海洋觀測網絡化智能接口標準的研究

張帥，張鎖平，齊占輝

（國家海洋技術中心 天津 300112）

海洋觀測技術作為認識海洋、開發海洋的高技術手段，是建設海洋強國、捍衛國家安全和實現可持續發展的偉大目標所必不可少的。在海洋觀測領域，為了滿足目前海洋研究、開發和利用對于空間性和實時性的強烈需求，構建能夠綜合、協調、實時、持續地獲取各種海洋物理參數的海洋觀測系統是必然的發展趨勢[1]。

為了實現海洋環境信息的大規模、實時地獲取與控制，海洋觀測系統需要對底層儀器（包括傳感器或執行器）組網進行各種參數的獲取。

網絡化的觀測方式，更注重系統性和整體性，通過性能可靠和實時連接的所有觀測平臺、探測設備、傳感器協同觀測，實現海洋環境信息共享與交互。但是目前儀器的軟件協議和數據格式大多是非標準的而且并不統一[2]，這就給系統構建、擴展、更新和維護等帶來很多不便。一方面，對于海洋觀測系統的組建來說，各種協議的不兼容直接導致現場布線復雜，容易導致混亂并出錯，大大增加了工程任務量；另一方面，對于系統的維護來說，更換系統中的海洋儀器時，幾乎都需要技術人員進行手動安裝和配置，而海上工作環境比較惡劣，這就增加了人為出錯的可能性[3]。

國際上的一些研究機構在上個世紀九十年代就開始研究解決這些問題[4]。這些機構致力于發展能夠應用于海洋觀測系統中的底層儀器接口和網絡應用層接口的技術標準，通過實現海洋儀器的互操作性，以最小的人力和高可靠性進行系統的構建和維護。

1 IEEE 1451

美國國家標準技術研究所（NIST）和IEEE儀器與測量協會傳感技術委員會聯合從1997年開始推出IEEE 1451系列智能變送器接口標準 （Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators），很好地解決了不同廠商之間傳感器的互換性和互操作性問題，便于系統的構建與維護，因此成為當前信息化、網絡化、智能化海洋觀測領域研究熱點之一。

制定IEEE 1451標準的目的是開發一種軟硬件的連接方案，將智能變送器連接到網絡或者用以支持現有的各種網絡技術，包括各種現場總線及Internet/Intranet。此標準通過定義一整套通用的通信接口，使變送器在現場采用有線或無線的方式實現網絡連接，大大簡化由變送器構成的各種網絡控制系統，解決不同網絡之間的兼容性問題，做到變送器的“即插即用”，并能夠最終實現各個廠家產品的互換性與互操作性。

目前國際標準組織ISO和IEC已經接受了IEEE 1451系列標準，將其納入了ISO/IEC/IEEE 2145X標準體系。

1.1 IEEE 1451標準系統模型

IEEE 1451標準中的網絡化智能接口主要分為兩個功能模塊[2-，5]，如圖 1 所示。

圖1 IEEE 1451標準系統模型Fig.1 Model of IEEE 1451 standard

一個模塊是網絡應用處理器（Network Capable Application processor：NCAP），它主要負責網絡通信、STIM 通信、數據轉換等功能。NCAP是標準傳感器總線與專用網絡總線之間的接口，提供網絡連接或者網關的功能。這一部分與微處理器集成到一起，在網絡化傳感器中起控制的作用；

另一個模塊是智能變送器模塊（Smart Transducer Interface Module；STIM or TIM），它包括傳感器或執行器、信號調理器、AD或DA轉換器、物理接口以及一系列變送器電子數據表格（TEDS）。該模塊能夠支持單個或多個通道。它既可與傳感器相連也可與執行器相連接。每一個STIM最多可與255個變送器通道相連接。每一個通道實際上就是STIM上的一個變送器單元。

NCAP與網絡連接有 3種方式：1）IEEE 1451.0超文本傳送協議（HTTP）；2）IEEE 1451.1 標準；3）智能變送器網絡服務 （STWS）。NCAP與 TIM之間的接口被定義為 IEEE 1451.X物理接口規范，根據不同的應用需求選擇不同的子標準接口規范。

1.2 IEEE 1451協議棧結構

IEEE 1451標準經過多年的制定與修改，目前形成了8個子標準，分為面向軟件的接口與面向硬件的接口兩大部分。

軟件部分主要由IEEE 1451.0和IEEE 1451.1組成，通過面向對象模型的概念描述了網絡化智能變送器的行為，定義了適應于接入不同測控網絡的智能變送器軟件接口規范；同時定義了一個通用的功能、通信協議和電子數據表格，可以加強IEEE 1451族系列標準之間的互操作性。

