物联网范式中的一种自重构传感器网络管理系统

张新华，李 红

ZHANG Xin-hua1, LI Hong2

（1. 商丘师范学院 计算机与信息技术学院，商丘 476000；2. 阜阳师范学院 经济与商业学院，阜阳 236041）

0 引言

物联网（IOT）是连接世界各地异构设备的范式，这些设备包括家电、车辆、道路和智能材料等，它们被通过互联网来寻址和管理[1]。网络管理对物联网的成功部署和管理非常关键。网络管理系统是一个集硬件和软件于一身的网络管理实体，具体来说有路由器、交换机、网关和其他网络单元，传统方法（如电信网络管理系统）管理物联网时，由于其有限的带宽和传输距离的限制，使得传感器网络的管理非常困难，一些基本问题如配置、控制等不可能手动管理，所以传感器网络管理系统非常有必要。但至今为止，仍然没有任何的传感器网络管理系统(SNMS）的网管标准。因此，本文的研究重点是研究SNMS中的一些基本问题，并为SNMS提供一个良好的体系结构。

1 传感器网络的管理

1.1 SNMS协议

简单网络管理协议 (SNMP)的前身是简单网关监控协议(SGMP)，用来对通信线路进行管理。随后，人们对SGMP进行了很大的修改，特别是加入了符合Internet定义的SMI和MIB体系结构，改进后的协议就是著名的SNMP[2,3]。SNMP的目标是管理互联网Internet上众多厂家生产的软硬件平台。

传感器网络管理协议（sNMP）是一种管理，它定义了代表网络当前状态的传感器模型，并定义了各种网络管理功能。sNMP为检索网络状态信息提供执行算法和执行工具[4]。在当今文献中有许多传感器网络的管理协议和架构，它们基于多个不同方面如：网络健康监测、故障检测、拥塞避免、电源管理和资源管理等。通用网络管理层协议的开发是一个具有挑战性的研究课题，对无线传感器网络来说仍是一个未知领域[5]。

1.2 WSN的架构

管理一个广泛的基于异构网络的物联网，需要节点结构灵活，并且适应于网关所管理的簇节点。每个网络的生存周期、采样率、响应时间都略有不同，所以无线传感器网络的结构必须足够灵活以适应不同的应用需求。此外，传感器结构应该是便于集成和尽量轻便，因此，在高效率的前提下，设备需要进行硬件和软件的模块化设计。为了满足生存周期长的要求，每个节点的结构必须足够牢固，但由于无线传感器网络的节点的电路面积和计算能力有限，所以它的结构必须进过特殊化设计。任何典型的物联网监测应用都可分成六块：感知、处理、产生感知数据、发送感知消息、无线电接受与发送。

以下为物联网中传感器设备的典型特征：

1）主元件中包含基于事件驱动的节点。

2）节点应支持标准机制，如硬件加速等以提升性能。

3）节点为特殊应用而优化。

4）在网关处进行数据处理和过滤，以增加节点的续航时间。

5）节点必须以低级别来命名，以减少通信开销。

6）因为电源是传感器节点的主要要求，并且电源效率取决于节点上的软件，所以应该有一个分析协议来分析电源需求，以控制各种软件应用。

按照以上特征来设计传感器节点，可以降低传感器网络管理的复杂度和处理开销。当传感器节点设计完成以后，下一个挑战就是设计一个高效智能的网关来处理不同传感器节点的数据。

近来，在传感器网络的网关和节点处进行数据收集、数据处理和数据存储的创新成为一个热点，这些数据收集和数据处理网络之间的一个共同的需求就是：一个或多个网关连接到它们的远程传感器。监测应用中的网关有一些常见任务，如：处理无线传感器网络的原始数据、管理无线传感器网络的高效数据库、向远程用户传送监测数据、帮助使用者操纵传感器节点、故障检测和告警用户。这些功能的共性使得设计通用网关平台成为可能。同样重要的是网关的低功耗，这个有利于所有的部署。我们进行了一个小实验来寻找传感器节点的能量消耗。实验装置包括两个兼容IEEE802.15.4的无线模块：德州仪器的CC2430。这两个天线是接地的四分之一波长单极天线。其中一个模块预先设置为发送数据模式，数据包的大小是20字节，100毫秒的传输时间间隔。第二个模块设置为接收模式，连接到一台PC主机，其存储有从发射模块接收到的消息的相应RSSI值，测量结果如表1所示。

表1 通信节点的能量损耗

从测量结果可以看出，节点在传送与接受数据时消耗更多能量、处理数据时也要消耗相当一部分能量。当有更多的设备需要监测和控制时，如我们能对此作出改良，那么就可以以提高整个网络的续航时间。

图1描述了该软件的架构，若将它用于网关，则可以有更高的效率和更少的能量损耗。

图1 传感器网关结构

2 传感器网络管理系统的可行性研究

如上节所述，一个好的传感器网络管理系统开销更少，能量消耗也更低。在本节中，我们做一个详细分析，从已有的传感器网络管理系统中选取设计最佳SNMS。现在的网络管理不能被直接应用于SNMS，本节先研究了已有的网络管理系统（NMS），以便设计一个好的SNMS。一个典型的NMS结构为一个三层系统：NMS，网元管理系统（EMS），分布的网元；这就需要它们之间有一个协议来进行上下层之间的通信。一些用于 NMS和 EMS通 信 的 接 口 有：sNMP，CORBA，Socket，串行接口等等。虽然已经有一些协议可用于不同层之间的信息交换，但是他们还需精简。最为突出的是传感器建模语言，即sensorML（由美国宇航局提出）：基于XML标准，发现、处理和定位传感器。这种类型的接口可用于EMS和传感器节点之间，两个无线设备间的标准因特网接口是6LOWPAN，其传感器节点具有IPV6地址，802.15.4的数据被压缩和封装成IPv6格式。SNMS的设计基于无线传感器网络所使用的接口或协议，在无线传感器网络中广泛使用的一些协议有：ZigBee，WHART，MIWI等。

