008065传感器网络数据管理

传感器网络数据管理

李建中 高 宏 石胜飞

哈尔滨工业大学

关键词：查询处理技术 无线传感器网络

引言

随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，人们研制出了各种具有感知能力、计算能力和通信能力的微型传感器。由这些微型传感器构成的无线传感器网络引起了人们的极大关注。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，能够协作地实时监测、感知、采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，获得详尽准确的信息，传送到需要这些信息的用户。由于无线传感器网络可以使人们在任何时间、地点和任何环境条件下获取大量详实可靠的信息，因此，这种网络系统可以被广泛地应用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业和反恐抗灾等领域。传感器网络是信息感知和采集领域的一场革命，在新一代网络中具有关键作用。美国《商业周刊》认为，传感器网络是全球未来四大高技术产业之一，是21世纪世界最具有影响力的21项技术之一。美国麻省理工学院(MIT)《新技术评论》认为，传感器网络是改变世界的十大新技术之一。

传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题。传感器网络的研究起步于20世纪90年代末期。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道。然而，目前的研究结果还比较初步，主要是通过对传统技术的简单改造来初步适应无线传感网络快速发展的需要。虽然也提出了一些新的技术，但多数还处于概念化阶段，距离实际应用还有很大距离。因此，无线传感器网络技术对于我国是一个新机遇。如果我国迅速开展无线传感器网络技术的研究，有希望在无线传感网络的理论、方法和技术方面达到国际先进水平，为我国在未来几年内建立无线传感网络产业打下坚实的基础，为我国信息产业的跨越式发展在核心技术方面提供支持。

传感器网络是以数据为中心的网络，其目的是感知、获取、传输感知数据，回答观察者对物理世界的查询。传感器网络以数据为中心的特点表现在：用户把传感器视为感知数据流，把传感器网络视为虚拟感知数据库，获取、分析、挖掘和理解感知数据，最终做出决策或制定行动方案。以数据为中心的特点要求，传感器网络的设计必须以感知数据管理为中心，密切结合数据库技术和网络技术，从逻辑概念和软硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心的网络系统，为用户提供一个有效的传感器数据管理系统，使用户如同使用通常的数据库系统一样自如地在传感器网络上进行各种应用系统的开发。显然，传感器网络数据管理技术是确定传感器网络可用性和有效性的关键技术，关系到传感器网络的成败。

本文集中讨论无线传感器网络数据管理的概念、问题和目前的研究进展情况。为了容易理解，我们首先对无线传感器网络进行简单介绍。

无线传感器网络及其挑战

无线传感器网络是由大量传感器节点以自组织方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内感知对象的信息，并发布给观察者[1]。

从上述定义可以看到，传感器节点、感知对象和观察者是传感器网络的三个基本要素。无线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器与观察者之间建立通信路径。协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器节点协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。传感器网络中的部分或全部节点可以移动。传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断动态变化。节点之间以自组织方式进行通信。每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。下边，详细讨论传感器节点和传感器网络的概念。

传感器节点由电源、感知部件、嵌入式处理器、存储器、通信部件和软件等几部分构成，如图1所示[2]。电源为传感器节点提供正常工作所必需的能源。感知部件用于感知和获取外界的信息，并将其转换为数字信号。处理部件负责协调节点各部分的工作，如对感知部件获取的信息进行必要的处理和保存，控制感知部件和电源的工作模式等。通信部件负责与其他传感器或观察者的通信。软件则为传感器提供必要的支持，如嵌入式操作系统等。

图2给出了一个典型的传感器网络的结构。这个网络由传感器节点、集中器

（Sink）、互联网或通信卫星、任务管理节点等部分构成[2]。传感器节点散布在指定的感知区域内，每个节点都可以收集数据，并通过“多跳”路由方式把数据传送到集中器。集中器也可以用同样的方式将把信息发送给各节点。集中器直接与互联网或通信卫星相连，通过互联网或通信卫星实现任务管理节点（即观察者）与传感器之间的通信。

