基于元数据的异构环境物联网管理研究

(1.中国科学院城市环境研究所城市环境与健康重点实验室，福建厦门 361021； 2.集美大学计算机工程学院，福建厦门 361021；3.中国科学院大学，北京 100049)

环境物联网(Environmental Internet of Things, EIoT)已经广泛地应用于环境监测,在各个地区部署不同类型的EIoT系统是一个长期演进的过程。为了对分布于各地的大规模异构EIoT系统进行统一、有效的管理，通过分析环境监测的特点，并进一步分析了基于EIoT的环境监测系统的感知层、传输层与应用层的特点，提取出了各个环境物联网系统中多种类型的、可用于系统管理的元数据。基于这些环境物联网相关的元数据，构建了一个环境物联网系统统一管理框架。该管理框架通过实时感知应用层中数据存储层中的数据异常状态,可以屏蔽不同EIoT子系统中感知层与传输层的差异，这在一定程度上解决了异构性所带来的问题,可以对大规模、分布式部署的多个不同类型的EIoT子系统进行有效管理。

1 研究背景

近几年来，物联网技术迅猛发展，已被越来越多地应用到各个方面，如医疗保健行业、食品供应链、矿区安全生产、交通与物流等[1]。预计到2020年，物联网将包含近240亿个互联设备[2]。

环境物联网(Environmental Internet of Things，简称EIoT)是物联网在环境监测方面的应用。在EIoT中，为了达到某种特定的目标，通过多种技术融合，实现了信息获取、传输和应用的数字化、智能化和网络格式化[3]。一些科研人员在美国缅因州的大鸭岛(Great Duck Island)通过设备监测鸟的行为，并开发了相应的数据库管理系统与用户界面[4]。在中国，关于环境物联网的研究也方兴未艾。全元等[5]将物联网技术应用于环境噪声的监测，设计了基于无线传感器网络的噪声监测系统。 Wang等[6]提出了一个用于EIoT的框架，并对框架中包含的Wireless Sensor Network (WSN) 技术、网络技术、分布式数据库技术GIS和WebGIS技术进行了研究。还有研究者将环境物联网技术与景感生态学思想[7]相结合，为大运河香河段设计了一套基于EIoT的生态环境管理系统[8]。

随着环境物联网规模的逐步扩大，接入环境物联网的各种终端设备也逐步增加。获取物联网系统运行状态并对其进行管理，是保证整个物联网系统正常运行的一个必要条件。Marotta等[9]定量化评估了Simple Network Management Protocol (SNMP),Service Oriented Architecture (SOA),Resource Oriented Architecture(ROA)这3种协议在作为设备与网关之间的通讯体系结构的优缺点，结果显示ROA表现最好。然而SNMP,SOA,ROA仅适用于具备网关的情况，通过网关对网络设备进行管理。而EIoT系统通常部署在野外等缺乏基础设施的地方，一般无法安装网关，也就无法直接使用这些网络管理架构。Honle等[10]则通过在上下文模型中使用元数据，实现了资源查找、数据选择与数据融合。

在多地范围内部署EIoT系统是一个长期演进的过程，在这个过程中各子系统采用的技术与设备也会随着时间的推移不断更新。如何管理规模逐渐增大的EIoT系统，快速获取分布在各地的子系统的运行状况，对保证整个EIoT系统的正常运行有着极为重要的意义。然而环境物联网具有高度异构性，且现有网络管理协议更多地是对传统网络设备进行管理，现在还缺乏一种可靠、有效的方法来管理大规模、异构的EIoT系统。本文提出一个基于元数据的EIoT系统管理框架，利用该框架结合异常事件监测机制，在应用层监控各EIoT子系统的运行状况，并在发生问题时可以快速定位、获取相关设备与网络的信息，从而完成对整个环境物联网系统的管理。

