物聯網范式中的一種自重構傳感器網絡管理系統

張新華，李 紅

ZHANG Xin-hua1, LI Hong2

（1. 商丘師范學院 計算機與信息技術學院，商丘 476000；2. 阜陽師范學院 經濟與商業學院，阜陽 236041）

0 引言

物聯網（IOT）是連接世界各地異構設備的范式，這些設備包括家電、車輛、道路和智能材料等，它們被通過互聯網來尋址和管理[1]。網絡管理對物聯網的成功部署和管理非常關鍵。網絡管理系統是一個集硬件和軟件于一身的網絡管理實體，具體來說有路由器、交換機、網關和其他網絡單元，傳統方法（如電信網絡管理系統）管理物聯網時，由于其有限的帶寬和傳輸距離的限制，使得傳感器網絡的管理非常困難，一些基本問題如配置、控制等不可能手動管理，所以傳感器網絡管理系統非常有必要。但至今為止，仍然沒有任何的傳感器網絡管理系統(SNMS）的網管標準。因此，本文的研究重點是研究SNMS中的一些基本問題，并為SNMS提供一個良好的體系結構。

1 傳感器網絡的管理

1.1 SNMS協議

簡單網絡管理協議 (SNMP)的前身是簡單網關監控協議(SGMP)，用來對通信線路進行管理。隨后，人們對SGMP進行了很大的修改，特別是加入了符合Internet定義的SMI和MIB體系結構，改進后的協議就是著名的SNMP[2,3]。SNMP的目標是管理互聯網Internet上眾多廠家生產的軟硬件平臺。

傳感器網絡管理協議（sNMP）是一種管理，它定義了代表網絡當前狀態的傳感器模型，并定義了各種網絡管理功能。sNMP為檢索網絡狀態信息提供執行算法和執行工具[4]。在當今文獻中有許多傳感器網絡的管理協議和架構，它們基于多個不同方面如：網絡健康監測、故障檢測、擁塞避免、電源管理和資源管理等。通用網絡管理層協議的開發是一個具有挑戰性的研究課題，對無線傳感器網絡來說仍是一個未知領域[5]。

1.2 WSN的架構

管理一個廣泛的基于異構網絡的物聯網，需要節點結構靈活，并且適應于網關所管理的簇節點。每個網絡的生存周期、采樣率、響應時間都略有不同，所以無線傳感器網絡的結構必須足夠靈活以適應不同的應用需求。此外，傳感器結構應該是便于集成和盡量輕便，因此，在高效率的前提下，設備需要進行硬件和軟件的模塊化設計。為了滿足生存周期長的要求，每個節點的結構必須足夠牢固，但由于無線傳感器網絡的節點的電路面積和計算能力有限，所以它的結構必須進過特殊化設計。任何典型的物聯網監測應用都可分成六塊：感知、處理、產生感知數據、發送感知消息、無線電接受與發送。

以下為物聯網中傳感器設備的典型特征：

1）主元件中包含基于事件驅動的節點。

2）節點應支持標準機制，如硬件加速等以提升性能。

3）節點為特殊應用而優化。

4）在網關處進行數據處理和過濾，以增加節點的續航時間。

5）節點必須以低級別來命名，以減少通信開銷。

6）因為電源是傳感器節點的主要要求，并且電源效率取決于節點上的軟件，所以應該有一個分析協議來分析電源需求，以控制各種軟件應用。

按照以上特征來設計傳感器節點，可以降低傳感器網絡管理的復雜度和處理開銷。當傳感器節點設計完成以后，下一個挑戰就是設計一個高效智能的網關來處理不同傳感器節點的數據。