3 异构传感器网络管理系统的架构

3.1 整体SNMS架构

基于前文所述，我们提出的“异构传感器网络管理”由五部分组成：传感器用户接口管理(SUIM)、传感器安全管理(SSM)、传感器网络配置管理(SNCM)、传感器节点管理(SNM)和网关管理(GM)，结构如图2所示。

图2 异构SNMS结构

这种结构支持异构WSN管理，这对于物联网是最优的，因为本地联网的设备可以通过它们自己的接口与外界相连。各管理层的功能如图2所示。SUIM可以管理用户方系统的传感器显示、用户认证和上下文相关查询处理。SSM提供安全管理功能如：1)传感器的物理安全：传感器被移动或被盗窃时通知用户；2)数据防篡改；3)传感器验证：任何接入到网络中的传感器都必须先通过认证管理进行认证，然后再发挥在传感器网络中的相关功能。SNCM处理网络配置、拓扑管理、数据采集调度和传感器电源管理。SNM负责发现新的传感器、配置传感器，发现故障、传感器数据库同步和传感器的据处理。GW负责网关配置、网关成极和SNMS与网关间的接口。另外，它还要负责产生管理传感器和时间通知处理的命令，它能够同时处理如SNMP，CORBA等的异构接口。

通过以上讨论可知这种结构不同种类的管理。这就需要不同的信息结构来处理这些管理事务，在下节中我们将讨论各种接口和管理事务的消息格式。

3.2 SNMS的接口、消息和流

1）接口

SNMS管理所提出的5层可归结为三大部分：用户核心、SNSM核心和网关核心。用户核心具有用户接口管理操作。SNMS核心包括SSM、SNCM和SNM；网关核心具有网关管理组件。除了网关核心，其他核心还有一个连接数据库管理系统的接口。网关核心和网关之间可通过标准接口 如 SNMP，CORBA，COM / DCOM等 进 行 通信，为简便起见，假设接口为SNMP，各个核心之间的接口用来进行进程通信，如消息队列、信号和共享内存，核心可以分散开来或者集中于单一服务器。

2）信息结构

以下四个基本信息类型专为SNMS的顺利运行而设计：

（1）命令消息帧；

（2）Name-Value帧；

（3）传感器同步消息帧；

（4）传感器事件报告信息帧。

命令信息帧（图3a）有五个部分：事务ID、网关ID、传感器ID、命令和输入参数。

图3 帧结构

Name-value帧（图3b）使用单一命令就可以配置传感器的多个参数，有三个部分：长度、Name和value。

传感器同步消息帧（图3c）用来同步SNMS和网关之间的传感器信息。网关以下的传感器数据量非常大，所以无法一次将所有数据传送给NSM，所以要分帧传送；该帧有六个部分：事务ID、网关ID、长度、传感器ID、传感器数据和结束标志。

传感器事件报告信息帧（图3d）用来处理传感器传向SNMS的事件报告，有六个部分组成：事件ID、网关ID、传感器ID、事件类型、事件数据和时刻。

随着物联网系统的日益复杂，传统的人工管理方式将无法胜任复杂物联网系统的管理，这将阻碍新服务和新应用的产生，但如果系统能够实现如自主管理，自主修复和自主配置，那么这种问题将迎刃而解。更高可靠性和更强适应性的智能自主管理系统正在发展，分布式智能合作方式是这个方向的趋势。复杂无线传感器网络的自动管理优势日益凸显，对认知网络的广泛研究也正在进行。多种架构方案正在被探索研究，如集中代理，分层代理，还如控制机制，如网络设备与控制代理端的基于策略的仿生自动控制环。

图4 简化的系统结构

4 自动无线传感器网络管理系统

根据以上所讲述的相关概念，一个简化的SNMS自主管理结构可以设计成一个智能控制环，通过环境参数，网络状态，应用关系等在网络级来优化控制策略。它包括一个优化核心，通过一个合适的SNMS协议来访问网络状态信息，然后用优化引擎来计算控制参数，其目的是满足最佳意义上的制约策略。策略将指定制约因素，如网络规模、成员控制和安全设置等。简化设计如图4所示。

5 结束语

传感器网络的流畅管理是非常有必要，它同时也延长了传感器节点的生存时间，这就要求其有标准的管理功能，标准的消息格式和标准的接口类型。为了实现这一目标，本文提出了一个很好的异构自优化SNMS架构框架，这方面的研究正在广泛进行中，以设计和实现自重构无线传感器网络。

[1] 项有建. 冲出数字化: 物联网引爆新一轮技术革命[M].北京: 机械工业出版社, 2010.

[2] 陈晨, 高新波. 一种无线传感器网络移动性支持自适应MAC协议[J]. 西安电子科技大学学报, 2010, 37(2): 279-284.

[3] 李法庆, 孙友伟. 无线传感器网络与以太网络帧结构转换[J]. 西安邮电学院学报, 2010, 15(3): 68-71.

[4] 高志刚, 陆慧娟. 物联网硬实时控制系统中可调度性分析方法的研究[J]. 电信科学, 2012, 24(1): 92-96.

[5] 谢秀颖, 邵珠虹. 基于物联网和数据融合的空调故障诊断系统及方法[J]. 计算及应用研究, 2012, 29(2): 565-568.