2 环境物联网特点分析

环境监测是使用部署在物理世界的各种类型的环境传感器获得物理世界的真实信息。现阶段，常使用传感器网络进行环境监测。传感器网络是物联网的重要组成部分[11]，而传感器网络的功能和行为在很大程度上受到部署环境的影响[12]。我们一般将用于环境监测的传感器网络归入到EIoT的感知层。

环境监测一般有监测时间跨度长、无人值守、部署环境恶劣等特点。传感器网络的稳定运行对EIoT系统的稳定性有重要的意义。在环境恶劣区域或者自然保护区部署与维护传感器网络面临很多实际问题,如能源消耗、系统可用性等[13]。一般来说环境监测点部署位置固定，用来监测某个固定点周围的环境要素。不过也有研究者结合固定和移动传感器，GIS，GPS，遥感等技术来监测城市环境[3,14-15]。

环境监测所使用到的环境传感器多种多样，如水文类传感器、气象类传感器、土壤传感器、风速风向传感器、噪声传感器等。这些传感器功能与结构各异，所采集的数据也是异构的[16]。即使是同一种类型的传感器，其采样精度、数据读取方式、供电方式都有所不同。随着EIoT系统的长期部署，甚至同一厂家、相同类型，但不同时期生产的传感器，其硬件参数、操作方法也可能有所不同。面对这样硬件上的异构性，如何有效管理也是我们所要面临的挑战。

从环境监测的角度来说，物联网一般划分为3层，包含感知层、传输层与应用层[17]，见表1。

(1) 数据采集行为。使用各种环境传感器、环境监测设备来获取环境数据，使用音视频设备获取音视频内容。这就包括了描述数据采集行为的数据，如采样间隔等信息。

(2)设备相关信息。包含设备类型、设备厂商、采样精度、供电方式、数据获取方式等。

传输层主要为感知层数据的传输提供网络支持，通过有线或者无线的方式将感知层采集到的数据传输到应用层。EIoT一般采用以下几种连接方式传输数据[18]：

(1)非IP直连方式。这种方式不使用IP技术，而直接使用无线电技术连接服务器。

(2) 虚拟连接节点方式。这种方式的一个典型代表就是使用Zigbee负责本地信息的传输，然后通过网关连接服务器，其中本地节点不具有IP。

(3) 非直接连接方式。该方式中的每个节点可以具有IP，但统一通过网关和服务器连接。如采用Wireless Mesh Network(WMN)技术进行连接。

(4)直接连接方式。该方式通过如GPRS等技术直接将数据传输给中央服务器。EIoT传输层的网络架构多种多样，如图1所示。图1展示了现阶段EIoT中常用的3种连接方式，包括非直接连接方式、虚拟连接节点方式、直接连接方式。

在WMN中，每个节点可以有自己的IP，通过多跳的方式将数据经网关传递给服务器。在物联网中，网关经常被用来处理网络通讯中的很多复杂问题[19]，使各种设备在Internet上的通讯和交互更加方便。而使用Zigbee技术这种方式，每个节点没有IP，节点之间通过无线电技术进行传输，最终通过网关将数据传输到服务器。使用GPRS，3G，4G技术的为直接连接方式，在这种方式中，每个节点都拥有自己的IP。

应用层主要用于存储数据并对外提供服务。一般为了方便数据的复用，通常将应用层进一步划分为数据存储层与面向用户和其他程序的接口层(Interface layer)。数据存储的方式可以有多种多样，如XML文件形式、数据库等其他方式。接口层则帮助用户忽略这种存储方式的区别，直接提供一个统一的数据访问方法。

总的来说，EIoT从获取到处理环境数据包括以下3个步骤：①使用传感器收集环境数据；②通过网络层将数据传输到数据存储层；③外部用户和程序通过接口层访问数据存储层中的数据。过程如图2所示。