近來，在傳感器網絡的網關和節點處進行數據收集、數據處理和數據存儲的創新成為一個熱點，這些數據收集和數據處理網絡之間的一個共同的需求就是：一個或多個網關連接到它們的遠程傳感器。監測應用中的網關有一些常見任務，如：處理無線傳感器網絡的原始數據、管理無線傳感器網絡的高效數據庫、向遠程用戶傳送監測數據、幫助使用者操縱傳感器節點、故障檢測和告警用戶。這些功能的共性使得設計通用網關平臺成為可能。同樣重要的是網關的低功耗，這個有利于所有的部署。我們進行了一個小實驗來尋找傳感器節點的能量消耗。實驗裝置包括兩個兼容IEEE802.15.4的無線模塊：德州儀器的CC2430。這兩個天線是接地的四分之一波長單極天線。其中一個模塊預先設置為發送數據模式，數據包的大小是20字節，100毫秒的傳輸時間間隔。第二個模塊設置為接收模式，連接到一臺PC主機，其存儲有從發射模塊接收到的消息的相應RSSI值，測量結果如表1所示。

表1 通信節點的能量損耗

從測量結果可以看出，節點在傳送與接受數據時消耗更多能量、處理數據時也要消耗相當一部分能量。當有更多的設備需要監測和控制時，如我們能對此作出改良，那么就可以以提高整個網絡的續航時間。

圖1描述了該軟件的架構，若將它用于網關，則可以有更高的效率和更少的能量損耗。

圖1 傳感器網關結構

2 傳感器網絡管理系統的可行性研究

如上節所述，一個好的傳感器網絡管理系統開銷更少，能量消耗也更低。在本節中，我們做一個詳細分析，從已有的傳感器網絡管理系統中選取設計最佳SNMS。現在的網絡管理不能被直接應用于SNMS，本節先研究了已有的網絡管理系統（NMS），以便設計一個好的SNMS。一個典型的NMS結構為一個三層系統：NMS，網元管理系統（EMS），分布的網元；這就需要它們之間有一個協議來進行上下層之間的通信。一些用于 NMS和 EMS通 信 的 接 口 有：sNMP，CORBA，Socket，串行接口等等。雖然已經有一些協議可用于不同層之間的信息交換，但是他們還需精簡。最為突出的是傳感器建模語言，即sensorML（由美國宇航局提出）：基于XML標準，發現、處理和定位傳感器。這種類型的接口可用于EMS和傳感器節點之間，兩個無線設備間的標準因特網接口是6LOWPAN，其傳感器節點具有IPV6地址，802.15.4的數據被壓縮和封裝成IPv6格式。SNMS的設計基于無線傳感器網絡所使用的接口或協議，在無線傳感器網絡中廣泛使用的一些協議有：ZigBee，WHART，MIWI等。

3 異構傳感器網絡管理系統的架構

3.1 整體SNMS架構

基于前文所述，我們提出的“異構傳感器網絡管理”由五部分組成：傳感器用戶接口管理(SUIM)、傳感器安全管理(SSM)、傳感器網絡配置管理(SNCM)、傳感器節點管理(SNM)和網關管理(GM)，結構如圖2所示。

圖2 異構SNMS結構

這種結構支持異構WSN管理，這對于物聯網是最優的，因為本地聯網的設備可以通過它們自己的接口與外界相連。各管理層的功能如圖2所示。SUIM可以管理用戶方系統的傳感器顯示、用戶認證和上下文相關查詢處理。SSM提供安全管理功能如：1)傳感器的物理安全：傳感器被移動或被盜竊時通知用戶；2)數據防篡改；3)傳感器驗證：任何接入到網絡中的傳感器都必須先通過認證管理進行認證，然后再發揮在傳感器網絡中的相關功能。SNCM處理網絡配置、拓撲管理、數據采集調度和傳感器電源管理。SNM負責發現新的傳感器、配置傳感器，發現故障、傳感器數據庫同步和傳感器的據處理。GW負責網關配置、網關成極和SNMS與網關間的接口。另外，它還要負責產生管理傳感器和時間通知處理的命令，它能夠同時處理如SNMP，CORBA等的異構接口。

