面向海上传感器网络的数据与信息框架构建

孙 睿，王爱强

(河南职业技术学院信息工程系，河南 郑州450046)

0 引 言

当前以物联网为代表的无线传感器网络应用方兴未艾，在交通运输、环境监测、智能家居等多个领域取得了令人瞩目的成就。在海洋开发应用领域，无线传感器网络也逐渐获得推广，被广泛应用在船舶制造，自动控制等方面，取得了较好效果［1－2］。

随着近年来海洋环境问题频发，海洋气候异常变化加剧，对海洋环境的监测成为了防灾减灾和科学研究的当务之急。在传统的方法中，通常采用船舶和人员实地考察的方法对海洋环境的变化和状态进行考察和记录，我国也拥有多艘执行此类任务的科考船及科研队伍，并为我国的海洋研究事业提供了宝贵的第一手资料，然而使用这种方法，需要较大的时间、经济和人员成本，而获得的数据较为有限，难以连续、系统地对某海域的情况进行有效监测，因此也极大地限制了我国海洋研究的持续深入。

无线传感器网络作为一种部署简单、实时、远程的数据采集手段，能够在一定程度上解决海洋环境监测过程中的数据采集问题。因此，多家企业和研究机构，进行了广泛实践，通过将传感器、浮标、无线通信链路、卫星通信相结合的方法，在某些海域部署海上传感器网络，进行实时地数据采集，取得了良好的效果［3］。

然而，在海上传感器网络的使用过程中，仍然存在许多问题，例如在海洋严苛的自然条件下，难以对多种海洋监测设备、传感器等进行有效地管控，极大地降低了系统的可用性;以及当采用多种传感器进行数据采集时，难以对多种来源和多种格式的数据进行有效的组织和使用等。为了解决以上问题，本文提出一种面向海上传感器网络的数据与信息框架，该框架能够有效管理静态，准静态等多种传感器类型，并能够处理时间序列数据集和多种数值模型。本文提出的框架包含一种决策支持机制，以及能够实现数据集成、挖掘和管理的丰富工具。其最主要的创新在于使用了综合设施注册机制，从而能够以标准化的方法对基本数据、元数据等多种信息进行存储和输出。

1 海洋传感器网络

多年来海洋数据采集和监测一直是一项费时且开销巨大的工作，因此导致可用的海洋监测数据较为稀少且仅分布于特定的海域。廉价传感器的出现，使得这一情况得到改变，并持续推动传感器网络在多个领域得到广泛应用，例如对海岸和河口地区的环境监测，地面卫星遥感数据的采集，对海洋模型的校准和验证等，取得了较好的效果。但是，海上传感器网络在使用过程中，同样也面临着一些问题。首先，传感器和其附属的通信设备需要面对严苛的海洋环境，如浪涌，盐分腐蚀，海洋藻类的附着等。尽管在海面上使用无线链路或卫星链路通信是可行的，但是在大多数情况下，传感器设备难以始终放置在水面之上的船舶，岛礁上，因此需要常常受到海平面环境的影响。而传感器设备的水下通信过程非常不可靠，尤其是在浅滩和河口水域，受到多径反射和干扰的影响尤其巨大，造成通信过程的可靠性急剧降低。通常海洋传感器节点的结构如图1所示［4］。

图1 海上无线传感器节点结构图Fig.1 The structure of marine sensor

海上传感器网络的主要功能为收集多种海洋数据，如温度、盐度、洋流速度、精确位置等。然而，由于海水的腐蚀效应，以及其他海洋有机物、生物等的影响，会极大地降低传感器的可靠性和通信能力。在海洋环境中，传感器可以使静止的、准静止的、移动的、可航行的、浸入式的、机载的(例如水下无人装置等)方式进行放置［5］。对于静止传感器来说，通常采用图1的方式，在浮标下部的不同水深处进行部署;对于准静止的传感器来说，则通常采用多个传感器的方法，连接在深度游标上，在不同的海水深度中沉浮。而可航行与机载式传感器则通常部署在AUV/ROV，船舶或其他航行设备中。传感器之间的通信在水下使用水声通信，在水上则使用无线通信方式如3G/4G，WIFI 等。

除了自然条件的挑战之外，海上传感器网络在管理各种数据和信息时同样存在一定的问题，例如如何分析和处理海量的数据，有效减少数据噪声并进行有组织的存储，以及如何利用这些数据进行决策支持等。为了应对以上问题，亟需一种框架，将所需的工具，设备和技术进行有机地结合，并需要相关的标准将数据、信息和知识进行标准化。

本文的目的在于设计一种基于集成化设施管理方法的海洋无线传感器网络数据与信息框架，主要解决海上传感器网络的3个问题:1)无线传感器网络如何和现有通信网络相融合，如互联网等，实现远程的监控和操作;2)如何利用数据库和软件工具，增强传感器网络对数据的管理;3)增强传感器网络框架中各个模块的性能，对当前的海洋监测手段提供一定的帮助。

2 海上传感器网络框架

本文设计的海上传感器网络框架为“感知——反应”模型，包含了多个传感器节点和反应设备，并且各个节点间通过无线链路相连。传感器节点收集外界信息和数据并将其通过网络传输给基站服务器，进而基站根据收到的信息给出决策，指导反应节点采取合适的行为和操作。这一模型能够允许用户在任何地点和时间，对某一远程海域进行感知并采取对应的操作，并且通过网络相连的传感器节点所能发挥的效能，将远大于他们独立使用的情景。该海上传感器网络框架如图2所示。