硬件部分由IEEE 1451.2～IEEE 1451.7組成，主要針對智能變送器不同的應用背景與目的[6]，包括點對點（RS-232、UART、SPI等）、多點分布式、混合模式、無線（WiFi，Bluetooth，ZigBee等）、CANopen和RFID通信。

1.3 變送器電子數據表格（TEDS）

TEDS技術是IEEE 1451最重要的技術革新之一，是使變送器能夠像計算機上USB鼠標一樣實現“即插即用”功能的關鍵所在，使傳感器具有了自我識別和自我描述的能力。它能夠充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關的參數，并將其向終端傳送，使終端可了解應用的傳感器或執行器的相關參數，并做出相應調整。增加或更換不同的變送器時，只要在TEDS中增加或改變相關的內容即可。不同的子標準定義的TEDS格式并不完全一致，可以根據不同的應用需求進行選擇。

TEDS的實現由于受到海洋觀測環境的限制以及實現成本等方面的影響，目前主要有硬件實現和軟件虛擬實現兩種方法。硬件實現上，TEDS一般貯存在變送器內置電子存儲設備中，也可以采用虛擬TEDS，TEDS相關信息以數據庫形式存儲在系統中。

1.4 智能變送器Web服務（STWS）

STWS由一系列用于訪問IEEE 1451智能變送器的Web服務組成。STWS建立在面向服務架構（SOA）和IEEE 1451.0變送器服務的基礎上，并且由Web服務定義語言（WSDL）來描述。STWS WSDL規范被分為6個主要元素：定義、類型、信息、端口類型、綁定和服務。STWS為IEEE 1451智能變送器提供了一個統一標準的Web服務。

STWS有3種存在方式[7]，如圖2所示。

圖2 用于IEEE 1451智能變送器的STWS統一標準Web服務Fig.2 STWS-A unified web service for IEEE 1451 smart transducers

1）存在于單獨的計算機中，為IEEE 1451智能變送器服務；

2）存在于NCAP中，為基于IEEE 1451的傳感器網絡服務；

3）存在于集成的IEEE 1451智能變送器中。

通過STWS這個標準方式，我們可以實現IEEE 1451智能變送器在網絡服務應用方面（傳感器應用）的互操作性。

2 OGC SWE（傳感器Web整合框架）

2005 年，開放地理空間聯盟（OGC）提出了一種革命性的開放標準架構——傳感器Web整合框架（SensorWebEnablement，SWE），目標是能夠通過Web發現、訪問、應用所有類型的接入Internet的傳感器資源（包括硬件資源和數據資源）[8]，為構建“即插即用”的基于Web的傳感器網絡提供一個標準的平臺。SWE是一個全新的標準框架，給海洋界提供了海洋觀測系統發展的新機遇，而且還在不斷地修訂和完善中[9]。

2.1 概念與功能

通常我們所說的傳感網（sensor network）是一個計算機可訪問的網絡，它是由地理空間上分布的許多傳感器組成，用以監測不同地區的環境因素，如溫度、聲音、震動、壓力、物體的運動或者一些污染情況。而傳感器Web是指通過Web可訪問的傳感網，使用標準協議和應用程序接口（API），我們可以通過Web訪問接入網絡的傳感器數據。

SWE致力于實現傳感器觀測數據的發現、交換和處理，以及觀測系統的任務分配，其想實現的功能主要包括[10-11]：

1）發現滿足用戶及時需求的傳感器系統、觀測數據以及觀測方法；

2）確定傳感器的性能和測量質量；

3）訪問傳感器參數；

4）檢索以標準方式描述的實時或存檔的觀測數據；

5）傳感器采集數據的任務分配；

6）通知由基于某些標準的傳感器或傳感器服務發布的告警。

2.2 體系結構

SWE能夠完善海洋觀測系統的方法主要有兩種：一是以標準形式描述傳感器以及觀測數據；一是定義標準的網絡服務接口。

為了支持上述方法，OGC-SWE已經開發并測試了如下規范[10-11]：

1）觀測與測量（O&M）——標準概念模型，采用XML架構，用于描述存檔的和實時的底層傳感器觀測數據。O&M標準可以實現海洋儀器之間的數據互操作。

2）傳感器建模語言（SensorML）——標準概念模型，采用XML架構，用于描述傳感器、系統和工作流程；對于傳感器的發現和定位，海洋觀測網絡的配置，傳感器觀測數據的處理等提供必需的信息。