通過以上討論可知這種結構不同種類的管理。這就需要不同的信息結構來處理這些管理事務，在下節中我們將討論各種接口和管理事務的消息格式。

3.2 SNMS的接口、消息和流

1）接口

SNMS管理所提出的5層可歸結為三大部分：用戶核心、SNSM核心和網關核心。用戶核心具有用戶接口管理操作。SNMS核心包括SSM、SNCM和SNM；網關核心具有網關管理組件。除了網關核心，其他核心還有一個連接數據庫管理系統的接口。網關核心和網關之間可通過標準接口 如 SNMP，CORBA，COM / DCOM等 進 行 通信，為簡便起見，假設接口為SNMP，各個核心之間的接口用來進行進程通信，如消息隊列、信號和共享內存，核心可以分散開來或者集中于單一服務器。

2）信息結構

以下四個基本信息類型專為SNMS的順利運行而設計：

（1）命令消息幀；

（2）Name-Value幀；

（3）傳感器同步消息幀；

（4）傳感器事件報告信息幀。

命令信息幀（圖3a）有五個部分：事務ID、網關ID、傳感器ID、命令和輸入參數。

圖3 幀結構

Name-value幀（圖3b）使用單一命令就可以配置傳感器的多個參數，有三個部分：長度、Name和value。

傳感器同步消息幀（圖3c）用來同步SNMS和網關之間的傳感器信息。網關以下的傳感器數據量非常大，所以無法一次將所有數據傳送給NSM，所以要分幀傳送；該幀有六個部分：事務ID、網關ID、長度、傳感器ID、傳感器數據和結束標志。

傳感器事件報告信息幀（圖3d）用來處理傳感器傳向SNMS的事件報告，有六個部分組成：事件ID、網關ID、傳感器ID、事件類型、事件數據和時刻。

隨著物聯網系統的日益復雜，傳統的人工管理方式將無法勝任復雜物聯網系統的管理，這將阻礙新服務和新應用的產生，但如果系統能夠實現如自主管理，自主修復和自主配置，那么這種問題將迎刃而解。更高可靠性和更強適應性的智能自主管理系統正在發展，分布式智能合作方式是這個方向的趨勢。復雜無線傳感器網絡的自動管理優勢日益凸顯，對認知網絡的廣泛研究也正在進行。多種架構方案正在被探索研究，如集中代理，分層代理，還如控制機制，如網絡設備與控制代理端的基于策略的仿生自動控制環。

圖4 簡化的系統結構

4 自動無線傳感器網絡管理系統

根據以上所講述的相關概念，一個簡化的SNMS自主管理結構可以設計成一個智能控制環，通過環境參數，網絡狀態，應用關系等在網絡級來優化控制策略。它包括一個優化核心，通過一個合適的SNMS協議來訪問網絡狀態信息，然后用優化引擎來計算控制參數，其目的是滿足最佳意義上的制約策略。策略將指定制約因素，如網絡規模、成員控制和安全設置等。簡化設計如圖4所示。

5 結束語

傳感器網絡的流暢管理是非常有必要，它同時也延長了傳感器節點的生存時間，這就要求其有標準的管理功能，標準的消息格式和標準的接口類型。為了實現這一目標，本文提出了一個很好的異構自優化SNMS架構框架，這方面的研究正在廣泛進行中，以設計和實現自重構無線傳感器網絡。

[1] 項有建. 沖出數字化: 物聯網引爆新一輪技術革命[M].北京: 機械工業出版社, 2010.

[2] 陳晨, 高新波. 一種無線傳感器網絡移動性支持自適應MAC協議[J]. 西安電子科技大學學報, 2010, 37(2): 279-284.

[3] 李法慶, 孫友偉. 無線傳感器網絡與以太網絡幀結構轉換[J]. 西安郵電學院學報, 2010, 15(3): 68-71.

[4] 高志剛, 陸慧娟. 物聯網硬實時控制系統中可調度性分析方法的研究[J]. 電信科學, 2012, 24(1): 92-96.

[5] 謝秀穎, 邵珠虹. 基于物聯網和數據融合的空調故障診斷系統及方法[J]. 計算及應用研究, 2012, 29(2): 565-568.