yīng)用層提供用戶界面，負(fù)責(zé)與用戶交互。業(yè)務(wù)邏輯層則提供服務(wù)接口，用戶通過業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)具體的操作。在業(yè)務(wù)邏輯層設(shè)計了兩個核心類是SPS Servlet和Request Operation。其中SPSServlet類負(fù)責(zé)處理HTTP請求和返回響應(yīng)。Request Operation類用于接收來自SPSServlet的請求，并檢查請求的有效性，如果是合法有效的請求，則把它交給相應(yīng)的監(jiān)聽類，再由監(jiān)聽類執(zhí)行相應(yīng)的操作。數(shù)據(jù)訪問層設(shè)計若干DAO類和工廠類，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫的交互，為系統(tǒng)所涉及到的每一個業(yè)務(wù)對象收集數(shù)據(jù)。

3 原型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計，并在已經(jīng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)的基于SWE的傳感觀測服務(wù)SOS和Web通告服務(wù)WNS的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一個原型系統(tǒng)。

3.1 應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層采用了“瘦客戶端”——通用的瀏覽器，從而使用戶通過Internet就可以控制傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)。更重要的是將所有的數(shù)據(jù)處理集中于服務(wù)器上，從而使所有的服務(wù)于服務(wù)請求者無關(guān)，而且對服務(wù)和數(shù)據(jù)的更新變得比較容易。

3.2 業(yè)務(wù)邏輯層實(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)邏輯層按照SWE對SPS的規(guī)范設(shè)計了如下列類：

1）SPSServlet類：在SPS系統(tǒng)中擔(dān)任控制器的角色，主要有兩個功能：①根據(jù)初始化系統(tǒng)配置文件和數(shù)據(jù)庫配置文件的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)初始化。②接收HTTP請求并返回響應(yīng)。

2） Request Operation：接收來自 SPSServlet的請求，進(jìn)行合法性檢查，如果是合法有效的請求，則把它交給響應(yīng)的監(jiān)聽類，由監(jiān)聽類進(jìn)行響應(yīng)的操作，如果調(diào)用相應(yīng)的DAO對象獲取結(jié)果數(shù)據(jù)，則對結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行O&M編碼，返回響應(yīng)對象。

3）SPSRequest:代表 SPS的所有請求，如 GetCapabilities Request、DescribTasking、Submit等。所有的 SPS 請求類繼承自同一個抽象類Abstract SPSRequest，這個抽象類中定義了SPS請求所共有的特征。

4）SPSRequestListener:對應(yīng)每個 SPS請求的監(jiān)聽，如GetCapabilitiesListener、GetFeasibilityListener等。 這些監(jiān)聽用于處理相應(yīng)的請求。

5）SPSFeasibility:負(fù)責(zé)對用戶提交的任務(wù)請求進(jìn)行可行性判定。對于不同的任務(wù)請求，可行性判定算法可能和檢測請求參數(shù)的有效性一樣簡單，也可能是一個復(fù)雜的操作，計算在特定時間、地點(diǎn)完成特定任務(wù)的資產(chǎn)可用性。

6）Register:該類負(fù)責(zé)對傳感器資源和傳感器服務(wù) （如SOS）進(jìn)行注冊。基于SWE的傳感網(wǎng)絡(luò)所提供的服務(wù)、SPS的可行性判定算法均依賴于已注冊的資源及服務(wù)信息。

7）SPSEncoder:主要是SPS接收用戶請求參數(shù)以及從數(shù)據(jù)庫調(diào)取數(shù)據(jù)并進(jìn)行O&M或SensorML編碼。8）SPSResponse:用戶請求操作后返回相應(yīng)的請求響應(yīng)。9）SOS異常類:當(dāng)請求不合法或者規(guī)劃任務(wù)出錯時產(chǎn)生的異常。

3.3 數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)層使用工廠模式，由工廠類來創(chuàng)建每個業(yè)務(wù)對象的DAO。這些DAO中提供了訪問數(shù)據(jù)庫的方法。主要方法有：

1）SPSConnectionPool：數(shù)據(jù)庫連接池，用于創(chuàng)建和獲取數(shù)據(jù)庫連接。當(dāng)程序訪問數(shù)據(jù)庫需要進(jìn)行數(shù)據(jù)庫連接時，通過該類獲取數(shù)據(jù)庫連接。數(shù)據(jù)庫訪問結(jié)束后由該類釋放數(shù)據(jù)庫連接資源。

2）SPSSQLDAOFactor：工廠類，該類包含了 SPS所有請求的DAO對象，并提供存取這些對象的方法。

3）SPS請求DAO：主要是執(zhí)行查詢操作。根據(jù)具體的SPS請求，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。用戶通過該類可以獲取所需的數(shù)據(jù)，主要包含GetCapabilitiesDAO、DescribeTaskingDAO、SubmitDAO等。

4）insertDAO：數(shù)據(jù)添加操作，主要是存儲、插入和更新各類傳感器資源、傳感器服務(wù)、現(xiàn)象和任務(wù)數(shù)據(jù)等。

通過3.1~3.3對SPS原型系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)，并在紅外樓宇監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中得到實(shí)踐，紅外樓宇監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 紅外樓宇監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of infrared building monitoring network

網(wǎng)絡(luò)用戶可以通過Internet調(diào)用SPS服務(wù)提出觀測請求，并由SPS對用戶請求進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃最終完成傳感觀測并將觀測結(jié)果以郵件的方式發(fā)送給用戶。

4 結(jié)束語

文中主要通過設(shè)計和實(shí)現(xiàn)基于SWE的SPS原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)SPS的核心操作，使用戶通過互聯(lián)網(wǎng)就能訪問到來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的即時傳感數(shù)據(jù)和來自數(shù)據(jù)庫的歷史傳感數(shù)據(jù)的查詢。但是關(guān)于傳感器Web的研究仍然處于起步階段，筆者所實(shí)現(xiàn)的原型系統(tǒng)功能并不完善，對傳感器資源及傳感服務(wù)的自動發(fā)現(xiàn)未能實(shí)現(xiàn)還需要人為的進(jìn)行注冊。此外系統(tǒng)的任務(wù)分配算法也有待優(yōu)化以提升系統(tǒng)的執(zhí)行效率，這兩方面是今后研究的重點(diǎn)。

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