3）變送器置標語言（TML）——概念模型，采用XML架構，用于描述變送器內部以及出入海洋觀測系統的實時數據流，為Web信息交互提供了統一的標準格式。

4）傳感器觀測服務（SOS）——標準Web服務接口，用于請求、寄存、過濾和檢索觀測數據以及傳感器系統信息。SOS在客戶端與觀測數據庫之間起中介作用。

5）傳感器規劃服務（SPS）——標準Web服務接口，用于響應用戶需求，分配傳感器任務。SPS在客戶端和傳感器收集管理環境之間起中介作用。

6）傳感器告警服務（SAS）——標準Web服務接口，用于發布和訂閱來自傳感器的警報。

7）Web通知服務（WNS）——標準Web服務接口，用于異步傳輸來自SAS、SPS網絡服務和其他服務的信息或警報。

上述規范是SWE的核心，能夠為海洋觀測系統提供大量統一的Web服務接口，為滿足終端用戶需求的傳感器自識別、觀測數據的獲取、數據交互、任務分配以及告警信息發布等功能的實現提供了具體的解決方案。

2.3 傳感器建模語言（SensorML）

傳感器建模語言是SWE的關鍵組成部分，并且提供了標準傳感器模型和XML代碼，用以描述與傳感器相關的工作過程，包括傳感器系統的測量和測量后加工處理。所有的處理過程都定義了它們的輸入、輸出、參數、方法和相關元數據。它提供的是傳感器系統的功能模型，而并不是系統硬件的詳細描述。

可擴展標示語言（XML）架構可以被用于發布傳感器性能、定位和接口的正式描述[12]。Web客戶端和服務器能夠分析并翻譯XML數據，實現傳感器的自動發現，并評估這些傳感器的特性。另外，如果預先對海洋觀測系統不了解，這些信息也使應用軟件能夠定位和處理底層傳感器數據。

在XML架構中，針對不同的目的，傳感器控制接口與上層系統能夠自動通信：確定傳感器的狀態和位置信息；發送命令到傳感器或傳感器平臺；訪問存檔的或實時數據。通過一個專有的或自定義的接口，或者通過IEEE 1451標準接口，都能實現基于Web的應用與底層傳感器系統的連接。

2.4 傳感器接口描述符（SID）

傳感器接口描述符（SID）由德國的52North公司開發，被看做OGC-SWE的一部分。對于側重于Web服務的SWE來說，SID是實現觀測系統底層傳感器互操作性的一種可行方法。它以一種標準方式描述傳感器接口以及它的命令和數據響應格式，并對這種描述進行解釋。對于接口的描述，我們需要使用擴展的SensorML。對于SID來說，SID翻譯器的使用是非常重要的。SID翻譯器讀接口描述，然后會依據相應的信息生成對于儀器的命令。原則上存在兩種運行模式：

1）SID翻譯器周期性地向儀器發送命令，讀出測量數據并將其發送到SOS；

2）SID響應SWE客戶端發送的請求，生成相應的專有儀器命令。

使用SID的一個海洋觀測系統模型如圖3所示[13]：

3 PUCK協議

PUCK協議全稱為智能化可編程水下連接器（Programmable Underwater Connector with Knowledge[2]），是一種簡單的命令協議，由美國的MBARI（Monterey Bay Aquarium Research Institute）提出，目的是簡化海洋傳感器網絡的集成和維修。目前大多數傳感器網絡需要技術人員進行手動配置以確保軟件部分與儀器緊密聯系在一起。這些配置步驟非常耗時并且容易出錯，尤其在一些惡劣的環境下必須進行手動配置時，更是增加了出現人為出錯的可能性。使用PUCK協議后，當儀器被安裝時，系統會自動地識別這個儀器，我們稱之為“即插即用”。目前PUCK協議已經發展得非常成熟并且被OGC組織所接受，成為了一個OGC標準[5]。

圖3 使用SID的海洋觀測系統模型Fig.3 Ocean observing system using SID

PUCK協議的優點如下：1）簡單易懂，從儀器自身檢索相關的信息；2）制造商們在固件中使用PUCK協議，而不用外接電纜和連接器；3）兼容已存的儀器協議；4）不限制負載的格式和內容；5）適用于RS-232、RS-485和以太網接口的儀器。

3.1 PUCK信息載體

PUCK協議在PUCK存儲器中定義了一個小型標準的“儀器數據表”，能夠在每個使用PUCK協議的儀器中被檢索到。這個數據表的元數據包括一個唯一的標識符（UUID），以及制造商和型號代碼。這些元數據可以作為更加大量的儀器信息的指針。例如，如1451 TEDS或SensorML文檔這樣的儀器描述文檔被存儲在一個外部定義的數據庫中，而UUID就是打開這個數據庫的鑰匙。所有使用PUCK協議的儀器必須提供數據表。

此外，PUCK協議還在PUCK存儲器中定義了一個可選的“PUCK負載”，其中包括運行這個儀器所需要的額外信息，如儀器驅動代碼，以及像SensorML這樣的元數據。就驅動代碼而言，我們需要注意的是，代碼并不是由儀器來執行，恰恰相反，代碼是由主機通過PUCK檢索到并執行。PUCK并不限制負載內容，其由觀測系統的開發人員和使用者來決定[14]。

