淺談傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系和架構

1 引言

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。

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。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，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿(mǎn)足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制的首要環(huán)節。

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)域有示范應用。但在已經(jīng)實(shí)現的傳感器網(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 )標準體系，缺乏對如何采用現有技術(shù)標準的指導，在產(chǎn)品設計、系統集成時(shí)無(wú)統一標準可循，已經(jīng)嚴重制約了技術(shù)應用和產(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(wú)完備的傳感器網(wǎng)絡(luò )標準體系，這為我國實(shí)質(zhì)性參與該領(lǐng)域國際標準化工作、占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)的制高點(diǎn)提供了一次難得的歷史性機遇。

傳感器網(wǎng)絡(luò )標準化研究將有利于鞏固現有技術(shù)、產(chǎn)業(yè)成果，規范、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)有序、健康發(fā)展；通過(guò)統籌安排，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)標準體系，切入關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題；通過(guò)“關(guān)鍵技術(shù)－標準化－應用示范－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 )大規模應用的互聯(lián)互通，推動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò )迅猛發(fā)展；有利于推動(dòng)我國實(shí)質(zhì)性參與傳感器網(wǎng)絡(luò )國際標準化工作，擴大產(chǎn)業(yè)界在國際上的影響力。

2 傳感器網(wǎng)絡(luò )國際和國內標準化現狀

傳感器網(wǎng)絡(luò )涉及的技術(shù)領(lǐng)域和相關(guān)標準化組織較多，目前國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會(huì )（IEC）的第一聯(lián)合技術(shù)委員會(huì )（JTC1）、國際電子和電氣工程師協(xié)會(huì )（IEEE）、國際電信聯(lián)盟（ITU）和互聯(lián)網(wǎng)工程師任務(wù)組（IETF）等國際標準化組織都在開(kāi)展傳感器網(wǎng)絡(luò )標準相關(guān)的研究工作，但大多尚處于標準提案階段。其中，IEEE在為傳感器網(wǎng)絡(luò )提供支持的底層無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)和傳感器接口的標準化研究等方面已取得一定進(jìn)展；ITU-T的多媒體編碼、系統和應用（SG16）研究組開(kāi)始進(jìn)行泛在傳感器網(wǎng)絡(luò )（USN）應用和服務(wù)的研究，SG17研究組已開(kāi)展USN安全框架的研究；IETF成立低功率無(wú)線(xiàn)個(gè)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(wèn)題陳述和目標）。目前，公認的可以被稱(chēng)為傳感器網(wǎng)絡(luò )標準的只有IEEE802.15.4和Zigbee聯(lián)盟推出的傳輸、網(wǎng)絡(luò )、應用層協(xié)議標準，以及IEEE 1451。

2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預計2010年全球傳感器市場(chǎng)可達600億美元以上。調查顯示，東歐、亞太區和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(cháng)最快的地區，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(cháng)最快的依舊是汽車(chē)市場(chǎng)，占第二位的是過(guò)程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景。

一些傳感器市場(chǎng)比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現出成熟市場(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(cháng)來(lái)自于無(wú)線(xiàn)傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSySTems，微機電系統)傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無(wú)線(xiàn)傳感器在2007-2010年復合年增長(cháng)率預計會(huì )超過(guò)25%。

目前，全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng )新之中呈現出快速增長(cháng)的趨勢。有關(guān)專(zhuān)家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現有基礎上予以延伸和提高，各國將競相加速新一代傳感器的開(kāi)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(lái)的傳感器市場(chǎng)，比如無(wú)線(xiàn)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與市場(chǎng)份額的擴大。

為了在傳感器網(wǎng)絡(luò )國際標準的制定方面進(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(zhuān)家，分別來(lái)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(kāi)了第1次全體會(huì )議，對傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用需求、系統架構、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，我國分別組團參加了在德國和澳大利亞舉辦的第2次和第3次SGSN會(huì )議，實(shí)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(xiě)工作，并在很多章節做出了重要的貢獻。

我國傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的研究首次出現在1999年中國科學(xué)院的《知識創(chuàng )新工程試點(diǎn)領(lǐng)域方向研究》中，幾乎與發(fā)達國家同步。國家自然科學(xué)基金委（NFSC）從2002年開(kāi)始，連續資助了一系列有關(guān)傳感器網(wǎng)絡(luò )的研究，此外還啟動(dòng)了“面向傳感器網(wǎng)絡(luò )的分布自分布系統關(guān)鍵技術(shù)協(xié)調控制理論”和“傳感器網(wǎng)絡(luò )系統基礎軟件及數據管理關(guān)鍵技術(shù)研究”等重點(diǎn)項目。國家重點(diǎn)基礎研究發(fā)展計劃（“九七三”計劃）也于2006年資助了“無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的基礎理論及關(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(kāi)始在信息技術(shù)領(lǐng)域的通信專(zhuān)題下資助了10余項探索導向型項目，研究傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統級技術(shù)；2007年啟動(dòng)了“傳感器網(wǎng)絡(luò )嵌入式芯片設計”等目標導向型項目，進(jìn)行節點(diǎn)系統關(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)應用示范項目，以促進(jìn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在環(huán)境監測和精細農業(yè)等方面的行業(yè)應用?！秶抑虚L(cháng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規劃（2006—2020年）》在重大專(zhuān)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(zhuān)項“新一代寬帶移動(dòng)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)”已將其列為重要方向。

這些從基礎研究、科技攻關(guān)、示范應用等不同層次、不同角度開(kāi)展的項目，帶動(dòng)和加速了我國傳感器網(wǎng)絡(luò )研究的進(jìn)程。統計數據表明，截至2008年底，我國申請的傳感器網(wǎng)絡(luò )相關(guān)專(zhuān)利435件?？梢哉f(shuō)，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，為國家標準的制定工作奠定了基礎。

2006年，全國信息技術(shù)標準化技術(shù)委員會(huì )成立了傳感器網(wǎng)絡(luò )標準項目組，組織國內的大學(xué)、科研單位和企業(yè)開(kāi)展了標準研究工作，對《傳感器網(wǎng)絡(luò )標準體系》、《傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)議?！?、《傳感器網(wǎng)絡(luò )智能傳感器接口標準》和《傳感器網(wǎng)絡(luò )安全服務(wù)》等標準項目進(jìn)行了研究。2007年底，國家標準化管理委員會(huì )正式批準籌建傳感器網(wǎng)絡(luò )國家標準工作組，組長(cháng)單位是中國電子技術(shù)標準化研究所，秘書(shū)處單位是中國科學(xué)院上海微系統與信息技術(shù)研究所。目前，工作組由國內50余家成員單位，70多位專(zhuān)家組成，匯集了包括國內傳感器網(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 )國家標準的制定，全面推動(dòng)傳感器網(wǎng)絡(luò )的產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，依托該組織，也可將國內相關(guān)優(yōu)勢單位聯(lián)合起來(lái)，明確分工，統一協(xié)調工作，積極提交國際標準提案，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 )國際標準化工作中占據重要地位。