基于自然保护区传感器网络的整合架构设计

林业科学研究2008，21(增刊)：126～129
For es t R esea r ch
文章编号：1001—1498(2008)增：Ft l-0126-04
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；S O A；网格计算；O S W A
中图分类号：仰9文献标识码：A
D e si gn of I nt egr at ed A r c hi t ect ur e B ased O i l N at ur e R e se r ve S e nsor W e b
Z E N G X ua n—hao。

Z H A N C X u，L I Fa n，D E N G G uang．G U O Y i ng
(R es ear ch In st i t ut e o f Fo re s t R es o ur ce I n f o r m a t i o n Tech ni ques，C A F，B eij i ng100091，C hina)
A bs t r act：A n i nt egr at e d ar chi t ec t ur e based o n N at ure R es er ve Sens or W e b w as‘des i gned ai m i ng at sol vi ng t he pr obl em s of poor ca pabi l i t y of r es ou r ce shar i ng，dat a proc e ssi ng and st o r i ng，as w el l as pow e r r es t r i c t i on．C om bi ned w i t h t he ser vi ce—or i ent ed ar chi t ect ur e，gr i d t ec hni que and se n so r w e b t e chni que，t he ar chi t ec t ur e c oul d shar e t he da t a s ha ri ng i n het e roge ne ous net w or ks，and obt ai n com pl ex com put i ng r esu l t s i n t i m e，and c oul d al s o s av e t he pow er and prol ong t he l i f ec ycl e of s en s o r w eb．
K ey w or ds：s ens or w eb；na t ure r es er ve；SO A；甜d com put i ng；O SW A
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∞。

7J：
(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I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
收稿日期：2007．12—10
基金项目：曰家科技基础条件平台T作重点项目“保护区数字化技术研究与共享系统研建”(2005D K A21400434)作者简介：曾宣皓(19“一)。

男，湖南湘乡人，硕￡．
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‘71。

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"1。

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¨0|。

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式将所感知信息传送到用户终端¨J。

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¨J。

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旧J。

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(S O A)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(S O A P)和可扩展标记语言(X M L)标准旧J，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(O SW A)b1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(O G C)的传感器网络整合框架(S W E)标准的软件框架u‘2J，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、网格的采集和网格复杂的计算处理。

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林业科学研究第2l卷
应用层
应用开发层应用服务层基础构架层
I珍稀动物种群l森林防火|J病虫害
广——————————1广——————————]广——————————1
监测网络监测网络||监测网络
固…圈
广—]
l传感器J
l目录服务I I．．．．．．．．．．．一
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 Ser vi ce定义了若干标准接口，并且符合O G C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(SO A)。

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X M L格式，或者封装成网格处理的标准格式SO A P格式。

标准编码数据通过网络协议(H I T P、SM T P或者FT P 传输协议)传输到网格应用。

另一方面，基于X M L 的存档数据也可以通过X Pat h和X quer y等标准”J 的X M L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
蓟刮施设
～
翱
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、G I S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、SO A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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