淺談傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系和架構(gòu)
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/159925.htm傳感器是一種物理裝置或生物器官,能夠探測、感受外界的信號、物理條件(如光、熱、濕度)或化學(xué)組成(如煙霧),并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。
國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是:“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將檢測感受到的信息,按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出,以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。
目前,傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域尚處于發(fā)展初期,我國的科研、產(chǎn)業(yè)進(jìn)展與國際幾乎同步,大部分依托于科研成果,在部分領(lǐng)域有示范應(yīng)用。但在已經(jīng)實現(xiàn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中往往采用私有協(xié)議,尚缺乏完善的傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系,缺乏對如何采用現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo),在產(chǎn)品設(shè)計、系統(tǒng)集成時無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)可循,已經(jīng)嚴(yán)重制約了技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。所幸的是,我國傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展與國際基本同步,目前國際尚無完備的傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系,這為我國實質(zhì)性參與該領(lǐng)域國際標(biāo)準(zhǔn)化工作、占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的制高點提供了一次難得的歷史性機(jī)遇。
傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化研究將有利于鞏固現(xiàn)有技術(shù)、產(chǎn)業(yè)成果,規(guī)范、推動產(chǎn)業(yè)有序、健康發(fā)展;通過統(tǒng)籌安排,產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合攻關(guān),對相關(guān)技術(shù)體制進(jìn)行全面梳理,形成可行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系,切入關(guān)鍵技術(shù)問題;通過“關(guān)鍵技術(shù)-標(biāo)準(zhǔn)化-應(yīng)用示范-產(chǎn)業(yè)化-商用化”的漸進(jìn)發(fā)展道路,保障傳感器網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模應(yīng)用的互聯(lián)互通,推動傳感器網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展;有利于推動我國實質(zhì)性參與傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作,擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)界在國際上的影響力。
2 傳感器網(wǎng)絡(luò)國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀
傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及的技術(shù)領(lǐng)域和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織較多,目前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)和國際電工委員會(IEC)的第一聯(lián)合技術(shù)委員會(JTC1)、國際電子和電氣工程師協(xié)會(IEEE)、國際電信聯(lián)盟(ITU)和互聯(lián)網(wǎng)工程師任務(wù)組(IETF)等國際標(biāo)準(zhǔn)化組織都在開展傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的研究工作,但大多尚處于標(biāo)準(zhǔn)提案階段。其中,IEEE在為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供支持的底層無線傳輸技術(shù)和傳感器接口的標(biāo)準(zhǔn)化研究等方面已取得一定進(jìn)展;ITU-T的多媒體編碼、系統(tǒng)和應(yīng)用(SG16)研究組開始進(jìn)行泛在傳感器網(wǎng)絡(luò)(USN)應(yīng)用和服務(wù)的研究,SG17研究組已開展USN安全框架的研究;IETF成立低功率無線個域網(wǎng)上的IPv6(6LOWPAN)工作組,已產(chǎn)生RFC4944(IEEE 802.15.4上的IPv6)和RFC 4919(問題陳述和目標(biāo))。目前,公認(rèn)的可以被稱為傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的只有IEEE802.15.4和Zigbee聯(lián)盟推出的傳輸、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),以及IEEE 1451。
2008年全球傳感器市場容量為506億美元,預(yù)計2010年全球傳感器市場可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示,東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區(qū),而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區(qū)。就世界范圍而言,傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場,占第二位的是過程控制市場,看好通訊市場前景。
一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規(guī)模最大,分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSySTems,微機(jī)電系統(tǒng))傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中,無線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長率預(yù)計會超過25%。
目前,全球的傳感器市場在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。有關(guān)專家指出,傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高,各國將競相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化,競爭也將日益激烈。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場,比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場份額的擴(kuò)大。
為了在傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)的制定方面進(jìn)行研究與探索,2007年ISO/IEC JTC1正式成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究組(SGSN)。目前有22名專家,分別來自中國、法國、日本、韓國、挪威、英國和德國,以及其他組織的聯(lián)絡(luò)員。2008年6月,在中國上海召開了第1次全體會議,對傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求、系統(tǒng)架構(gòu)、協(xié)議、接口和安全等方面的提案進(jìn)行了討論。2008年9月和2009年1月,我國分別組團(tuán)參加了在德國和澳大利亞舉辦的第2次和第3次SGSN會議,實質(zhì)性地參與了《ISO/IECJTC1傳感器網(wǎng)絡(luò)研究組技術(shù)報告》的編寫工作,并在很多章節(jié)做出了重要的貢獻(xiàn)。
我國傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究首次出現(xiàn)在1999年中國科學(xué)院的《知識創(chuàng)新工程試點領(lǐng)域方向研究》中,幾乎與發(fā)達(dá)國家同步。國家自然科學(xué)基金委(NFSC)從2002年開始,連續(xù)資助了一系列有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究,此外還啟動了“面向傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布自分布系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)協(xié)調(diào)控制理論”和“傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基礎(chǔ)軟件及數(shù)據(jù)管理關(guān)鍵技術(shù)研究”等重點項目。國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“九七三”計劃)也于2006年資助了“無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”。國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“八六三”計劃)于2006年開始在信息技術(shù)領(lǐng)域的通信專題下資助了10余項探索導(dǎo)向型項目,研究傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)級技術(shù);2007年啟動了“傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式芯片設(shè)計”等目標(biāo)導(dǎo)向型項目,進(jìn)行節(jié)點系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。此外,科技部“十一五”國家科技支撐計劃也部署了相關(guān)應(yīng)用示范項目,以促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)測和精細(xì)農(nóng)業(yè)等方面的行業(yè)應(yīng)用。《國家中長期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃(2006—2020年)》在重大專項、優(yōu)先發(fā)展主題、前沿領(lǐng)域均將傳感器網(wǎng)絡(luò)列入,其中重大專項“新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)”已將其列為重要方向。
這些從基礎(chǔ)研究、科技攻關(guān)、示范應(yīng)用等不同層次、不同角度開展的項目,帶動和加速了我國傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的進(jìn)程。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明,截至2008年底,我國申請的傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)專利435件??梢哉f,上述前期探索性研究為我國傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展進(jìn)行了必要的技術(shù)儲備,為國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作奠定了基礎(chǔ)。
2006年,全國信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會成立了傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)項目組,組織國內(nèi)的大學(xué)、科研單位和企業(yè)開展了標(biāo)準(zhǔn)研究工作,對《傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)體系》、《傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?!贰ⅰ秱鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)智能傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)》和《傳感器網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)》等標(biāo)準(zhǔn)項目進(jìn)行了研究。2007年底,國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會正式批準(zhǔn)籌建傳感器網(wǎng)絡(luò)國家標(biāo)準(zhǔn)工作組,組長單位是中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所,秘書處單位是中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所。目前,工作組由國內(nèi)50余家成員單位,70多位專家組成,匯集了包括國內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用的各方力量,旨在整合國內(nèi)科研院所和產(chǎn)業(yè)界的優(yōu)勢力量,共同進(jìn)行傳感器網(wǎng)絡(luò)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定,全面推動傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時,依托該組織,也可將國內(nèi)相關(guān)優(yōu)勢單位聯(lián)合起來,明確分工,統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作,積極提交國際標(biāo)準(zhǔn)提案,多方進(jìn)行國際交流和溝通,促進(jìn)我國在傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作中占據(jù)重要地位。
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