EIoT系统天生具有异构性，这种异构性表现在感知层、传输层与应用层。并且由于各地的EIoT系统是逐步部署的，这种异构性更为突出。

在感知层，这种异构性表现在不同类型的传感器从功能、结构到数据采集行为的不同。如城市噪声地图需要使用安装在固定节点的噪声传感器以无间断的形式去采集噪声水平[20]。如果需要实时传输这些噪声数据，这就对传感器节点的能源供应有一定的要求。而土壤温度、湿度的采集，其采集间隔可以为几分钟到几十分钟，这样的采集行为对电源供应要求相对较低。而对音视频的采集则不仅需要有稳定的能源供应，还对带宽有一定的要求。不同类型的传感器获取数据的方式也有所不同，有的只能通过读取串口的方式读取数据，有的则可以通过WIFI获取数据。

在传输层，EIoT系统包含了各种各样的异构网络。传输层中的传感网络采用的通讯协议和标准也是多种多样，包括Radio Frequency Identification(RFID)，Near Field Communication (NFC)，ZigBee，WMN，IETF Low power Wireless Personal Area Networks(6LoWPAN)和传统的IP技术，如IP和IPv6[14]。传感网络与服务期间通讯的技术则包括GPRS，3G，4G及有线方式。并且由于环境监测点一般部署在野外等缺乏基础设施的地方，无法架设网关，传统的SNMP，ROA等网络管理技术也无法应用。这种复杂的异构性使得很难在传输层进行统一的网络管理。

应用层中的存储层存储的数据的格式也是多种多样，采集数据的格式也没有统一标准，有的是用简单的日志文件，有的使用XML格式文件，有的则采用数据库。

3 使用元数据进行网络管理

对于一个长期演进、可以管理多个EIoT子系统的EIoT管理系统来说，需要考虑以下几个问题：

(1)逻辑上统一的管理框架。经过多年的建设，早期建设的系统往往是各自独立建设，每个EIoT系统都会有独立的存储层与相应的管理系统，用户分别通过各自的管理系统对其进行访问。传统的EIoT管理系统模式如图3所示，EIoT-A代表某个EIoT子系统，包括了某个子系统中的感知层与传输层。MIS-A则代表某个EIoT的管理系统，不同的EIoT子系统采用的传感器或者网络传输技术可能不同，用户无法对各子系统进行统一管理，这就需要一个逻辑上统一的管理框架。

(2)可扩展性。使用传统分散的管理技术，随着子系统的增多，用户所需要管理的系统也越来越多。用户可能要查找多个系统，才能找到相应的数据或者获取相应的网络状态。需要一个具有良好扩展性的基于元数据的管理框架，才能方便、高效地管理不断新增的EIoT子系统。

(3) EIoT子系统运行状态感知。EIoT子系统运行状态中发生的异常包括EIoT中的传感器异常、数据传输异常、数据存储故障等，如何快速感知这些异常成为高效管理整个EIoT系统的关键。从前面分析可知，EIoT的异构性使得没有标准的网络管理协议可以对各种类型的EIoT系统进行统一管理，那么需要一个可以快速感知EIoT系统运行状态的事件监测机制。

元数据，即数据之数据，其为数据本身做注解，用来说明数据本身的一些属性，如数据的来源、精度、地理信息等，其为用户提供了更多关于数据本身的其他特性，这些特性为数据的进一步使用提供了多种可能。元数据这个概念有着广泛应用，如早期图书馆为图书建立的分类卡片(card catalogs)。在Web页面中，通过meta元素可以指定页面的描述、关键字、文档作者、文档上次修改时间[19]。Google搜索引擎也使用网页的元数据来优化搜索，并发布了搜索引擎所能理解的元标签(meta tags)[20]。在管理与解释传感器数据上也可以使用元数据(meta data)[21]。

元数据存在于EIoT各层中，针对不同的应用场景可以得到不同类型的元数据，如数据来源元数据、地理位置信息元数据、传感器元数据、采集行为元数据、传感器能源与通讯等元数据，每种类型的元数据都可从不同的层面描述环境监测数据。比如对于传感器元数据来说，因为大规模部署的EIoT系统是一个逐步发展起来的系统，不同时期开发的系统使用的设备型号、通讯方式可能不一致，那么记录下与传感器相关的元数据(设备类型、采样精度类)，就可以很方便地评估数据采集的质量。可用于EIoT网络管理和数据整合的元数据如图4所示。