3.2 PUCK協議的發展

PUCK v1.4版將此協議的應用從RS-232擴展到以太網接口——“IP PUCK”協議，其中包括零配置網絡（Zeroconf）的應用[15]。這種應用使得在IP網絡中安裝和識別傳感器[16]變得更加簡單。

4 標準協議之間的分析比較與應用實例

4.1 IEEE 1451與OGC SWE之間的對比

由上文可知，對于在海洋觀測系統中的應用，IEEE 1451與OGC SWE都是綜合性標準，都能夠獨立完成從底層傳感器到頂層web服務的系統標準化設計，但是二者之間仍然存在很大的差別。IEEE 1451的側重點是海洋觀測系統中底層儀器接口的標準化，實現變送器的“即插即用”；而SWE側重于海洋觀測系統中的Web接口服務，實現數據傳輸和處理的實時性。

對于傳感器特性的描述，IEEE 1451與OGC SWE分別提供了各自的元數據框架——TEDS與SensorML。TEDS描述了底層傳感器的基本功能（硬件、校準、感測、屬性），但它不能為邏輯意義上傳感器提供所有的額外描述信息，它也不能描述高層的數據處理，得轉換為應用層所需的數據類型；而SensorML適用于高等級應用，并且提供了一個更加綜合的模型，其中包括如傳感器數據采集與處理這樣的復雜特性，正好可以克服TEDS這兩方面的缺陷。因此，TEDS到SensorML之間的映射問題是目前的焦點問題之一，如果能夠有效地結合這兩種標準，建立全新有效的標準化海洋觀測體系將會事半功倍。

但是，這兩種標準仍然存在如下問題：1）體系龐大，內容非常復雜，人們理解起來非常費時費力；2）如今嵌入式處理器應用越來越廣，低成本和低功耗的考慮越來越多，因此人們可能只能執行標準的一部分；3）使用標準時，人們不得不拋棄不能實現標準的固件，而這些固件往往代表著資金和時間的投入，造成這個問題的最主要的原因是制定標準時沒有處理好與已有標準協議的關系；4）IEEE 1451與SWE仍在修訂和完善，標準的修訂版本必須確保能夠“向后兼容”，并且儀器固件也要升級以保持和最新標準的兼容。

4.2 PUCK協議與其他標準之間的對比與存在問題

與IEEE 1451和SWE標準相比較，PUCK協議是一種標準本地儀器協議，只用于實現底層儀器的互操作性。相較前兩者而言，PUCK協議非常簡單易懂，最重要的是，PUCK與IEEE 1451、SWE能夠兼容共存并為其提供支持，如圖4所示。

圖4 PUCK兼容其他標準Fig.4 PUCK is compatible with other standards

PUCK協議仍然存在如下問題：1）雖然相對簡單易懂，但是使用PUCK的同時，人們仍然需要儀器驅動；2）PUCK協議本身并不支持儀器互操作性；3）隨著上層協議的升級，執行這些協議的PUCK負載也必須隨之升級。

4.3 標準的實際應用

IEEE 1451標準處理傳感器原始數據，OGC-SWE將經過處理的數據傳遞到Web應用上。正確地結合使用SWE與IEEE 1451標準能夠準確無誤地將傳感器信息從物理傳感器傳遞到Web應用上。PUCK協議能夠支持其他標準，并簡化海洋儀器到海洋觀測系統的集成。因此，如何正確合理地集成SWE、IEEE 1451和PUCK等標準協議，是目前國際上的焦點問題。

MBARI、OGC與由NIST領導的傳感器標準協調工作組（SSHWG）中的一些成員共同開發了一個互操作性儀器試驗臺，演示了IEEE 1451、OGC SWE與PUCK協議的綜合使用，實現了快速采集、融合與評估不同儀器和觀測平臺的數據[5]。

5 結束語

隨著海洋觀測技術的發展，網絡化觀測模式成為當前的熱點，更加注重系統性、兼容性、交互性，對探測設備和傳感器要求具有“即插即用”的特點。變送器底層接口標準可減少硬件方面的復雜度，實現海洋儀器的互換性，網絡應用層接口標準可實現數據的共享與交互，從而滿足海洋觀測系統的擴展、更新維護等保障需求。

智能海洋傳感器聯盟（SOSC）等國際海洋組織正在大力推廣IEEE 1451、SWE、PUCK等標準協議，這些年已經取得了很大的發展。目前這些標準已經成功地應用于國際上的海洋觀測系統中，而我國海洋觀測領域在此方面還是空白狀態。我國的海洋科研人員如果能夠在海洋觀測系統的構建、改進上借鑒這些國際上先進的接口標準，將會大大提高我國海洋觀測系統的信息服務效率和技術支撐能力。

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