传感器服务

第10章　传感器服务

传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件。国际电工委员会(International Electrotechnical Committee，IEC)的定义是:“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。我国国家标准(GB7665 －87)中将传感器(Transducer/Sensor)定义为:“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。

传感器网络(Sensor Network)是由大量覆盖在作用区域内的、以有线或者无线网络的通信方式，利用传感器节点通过自组织方式构成的，能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。其目的在于以协作的方式实时监测、感知、采集和处理网络覆盖区域中各种环境或者监测对象的信息。

传感网(Sensor Web)是一项将具有感知、计算和无线网络通信能力的传感器以及由这些传感器构成的传感器网络技术与Web技术相结合产生的新技术。葛罗斯(Neil Gross)在1999年8月30日发行的《商业周刊》(Business Week)杂志上描述21世纪的21项新概念时，就对未来的地球观测系统作出了预测，他将传感网技术形容为“地球的电子皮肤”(Gross，1999)，并描述为:

“在下一个世纪，地球将披上一层电子皮肤。这层电子皮肤会以网际网络为骨架，并使用它来传达感知。这层皮肤也正被缝合在一起，它是由上百万个电子传感器组成，包括温度计、压力计、空气污染探测器、照相机、麦克风、葡萄糖感测器、心电图感测器、脑波感测器等。这些感测器无时无刻地观察并监控城市、濒临绝种的动物、大气层、船舶、高速公路上的交通、载货卡车队、人类的日常对话、身体状况，甚至是我们的梦。 ”

传感网这一概念最早源于美国航空航天局(NASA)下属的喷气推进实验室(JPL)Delin等人开始的传感网原型系统研究，用于传感网从无线传感器网络的单纯监控扩展到对周围环境作出反应并进行控制(Delin等，1999)。传感网区别于传感器网络的独特性在于一个传感器节点获取的信息可以被其他节点共享和使用，并且还会根据网络中其他传感器的各种测量行为来进行自我调整以适应整个感测环境(Delin等，2001)。美国宇航局戈达德航天飞行中心GSFC的Talabac认为，传感网就是一个感知节点的分布式系统，这些节点由通信网络连接并整合为一个独立的、高度协作的虚拟系统。它可以自主进行监测，并通过修改观测状态优化返回的科学信息的方式来对各种事件、观测以及其他源于各种感知节点的信息作出动态反应(Talabac，2003)。

2006年OGC的传感网实现(Sensor Web Enablement，SWE)规范中对传感网定义为“通过标准协议和应用程序接口来发现和获取的万维网可访问的传感器网络和传感器数据”。该定义还指出，传感网中所有的传感器都应能报告其位置信息;所有的传感器都与网络相连;所有的传感器都包含注册的元数据;传感网内所有资源都具有远程可读性并可以进行远程控制和操作(Botts等，2006a)。

2007年2月NASA ESTO/AIST定义为(NASA，2007):“传感网是由许多分布的资源组成的协同的观测组织结构，那些分散的资源整合起来作为一个独立的、自主的、可定制任务的、动态适应并可重新配置的观测系统，该系统通过一系列基于标准的服务导向的接口来提供原始观测数据以及经处理后的数据和与这些数据相关的元数据。 ”同年NASA AIST传感网会议上，美国乔治梅森大学狄黎平教授从计算角度出发，根据面向服务的构架和Web服务环境，对Sensor Web定义为“一组遵循特定传感器行为和接口规范的互操作的Web服务”。从这个意义上，任何包含算法或仿真模型的Web服务都可以成为传感网里的一个传感器，只要这个Web服务遵循了标准规范接口和操作。这样的传感器可以称为虚拟传感器。

传感网的定义随着人们认识的深入以及应用范围的扩展而不断进化。根据目前已有的传感网的定义，其内涵包含了以下方面(闵敏，2008):

(1)与Web连接的传感器类型多样。随着传感器技术的发展，目前出现的传感器类型多种多样，无论是空中的远程传感器(例如卫星、太空船等)还是位于地面的各种原位传感器(例如摄像头等);无论是真实存在的各种传感器还是各种遵循传感器行为和接口规范的计算机仿真系统等虚拟传感器等，都可以通过Web进行访问。

(2)传感网具有共享性和互操作性。它是一个分布式的开放式系统，支持各种服务和资源共享。通过各种标准化行为和接口可以对Web上各种传感器资源(数据、模型、分析)和服务进行共享访问。数据和信息的无缝传输，应用的相互调用，有助于完成逻辑上统一的任务。传感网的一个节点可以与其他传感网节点交换信息并进行交互。这包括:在传感网内整合地面和空间装置并实现这些装置之间的实时交互。此外，传感网也是Internet的一部分，支持实时信息查询。这要求传感网支持以数据为中心的路由和内部网络处理。

(3)传感网具有动态实时性。传感网可以通过动态的任务定制来请求访问目标观测，能够实时获取数据和信息服务。这改变了过去空间观测数据的静态性特点，尤其适合一些与时间紧密相关的事件观测。例如对于森林火灾、海啸地震等具有时间连续性的灾害性事件跟踪观测。

(4)传感网具有自治性，具有通过自治性操作和动态的重配置进行自适应性反馈的能力。传感网不仅可以接受外部人类用户的命令和配置，而且自身具有自治性特点。当传感器节点失效、增加、或链接可靠性发生变化时，可以根据情况不断动态调整操作行为和传感器节点配置从而促使观测满足需求。

(5)传感网具有可扩展性。每个传感器节点都是一个相对独立的小系统，但又可以通过各种标准接口进行整合为一个更大的系统发挥更大的功能以共同实现特定的观测需求，并且能够容纳以后新出现的具有一致标准接口的传感器节点，进一步扩大传感网。

(6)传感网具有灵活性。首先，每个传感器的空间部署位置十分灵活。各种真实或虚拟的传感器可以根据观测的需求灵活的部署于任意空间，这使得观测覆盖范围较之以前大大增加，极大拓展了人类的空间访问能力，尤其是一些以前人类难以到达的地点。其次，每个传感器节点都具有即插即用性，整个Sensor Web中可以根据用户需求调整传感器节点间的不同组合以完成不同的任务。

(7)传感网系统具有智能性。它可以根据当前网络状况、环境状况以及科学目标等任务需要不断的优化网络拓扑、网络带宽、电能消耗、数据优先性等资源的使用。这是传感网与一般的数据采集系统最重要的区别:传感网不仅仅具有采集数据的功能，其返回的采集的数据是应基于用户需求的，甚至是根据需求进行过处理后的数据。因此，其智能性体现为:①基于对各种现状(网络状况、环境状况等)的充分了解，优化资源配置;②根据预先定义的任务需要和科学目标优化数据流;③通过网络内部的处理产生满足用户需要的答案而不是简单的返回原始采集数据。

OGC制订的一系列传感器服务规范为传感器信息描述和服务功能的互操作奠定了基础，本章重点对OGC传感网实现架构(Sensor Web Enablement Architecture，SWE Architecture)和SWE标准进行阐述。