图2 海上传感器网络框架Fig.2 The architecture of marine sensor network

一个典型的“感知——反应”传感器网络通常包括多种传感器节点，用来测量湿度、温度、压力、氧含量、导电性、光照、位移等，同时节点中还安装有若干可进行控制的“反应”部件，例如推力控制器、GPS 单元、深度控制器、声呐装置、通信装置等。基站可以接入互联网，从而向用户提供任意地点和任意时间的访问能力。当基站位置距离传感器节点较远时，则可以使用诸如卫星通信或Stargate的微系统，为传感器节点充当通信的中继节点。基站同时也维护有数据库，并能够作为Web服务器使用，因此用户可以使用手持终端，采用可视化的方式对数据进行查询、查看、管理、控制等操作。

3 框架软件模块设计

本文设计的海上传感器网络数据与信息框架共包括数据采集模块、数据存储模块、信息挖掘模块、设备管理模块、决策支持模块和用户界面6个软件模块。在本节中将对各个模块的细节进行设计。

3.1 数据采集模块

数据采集模块由传感器节点和可控装置组成，前者负责采集环境数据，后者负责调整传感器的位置，保证传感器通信过程正常等。数据采集模块中包含的其他部分包括:1)数据滤波器:负责将采集数据中的噪声去除，保证数据的正确性和可用性;2)XML/DTD 处理器:负责将数据转换为标准格式或DTD 格式;3)元数据转换器:负责使用和控制元数据，对采集数据进行分析和定义;4)无线通信终端:保证传感器节点在运行的过程中，能够使用可靠的无线通信链路。

3.2 数据存储模块

数据存储模块有分布式的数据库和元数据控制器组成。分布式数据库能够将海量的传感器数据存储起来，而元数据控制器则存储相关的元数据文件。由于在大型的，异构的海上传感器网络中，运行于不同平台的传感器可能采用不同的元数据格式，因此元数据控制器还需要具备不同元数据格式之间的编译功能。数据存储模块中的目录服务组件，能够提供一个集成化的数据目录，供系统应用查询和使用。在本文设计的数据存储模块中，采用基于XML的MIMOSA/ISO标准，在分布式数据库中对数据进行分类。

3.3 信息挖掘模块

信息挖掘模块包含了以下组件:1)报告生成组件，能够以一定周期根据收集到的数据产生系统日志;2)状态监控组件:该组件能够根据接收到的数据，判断设备的工作状态，并具备异常管理，异常处理的功能。

3.4 综合设施注册模块

综合设施注册模块依照对应的ISO 规范进行设计，能够综合处理传感器层次，设备层次，平台层次，单元层次，组织层次和企业层次的多种信息和数据。通过综合设施注册模块，可以根据采集数据中的标记，追溯到对应的传感器或设备，能够从多个层面、多个维度对传感器网络中的元素进行灵活控制和管理。数据采集模块、数据存储模块、综合设施注册模块之间的相互关系及工作流程如图3所示。

图3 模块相互关系与工作流程Fig.3 The relationship and workflow of modules

3.5 决策支持系统

决策支持系统中包含了若干适用于不同领域的决策工具，例如渔业数据分析工具，航运数据分析工具等，其中的一些工具具有成熟的商业版本，如MineSet 等。决策支持系统中的核心部分为事件服务组件，该组件能够识别认为行为，环境行为和数据行为，分别如用户的指令和需求，当前的环境条件和数据的质量等。

图4 模块结构与工作流程Fig.4 The structure and workflow of modules

3.6 用户界面模块

用户界面一方面负责系统与用户的交互接口，另一方面负责系统数据的输出，因此该模块包含以下组件:1)标准化的MIMOSA/ISO 数据输出端口:能够将数据以标准化的格式进行输出，从而这些数据能在大多数海洋环境监测平台中使用;2)请求优化和管理组件:能够对用户的各种请求进行优化，消除各种请求之间的冲突和错误，是与用户进行直接交互的主体;3)图形化的用户界面:具备良好的图形化界面，能够有效提高用户体验。

决策支持系统，用户界面模块和信息挖掘模块的相互关系与工作流程如图4所示。

4 结 语

本文首先分析了海上传感器网络在使用过程中的主要挑战，对其存在的问题进行深入研究。并设计了一种新型的海上传感器网络数据与信息框架。给出该框架的基本结构，对该框架的硬件模块进行描述，同时对软件模块进行细节地设计，给出具体的功能结构和实现方法。总体来说，本文提出的框架具有较好的可行性，并能够在一定程度上解决海上无线传感器网络中对各种设备和信息数据的管理，对于今后类似平台的构建和海上传感器网络的进一步推广和使用，具有重要的借鉴意义。

［1］KIM S，PAKZAD S，CULLER D，et al.Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks［C］//New York:IEEE Press，2007:254－263.

［2］LAKSHMI V N.EDAM:An anchor desk for environmental disaster analysis ＆ management:design of a secondgeneration foundational information management infrastructure ［C］//ICETiC 09.Virudhunagar: IEEE Press，2009:1－14.

［3］蒋雷，贺国.一种绝对式气压传感器结构与相关特性［J］.舰船科学技术，2013，35(6):123－128.JIANG Lei，HE Guo.An absolute pressure sensor structure and related properties［J］.Ship Science and Technology，2013，35(6):123－128.

［4］LAKSHMI V N.MSIAMIE:Marine sensor information acquisition，management，integration ＆ exploitation architecture［Z］.larger Working Document，2009.

［5］粟栗.多传感器数据融合方法在军事信息领域的应用［J］.舰船科学技术，2013，35(6):78－83.SU Li.Multi-sensor data fusion method is applied in the field of military information ［J］.Ship Science and Technology，2013，35(6):78－83.