(1)数据来源元数据。主要包含项目名称、项目联系人、开始日期、项目采集地、采集数据类型。通过在管理框架中纳入对数据来源元数据的管理，可以方便后期数据的查找与数据融合。

(2)地理信息元数据。该元数据包含传感器的地理位置信息，对所有的环境要素数据都至关重要，也是将环境要素数据融入GIS系统的一个前提。

(3)传感器元数据。包括传感器的厂商、型号、供电方式、耗电情况、采样精度等，该元数据有利于环境物联网的故障诊断。

(4)采集行为元数据。包括采样间隔、采样方式等元数据。因为能源供给限制，采样间隔需要设置在一个合理的水平。对物联网系统中同类型环境要素数据的采集行为元数据进行分析，可以为将来设置合理的采集行为提供帮助。

(5)运行维护元数据。包括当前电池电量水平、更换周期、通讯方式、通讯保障时间，该元数据可以帮助我们确定能源补给间隔与通讯保障间隔。

(6)网络通讯元数据。因为环境物联网的异构性，不同项目中的网络通讯方式有可能不一样，有的采用网关连接数据中心、有的则通过IP直连的方式连接到数据中心，该元数据对网络故障的诊断有一定参考作用。

(7)数据存储元数据。该元数据主要用来描述EIoT系统中数据存储的方式及其相关信息。

可以通过联合使用多种类型元数据实现网络管理功能。如通过数据来源元数据可以确定数据的归属的项目、联系人、所采集的数据类型以方便数据的查找与交换，而通过存储元数据则可以监控EIoT数据采集是否正常。如果发生异常，则可联合使用传感器元数据与网络通讯元数据进行故障诊断。

在传统的网络环境中，通常使用SNMP就可以快速获取网络设备状态，实现对网络的管理。然而由于EIoT在感知层、传输层的异构性，在传输层将很难设计出一个统一的、适用于EIoT的通用网络管理协议。在这里，笔者提出一种构建于应用层的基于元数据的EIoT管理框架，如图5所示。该管理框架可以解决多个EIoT系统管理中存在的2个主要问题：①EIoT系统运行状态的感知；②环境数据的整合查询。

统一管理框架主要包含两部分：元数据数据库、统一管理接口。元数据数据库用来存储传感器、网络通讯、数据存储、地理信息、数据来源、运行维护、采集行为等与EIoT相关的元数据，统一管理接口则包含元数据管理、事件监测、故障诊断与数据查询4个模块。框架通过元数据数据库中的元数据实时感知包含在应用层中的数据存储层的数据异常状态，并结合元数据库的类型元数据，为用户提供异常状态警告与诊断。因为基于应用层，该管理框架可以屏蔽不同EIoT子系统中传输层与感知层的差异，这在一定程度上解决了异构性所带来的问题。同时，该管理框架可以对多个不同的EIoT子系统进行管理。对用户来说，无需面对多套EIoT管理系统，通过访问统一管理接口就可以快速管理多个EIoT子系统。

元数据管理模块负责各EIoT子系统元数据的注册、查询、维护。该模块需要与元数据数据库进行直接交互。事件监测模块则是框架中的一个重要模块，该模块通过元数据管理功能获得各EIoT子系统中的元数据，结合事件监测机制实时感知数据存储层中的异常状态，可以快速发现系统中可能存在的故障，这对加快系统恢复速度并进而提高系统的稳定性有很大的帮助。当发现异常情况时，则启用故障诊断模块，结合元数据，给出故障发生的地理信息、传感器、数据来源等信息，协助管理员快速响应。数据查询模块则可根据元数据，进行跨系统的整合查询。

该管理框架的大致的工作流程是，用户或程序要对某个EIoT子系统进行管理，元数据管理模块首先查询元数据数据库，元数据数据库返回所查询的元数据，然后管理模块利用所查询到的元数据，在EIoT子系统中实现相应的管理功能。

