浅谈传感器网络的体系和架构

1  引言

传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。

国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

目前，传感器网络领域尚处于发展初期，我国的科研、产业进展与国际几乎同步，大部分依托于科研成果，在部分领域有示范应用。但在已经实现的传感器网络中往往采用私有协议，尚缺乏完善的传感器网络标准体系，缺乏对如何采用现有技术标准的指导，在产品设计、系统集成时无统一标准可循，已经严重制约了技术应用和产业的迅速发展。所幸的是，我国传感器网络的技术、产业发展与国际基本同步，目前国际尚无完备的传感器网络标准体系，这为我国实质性参与该领域国际标准化工作、占领产业的制高点提供了一次难得的历史性机遇。

传感器网络标准化研究将有利于巩固现有技术、产业成果，规范、推动产业有序、健康发展；通过统筹安排，产学研用联合攻关，对相关技术体制进行全面梳理，形成可行的技术标准体系，切入关键技术问题；通过“关键技术－标准化－应用示范－产业化－商用化”的渐进发展道路，保障传感器网络大规模应用的互联互通，推动传感器网络迅猛发展；有利于推动我国实质性参与传感器网络国际标准化工作，扩大产业界在国际上的影响力。

2  传感器网络国际和国内标准化现状

传感器网络涉及的技术领域和相关标准化组织较多，目前国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）的第一联合技术委员会（JTC1）、国际电子和电气工程师协会（IEEE）、国际电信联盟（ITU）和互联网工程师任务组（IETF）等国际标准化组织都在开展传感器网络标准相关的研究工作，但大多尚处于标准提案阶段。其中，IEEE在为传感器网络提供支持的底层无线传输技术和传感器接口的标准化研究等方面已取得一定进展；ITU-T的多媒体编码、系统和应用（SG16）研究组开始进行泛在传感器网络（USN）应用和服务的研究，SG17研究组已开展USN安全框架的研究；IETF成立低功率无线个域网上的IPv6（6LOWPAN）工作组，已产生RFC4944（IEEE 802.15.4上的IPv6）和RFC 4919（问题陈述和目标）。目前，公认的可以被称为传感器网络标准的只有IEEE802.15.4和Zigbee联盟推出的传输、网络、应用层协议标准，以及IEEE 1451。

2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。

一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSySTems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。

目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。

为了在传感器网络国际标准的制定方面进行研究与探索，2007年ISO/IEC JTC1正式成立了传感器网络研究组（SGSN）。目前有22名专家，分别来自中国、法国、日本、韩国、挪威、英国和德国，以及其他组织的联络员。2008年6月，在中国上海召开了第1次全体会议，对传感器网络的应用需求、系统架构、协议、接口和安全等方面的提案进行了讨论。2008年9月和2009年1月，我国分别组团参加了在德国和澳大利亚举办的第2次和第3次SGSN会议，实质性地参与了《ISO/IECJTC1传感器网络研究组技术报告》的编写工作，并在很多章节做出了重要的贡献。

我国传感器网络技术的研究首次出现在1999年中国科学院的《知识创新工程试点领域方向研究》中，几乎与发达国家同步。国家自然科学基金委（NFSC）从2002年开始，连续资助了一系列有关传感器网络的研究，此外还启动了“面向传感器网络的分布自分布系统关键技术协调控制理论”和“传感器网络系统基础软件及数据管理关键技术研究”等重点项目。国家重点基础研究发展计划（“九七三”计划）也于2006年资助了“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”。国家高技术研究发展计划（“八六三”计划）于2006年开始在信息技术领域的通信专题下资助了10余项探索导向型项目，研究传感器网络的系统级技术；2007年启动了“传感器网络嵌入式芯片设计”等目标导向型项目，进行节点系统关键技术的攻关。此外，科技部“十一五”国家科技支撑计划也部署了相关应用示范项目，以促进传感器网络在环境监测和精细农业等方面的行业应用。《国家中长期科学与技术发展规划（2006—2020年）》在重大专项、优先发展主题、前沿领域均将传感器网络列入，其中重大专项“新一代宽带移动无线通信网”已将其列为重要方向。

这些从基础研究、科技攻关、示范应用等不同层次、不同角度开展的项目，带动和加速了我国传感器网络研究的进程。统计数据表明，截至2008年底，我国申请的传感器网络相关专利435件。可以说，上述前期探索性研究为我国传感器网络技术的进一步发展进行了必要的技术储备，为国家标准的制定工作奠定了基础。

2006年，全国信息技术标准化技术委员会成立了传感器网络标准项目组，组织国内的大学、科研单位和企业开展了标准研究工作，对《传感器网络标准体系》、《传感器网络协议栈》、《传感器网络智能传感器接口标准》和《传感器网络安全服务》等标准项目进行了研究。2007年底，国家标准化管理委员会正式批准筹建传感器网络国家标准工作组，组长单位是中国电子技术标准化研究所，秘书处单位是中国科学院上海微系统与信息技术研究所。目前，工作组由国内50余家成员单位，70多位专家组成，汇集了包括国内传感器网络领域产学研用的各方力量，旨在整合国内科研院所和产业界的优势力量，共同进行传感器网络国家标准的制定，全面推动传感器网络的产业发展。同时，依托该组织，也可将国内相关优势单位联合起来，明确分工，统一协调工作，积极提交国际标准提案，多方进行国际交流和沟通，促进我国在传感器网络国际标准化工作中占据重要地位。

3  传感器网络的标准体系研究

通过对传感器网络产品的生产商、电信运营商、用户等开展广泛的调研，同时分析梳理ISO，IEC，IEEE，ISA，ITU-T和IETF及Zigbee联盟等组织的标准。在基础学科研究中，传感器更具有突出的地位。现代科学技术的发展，进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观察小到 nm的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、超弱磁砀等等。

显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息，没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。 根据以上原则，我们结合传感器网络产品研发和应用需求，提出传感器网络标准体系框架（见图1）。

图1  传感器网络标准体系架构

我们认为，传感器网络标准体系应当包括基础平台标准与应用子集标准。基础平台标准指通过对传感器网络各类应用的共性特征和技术要求进行分类、规范，形成若干标准化的功能模块组合；应用子集标准指根据各传感器网络应用的特点，描述为特定应用要求，如网络规模、组网形式、服务质量要求、系统生存时间、覆盖范围、业务种类等；根据具体应用案例，将基础平台标准和应用子集标准中的不同模块组合，形成最终的传感器网络应用系统。