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物联网范式中的一种自重构传感器网络管理系统
AseIf-recon们gurabIesensornetworkmanagementsystemforinternet
ofthlngsparad-gm
张新华。。李红2
ZHANGXin．hua‘。LIH0n92
(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)
擒耍：物联网是互连异构设备的范式，是未来互联网的一部分，无线传感器网络是物联网的主要组成
部分之一，实现物联网的主要挑战之一就是：大型异构网络的集成和管理。自动网络管理系统
为了在物联网中进行广泛应用，应与现有因特网的结构，协议等同步。本文提出一种新的异
构、自优化的传感器网络管理系统，它具有节能、续航能力提升和灵活性自动配置的优点。
关键词t网络管理系统；物联网，无线传感器网络
中国分类号：T户273．5文献标识码：A文章编号：1009—0134(2012)05(下)一0012—04
Doi：10．3969／j．issn．1009—0134．2012．5(下)．04
0引言
物联网(10T)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，一些基本问翘
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
1．1SNMS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hltemet定义的SMI和MIB体系结构，改进后的协议就是著名的S删2’引。SNMP的目
标是管理互联网Intemet上众多厂家生产的软硬件
平台。
传感器网络管理协议(sMⅥP)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H1。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
线传感器网络米说仍是一个未知领域陋1。
1．2WSN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
畋稿日焉：2012—03—27
作者简介：张新华(19r7l一)，男，河南西平人，副教授，博士，主要从事电子商务及物流管理研究工作。
112l第34卷第5期2012—5(下)
万方数据
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，以控卸各种软件应用。
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、故障检丽和
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
ⅢEE802．154的无线模块：德州仪器的CC2430。
这两个天线是接地的四分之一渡长单极天线。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l所示。
表1通信节点的能量损耗
设备当前状态模式电流大小
待机柏mA
发送处理中们
休眠1mI^
待机32，柚
接收处理中8鲥
休眠8“A
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。
应HI层
监州和控制服务器接口用户接口
中间晦姗层
网RAW数据管理数据库管理服务管理罔
关操作联关
网络线进程管理传感器驱动
硬件层
传感器硬件
图l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
于卜nvIS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sensor池(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6Lo、删，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：
ZigBec，WHART，MIWl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
(SU蹦)、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。
第34卷第5期2012—5(下)【13】
万方数据
传感器用_『Il接U管理
传感器映射显示】认证j基于内容的查i句处理系统
传感器安全管理
荔i蠹夏至管运——1r飞据韧庙活矗—厂——石意穗五iiii两一——————．——L—．一————————————————-————．+—．——一一——一
传感器网络配置管理——————。。。。————。—一————T——1。。1。。。。。—‘——————。。。…。。。。一
传感器查询管理|网络配置拓扑管理i路由调度一o
-一
传感器电源管理1传感器告警检铡I传感器容错管理一——一——r———————————i——．．，．．．．．．————————．．．．．．．．．．．．．。．。。．．。一
传感器节点管理
传感器发现，配置『传感器DB初始化I传感器教据处理
传感器软件更新：传感器校准传感器Qos
网关管理
事件通知处理|网关配置健仝检喇
SNMS网关接口
SNMP’S0cket。CORBA
结
构
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t3)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。
3．2SNMS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
【14l第34卷第5期2012—5(下)
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)NaIne一、Ⅵue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。
{兰苎竺I!兰!!l竺竺兰!呈L竺．1竺垒兰竺j
(a)命令消息帧
(b)N硼e—Va】ue数据帧
l事务l网戈l长l传感器lI传感器l慷感器Nl传感器NI结束I
IDl∞l度lIDl数据llDI数据l标志I
(c)传感器同步消息帧
l事件IDJ嘲关lDI传感器ID}事件类型I事件数据l时刻I
(d)传感器事件报告消息帧
图3蚰结构
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
D、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D、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
I下转第38页l
万方数据
压器保护可以在程序设计时予以考虑。
目前继电保护虽然已步人微机化时代。保护
校验工作量大大减少。但对保护二次回路的问题
尤其不得忽视。从以上2例错误接线就可看出，
CT二次回路的小问题就能引起保护误动、拒动。
对二次回路的检查要从原理上吃透，不能流于形
式。CT二次回路有过改动后要以带负荷试验正确
为准，切不可偷懒不做，以免留下后患。
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{‘‘●o|鼻●●‘Ir●t●●‘●●^●●‘·●矗--矗·_k●蠡‘●■·{如·●■‘jt‘|‘‘●■‘j‘‘●童‘●‘}j■‘●t‘j■‘
【上接第14页】
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。复杂无线传懑器网络的自动
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，还如控翩机制，如网络设备与
控制代理端的基于策略的仿生自动控制环。
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
I蚓第34卷第5期2012—5(下)
图4简化的系统结构
器网络。
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万方数据
物联网范式中的一种自重构传感器网络管理系统
作者：张新华，李红，ZHANGXin-hua，LIHong
作者单位：张新华,ZHANGXin-hua(商丘师范学院计算机与信息技术学院,商丘,476000)，李红,LI
Hong(阜阳师范学院经济与商业学院,阜阳,236041)
刊名：制造业自动化
英文刊名：ManufacturingAutomation
年，卷(期)：2012,34(10)
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