传感器网络具有如下鲜明特点。这些特点向我们提出了一系列挑战性问题。

（1）通信能力有限

（2）电源能量有限

（3）计算能力有限

（4）传感器数量大、分布范围广

（5）网络动态性强

（6）大规模分布式触发器

（7）感知数据流巨大

其中，感知数据流巨大是指传感器网络中的每个传感器通常都产生无限的流式数据，并具有实时性。由于每个传感器仅仅具有有限的计算资源，难以处理无限的实时数据流，因此我们需要研究强有力的分布式数据流管理、查

图2 一种传感器网络的结构图1 传感器示意图

询、分析和挖掘方法。这是我们面临的第七个挑战。

传感器网络数据管理的概念和问题

数据管理是传感器网络的核心技术

任何传感器网络应用都离不开感知数据的管理技术。对于观察者或传感器网络的用户来说，传感器网络的核心是感知数据，而不是网络和传感器节点的软硬件细节。观察者感兴趣的是传感器产生的数据而不是传感器网络的基础设施或传感器节点的ID（标识）等实现细节。观察者不会提出这样的查询：“从A节点到B节点的连接是如何实现的？”观察者经常会提出如下的查询：“网络覆盖区域中哪些地区出现毒气？”用户希望在传感器网络和传感器节点的软硬件实现细节对他们是透明的，只希望看到感兴趣的数据。例如，观察者不会提出“地址为27的传感器的温度是多少？”的查询。观察者感兴趣的查询是“地理位置（x, y）的温度是多少？”如我们在引言所述，传感器网络是一种以数据为中心网络。

在所有传感器网络应用中，应用程序员和用户把传感器节点视为感知数据流或感知数据源、把传感器网络视为感知数据空间或虚拟数据库、把数据管理作为应用开发的基础。传感器网络以数据为中心的特点使之设计方法不同于其他计算机网络。传感器网络的设计必须以感知数据的获取、传输、存储、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据的决策和行为等数据管理任务为中心，把数据库技术和传感器网络技术密切结合，融为一体，而不是如同目前的其他网络设计那样分而治之，从逻辑概念和软硬件技术两个方面实现一个高性能的以数据为中心网络系统，为应用程序员和用户提供一个有效的感知数据库管理中间系统，为应用开发提供一个有效的开发平台，使用户如同使用通常的数据库系统一样自如地在传感器网络上进行各种应用软件的开发。

显然，感知数据管理技术的研究是实现高效传感器网络的关键。遗憾的是，到目前为止，感知数据管理和处理技术的研究还不多，大量的问题还有待解决。

传感器网络数据管理的研究问题

传感器网络数据管理的关键问题是传感器网络数据的感知、获取、传输、存储、存取、查询、分析、挖掘、理解以及基于感知数据的决策和行为等。因此，传感器网络数据管理的主要研究可以概括为如下几个方面。

1．模型和语言研究，包括实时传感器数据模型研究、历史传感器数据的模型研究、实时传感器数据操纵语言的研究和历史传感器数据操纵语言等研究

2．传感器网络数据存储技术的研究，包括实时感知数据存取方法与索引技术的研究、历史感知数据存取方法与索引技术的研究、各种元数据的存储技术的研究、面向应用的传感器网络数据存储技术的研究等。

3．传感器数据查询技术的研究，主要包括传感器网络数据操作算法的研究和传感器网络数据查询优化技术的研究，特别是以网内处理为中心的传感器网络数据操作和查询处理的分布式算法的研究。

4．传感器网络数据分析技术的研究，主要包括实时传感器网络数据联机分析处理技术、统计分析技术、其他复杂分析技术的研究以及历史传感器网络数据分析处理技术、统计分析技术和其他复杂分析技术的研究。

5．传感器网络数据挖掘技术的研究，主要包括相关规则等传统类型知识的挖掘算法、与传感器网络数据相关的新知识模型及其挖掘技术的研究、以网内处理为中心的传感器网络数据的分布式挖掘算法的研究等。