传感器网络及其数据管理的概念、问题与进展

1000-9825/2003/14(10)1717©2003 Journal of Software 软 件 学 报Vol.14, No.10传感器网络及其数据管理的概念嵌入式计算技术感知和采集各种环境或监测对象的信息,并对其进行处理,传送到这些信息的用户.传感器网络是

计算机科学技术的一个新的研究领域,具有十分广阔的应用前景,引起了学术界和工业界的高度重视.介绍了传感器网络及其数据管理的概念和特点,探讨了传感器网络及其数据管理的研究问题,并综述了传感器网络及其数据管理的研究现状.

关键词:传感器;传感器网络;传感器网络数据;传感器网络数据管理

文献标识码: A中图法分类号:TP393

第一作者简介: 李建中(1950

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随着通信技术

传感器网络综合了传感器技术Journal of Software 软件学报 2003,14(10) 计算能力和通信分布式信息处理技术和通信技术,能够协作地实时监测能力的微型传感器开始在世界范围内出现.由这些微型传感器构成的传感器网络引起了人们的极大关注.这种干湿度等,为制定作战方案提供可靠的信息.传感器网络可以使人们在任何时间国家安全交通管理制造业

工业界和学术界的极大关注.

美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划,投资34 000 000美元,支持相关基础理论的研究.美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力

美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的

工作,纷纷设立或启动相应的行动计划.日本意大利

需要研究的问题以及目前的研究进展情况.

1 传感器网络

1.1 传感器网络的概念

我们可以如下定义传感器网络:传感器网络是由一组传感器以Ad Hoc方式构成的有线或无线网络,其目的是协作地感知

感知对象和观察者是传感器网络的3个基本要素;有线或无线网络是传感器之间采集

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地动态变化.节点间以Ad Hoc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

传感器由电源嵌入式处理器

为传感器提供正常工作所必需的能源.感知部件用于感知

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软件支持,如嵌入式操作系统感知对象和观察者.通信部件和软件这几部分构成,如图1所示[2].电源

分析

李建中 等:传感器网络及其数据管理的概念

制定决策,或对感知对象采取相应的行动.

感知对象是观察者感兴趣的监测目标,也是传感器网络的感知对象,如坦克化学现象或其他现象的数字量来表征,如温度动物

接收发送器(sink)

ÈÎÎñ¹ÜÀí½ÚµãµÈ²¿·Ö¹¹³É[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Sink.Sink也可以用同样的方式将信息发送给各节点.Sink直接与Internet或通信卫星相连,通过Internet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.

图3给出了另一种传感器网络的结构[3].在这种传感器网络中,数据通过基站转送到有线网络.网络节点分为3类:基站节点(base station nodes) Application nodeNetwork nodeBase station

RemotedatabaseRemote users

Fig.2 Structure of a typical sensor network

图2 一个典型的传感器网络的结构Fig.3 Structure of another sensor networkͼ3 另一种传感器网络的结构

¶Ï½ÓÐÔ½¨ÖþÎï

1720Journal of Software 软件学报 2003,14(10) 要.传感器传输信息要比执行计算更消耗电能.传感器传输1位信息所需要的电能足以执行3 000条计算指令.如何在网络工作过程中节省能源,最大化网络的生命周期,是我们面临的第2个挑战.

(3) 计算能力有限.传感器网络中的传感器都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.如何使用大量具有有限计算能力的传感器进行协作分布式信息处理,是我们面临的第3个挑战.

(4) 传感器数量大

大

性.这是我们面临的第4个挑战.

(5) 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

察者三者之间的路径也随之变化.传感器网络必须具有可重构和自调整性.这是我们面临的第5个挑战.

(6) 大规模分布式触发器.很多传感器网络需要对感知对象进行控制,如温度控制.这样,很多传感器具有回控装置和控制软件.我们称回控装置和控制软件为触发器.成千上万的动态触发器的管理是我们面临的第6个挑战.

(7) 感知数据流巨大.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.每个传感器仅仅具有有限的计算资源,难以处理巨大的实时数据流.我们需要研究强有力的分布式数据流管理

析和挖掘方法.这是我们面临的第7个挑战.

1.3 传感器网络的性能评价

传感器网络的性能直接影响其可用性,至关重要.如何评价一个传感器网络的性能是一个需要深入研究的问题.下面,我们讨论几个评价传感器网络性能的标准.这些标准还没有达到实用的程度,需要进一步地模型化和量化.

(1) 能源有效性.传感器网络的能源有效性是指该网络在有限的能源条件下能够处理的请求数量.能源有效性是传感器网络的重要性能指标.到目前为止,传感器网络的能源有效性还没有被模型化和量化,还不具有有被普遍接受的标准,需要进行深入研究.

(2) 生命周期.传感器网络的生命周期是指从网络启动到不能为观察者提供需要的信息为止所持续的时间.影响传感器网络生命周期的因素很多,既包括硬件因素也包括软件因素,需要进行深入研究.在设计传感器网络的软分几千万,甚至更硬件必须具有高强壮性和容错多.此外,传感器网络可以分布在很广泛的地理区域.传感器的数量与用户数量比通常也非常大.传感器数量信息处理方法时间延迟和能量消耗之间具有密切的关系.在传感器网络设计中,我们需要权衡三者的得失,使系统能在最小能源开销条件下最大限度地提高感知精度网络覆盖区域时间延迟

硬件必须具有很强的容错

性,以保证系统具有高强壮性.当网络的软

李建中 等:传感器网络及其数据管理的概念

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,

为用户或观察者提供一个有效的感知数据空间或感知数据库管理和处理系统,使用户如同使用通常的数据库管理系统和数据处理系统一样自如地在传感器网络上进行感知数据的管理和处理.

感知数据管理与处理技术是实现以数据为中心的传感器网络的核心技术.感知数据管理与处理技术包括感知网数据的存储分析理解以及基于感知数据决策和行为的理论和技术.传感器网络的各种实现技术必须与这些技术密切结合,融为一体,而不是像目前其他网络设计那样分而治之.只有这样,我们才能够设计实现高效率的以数据为中心的传感器网络系统.

显然,感知数据管理和处理技术的研究是一项实现高效率传感器网络的重要和关键的任务.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,还有大量的问题需要解决.感知数据管理与处理技术的研究是数据库界面临的新任务和新挑战,也为数据库界提供了新机遇.

2 传感器网络的研究问题

在讨论传感器网络的研究问题之前,我们需要介绍一下传感器网络的功能结构.由于传感器网络的设计一般都面向应用,我们很难在比较详细的级别上给出它的功能结构.在此,我们在一个比较抽象的级别上讨论传感器网络的功能结构,如图4所示.

基础层以传感器集合为核心,包括每个传感器的软嵌入式处理器与存储器嵌入式操作系统采集感知对象的信息

传感

器与观察者之间的通信,支持多传感器协作完成大型感知任

务.网络层包括通信网络

硬件资源.

数据管理与处理层以传感器数据管理与处理软件为核心,包括支持感知数据的采集挖掘等各种数据管理和分析处理软件系统,有效地支持感知数据的存储

有效的支持.应用开发环境层为用户能够在基础层查询分析和挖掘,为用户决策提供