传感设备模块接口标准化及可重用数据采集中间件设计_陈朋朋

计算机研究与发展

ＩＳＳＮ　１０００－１２３９?ＣＮ　１１－１７７７?

ＴＰＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　４７（Ｓｕｐｐ

ｌ．）：２８８－２９２，２０１０　收稿日期：

２０１０－０９－０８　基金项目：

国家自然科学基金重点项目（６０９３３０１１）；国家自然科学基金项目（６０８７３２４８）传感设备模块接口标准化及可重用数据采集中间件设计

陈朋朋 郭忠文

（中国海洋大学信息科学与工程学院　山东青岛　２６６１００）（ｂｅｌｉｅｖｅｓｅａ＠ｇ

ｍａｉｌ．ｃｏｍ）Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｅｎｓｉｎｇ　

Ｍｏｄｕｌｅ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｒｅｕｓａｂｌｅ　ＤａｔａＣｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　

ＭｉｄｄｌｅｗａｒｅＣｈｅｎ　Ｐｅｎｇｐｅｎｇ　

ａｎｄ　Ｇｕｏ　Ｚｈｏｎｇｗｅｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｏｃｅａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ２６６１００）Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ｔｈｅ　ｏｖｅｒａｌｌ　ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ　

ｏｆ　ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ，ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｍｏｒｅ　ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｉｓｓｕｅ，ａ　ｎｅｗ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆｏｒ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｏｄｅｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ　ｉｎ　ａ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｗａｙ．Ａｎｄ　ａ　ｒｅｕｓａｂｌｅ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇ

ｎｅｄ．Ｔｈｅｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　ｈｉｄｅｓ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　ｉｎ　ｔｅｒｍｓ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｏｍｍａｎｄｓ　ａｎｄ　ｄａｔａ　ｆｏｒｍａｔ，ｍａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ａｃｃｅｓｓ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ　ｉｎ　ａ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｗａｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｎｇ　ｍｏｄｕｌｅ　ｉｓ　ｆｅａｓｉｂｌｅ　ａｎｄ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ａｎｄ　ｔｈｅｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ　ｃａｎ　ｓｉｍｐｌｉｆｙ　ｔｈｅ　ｄａｔａ　ａｃｃｅｓｓ　ａｎｄ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｔｈｅ　ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｃａｌａｂｉｌｉｔｙ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；ｍｉｄｄｌｅｗａｒｅ；ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ摘　要　随着传感器网络及其应用的发展，

系统的软硬件复杂性也随之增加，使得传感器网络的程序开发变得更加困难．针对此问题，提出了一种新的传感器网络节点结构，并对传感模块的接口进行标准化描述．然后在此基础上设计可重用的数据采集中间件．该中间件从硬件接口、通信命令和数据格式３方面屏蔽底层差异，使得应用层软件能以统一的方式访问数据资源．仿真证明对传感模块接口的标准化是可行有效的，并且所设计中间件能够有效简化资源的访问操作，增加了系统灵活性和可扩展性．关键词　传感器网络；

中间件；接口配置；标准化中图法分类号　ＴＰ３９３

随着经济和科技的发展，

传感器网络技术得到了长足发展［

１－

３］，各厂商推出了大批优秀的传感器节点来满足不同领域的需求，出于商业、技术考虑或者历史原因，这些节点的功能、接口和使用环境都存在着明显差异．即使在同一应用中，为监测不同的物理量也常常会采用多种不同的传感器，使得整个应用搭建在一个异构平台上．由于硬件接口的差异，用户必须针对各厂商节点进行单独开发，加大了程序开

发的难度和复杂度．不仅如此，随着传感器网络应用范围的不断扩大，

应用程序的种类和规模也越来越大，在此过程中，软件重复开发现象严重，造成大量人力和物力的浪费．显然，由一个厂商去统一众多产品之间的差异是不可能的，而单独由用户在自己的应用软件中去弥补这些差异也是不客观的．上述这一切对传感器网络节点的灵活性设计和传感器网络应用软件的开发都提出了新的要求．

近年来学术界对传感器网络开展了一系列的研

究［４－５］，在传感器网络应用、软件［６－

８］和硬件［９］３部分

均取得了丰硕成果，但对于标准化方面的工作仍处于初始阶段．现有标准化工作主要集中在ＩＥＥＥ

８０２．１５．４，Ｚｉｇ

ｂｅｅ规范、ＩＥＥＥ　１　４５１族［１０

］

和ＳｅｎｓｏｒＷｅｂ．

针对传感器网络节点接口如何进行标准化描述以方便上层应用开发鲜有研究，导致在软件设计和系统集成时无统一标准可循，制约了技术应用和产业迅速发展．本文提出一种新的传感器网络节点结构，

对传感器接口进行标准化描述；同时对作为重要组成部分的数据采集模块进行中间件设计，以屏蔽各种底层复杂接口，从而实现统一的资源访问．与常见的无线网络相比，

传感器网络具有以数据为中心、动态拓扑和自组织等特性，这些特性使得传感器网络的软件开发有别于其他无线网络，传统的中间件开发方法在很大程度上不适用于传感器网络．虽然目前传感器网络中间件有很多研究和原型实现，但仍处于初步阶段．本文研究有着很大的实际应用价值又极富挑战性．

图２　基于ＸＭＬ模式的传感模块描述

１　传感器网络节点硬件体系结构设计

本文设计的传感器节点模型结构如图１所示，主要包括传感模块和网络模块．传感模块主要由传感器探头、Ａ?Ｄ转换器、存储器和ＣＰＵ处理器构成，负责模拟信号处理、采集和数据转换．传感器探头用于探测外部的温度、光度和湿度等需要传感的

信息，上述物理量进一步转化为系统可以识别的原始电信号，

并且通过放大电路的整形处理，最后经过Ａ?

Ｄ转换变成数字信号．对于温度、湿度、光度、声音等不同的信号量，需要设计相应的检测与传感器电路．

网络模块主要包括驱动模块、应用处理器和收发模块．传感模块和网络模块之间可以通过串口、ＵＳＢ等方式进行通信．

在此节点设计中将传感模块和网络模块隔离出来，

信号采集和处理部分的开发完全独立于网络协议栈，使得监测对象更加丰富，节点的上层应用软件开发可以更加统一，从而简化了开发过程

．

图１　传感器节点整体结构

尽管存在各种各样传感器，它们的接口、类型各异，但它们之间存在着一些共性，我们将这些共性提取出来进行标准化．由于ＸＭＬ模式能够提供一个有效的结构、内容和语义定义方式，本文采用ＸＭＬ扩展语言对其进行描述．图２给出了传感模块标准

９

８２陈朋朋等：传感设备模块接口标准化及可重用数据采集中间件设计