中国科学院城市环境研究所多年来在厦门、绍兴、泸沽湖、锡林浩特等地部署了各种不同类型的EIoT子系统，由于是分期部署，各监测站的采用的设备型号、技术类型、传输手段不尽相同，这为统一管理带来不便。基于元数据的EIoT统一管理框架可以屏蔽各EIoT子系统的异构性，并实现了通过统一的管理界面对各个子系统的运行状态进行快速感知与诊断，大大提高了对分布式部署的EIoT系统管控能力。

4 结语和展望

环境物联网的发展为环境监测提供了新的方法，使得人们可以更快速并在更广的范围内进行环境监测。在各个地区部署不同的EIoT子系统是一个长期演进的过程。在这个过程中，接入系统的设备越来越多，且在感知层、传输层、应用层使用的技术也可能不尽相同，这就使得EIoT有着无处不在的异构性。这种异构性为EIoT的系统的管理带来了极大的难度。传统的、分散式的EIoT系统管理方法仅适用于小规模、单个EIoT系统的管理，无法对多个EIoT系统进行管理。另一方面，也形成了信息孤岛，使得环境数据利用率不高。一个高效、稳定、扩展性好的EIoT管理系统对环境管理有着重要意义。

基于元数据的EIoT统一管理框架通过实时感知应用层中数据存储层的数据异常状态，一定程度上解决了EIoT系统异构性带来的管理难题。同时，该框架结合EIoT中适用于系统管理的元数据，实现了对多个EIoT系统的统一管理。统一管理框架通过元数据数据库与事件监测技术可以自动感知异构EIoT系统的运行状态，同时为环境数据的整合查询提供了基础。基于元数据的EIoT统一管理框架可以有效地解决大规模异构EIoT系统管理所面临的扩展性问题，同时提高了EIoT系统运行的可靠性与数据利用率。

在基于元数据的EIoT管理方面，还有很多值得研究的方向。比如，如何实现EIoT统一管理框架对EIoT系统的精细化控制。EIoT统一管理框架中的事件监测机制主要通过监听数据存储层的数据异常事件来进行物联网状态的感知，这虽然解决了异构性的问题，但无法获得EIoT子系统中传感器的具体状态信息，而这些信息可以有效提高系统的可维护性与稳定性。如何将这些信息纳入EIoT统一管理框架将是我们未来一个研究方向。

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(1. Key Lab of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China; 2. Computer Engineering College, Jimei University, Xiamen 361021, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Environmental Internet of Things (EIoT) has been widely applied to environmental monitoring. The existing research of environmental monitoring based on EIoT mostly aim at specific location and specific problem without considering the management of many separate EIoT systems. With the growing number of EIoT system, how to

manage these systems centrally and effectively becomes concerned focus. The problem faced by step-by-step deployment of EIoT systems is the ubiquitous heterogeneity in the sensing layer, transmission layer and application layer of EIoT. Through analyzing the characteristic of environmental monitoring and EIoT system, the meta data that can be used for EIoT system management is extracted. A unified management framework of EIoT system is proposed to manage the heterogeneous EIoT system effectively. The heterogeneity problem can be solved by detecting the abnormal data in application layer and blocking the differences in sensing layer and transmission layer among various EIoT systems.

国家自然科学基金面上项目(41571148)；国家科技支撑项目(2016YFC0501101)；福建省中青年教师教育科研项目(JAT160255);福建省自然科学基金项目(2015J01264)

郑如滨(1979-)，男，福建厦门人，讲师，博士研究生，研究方向为环境物联网、城市环境监测，(电话)0592-6182451(电子信箱)rbzheng@iue.ac.cn。

王豪伟(1978-),男，河南鹤壁人，副研究员，博士，研究方向为城市形态与环境物联网，(电话)0592-6190694(电子信箱)hwwang@iue.ac.cn。