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无线传感器网络中间件技术研究综述王林，姜杰（西安理工大学自动化与信息工程学院 ，陕 西 西安 ）摘 要：无线传感器网络在受到广泛应用与关注的 同时，由 于网络复杂度及网络应用的增加，普 遍存 在缺乏统一开放接口的问题。针对无线传感器网络结构及特点，介绍无线传感器网络中间件技术概念，在 全面分析中间件面临的问题与挑战的基础上，比较几种不同设计方法，并且通过典型实例在几个重要性能 参数方面进行了对比。最后在中间件 机制模型方面提出了一种改进方法。关键词：无线传感器网络；中间件技术；设计方法；机制中图分类号：文献标志码： ，（，）：， ， ， ， ， ：； 引言无线传感器网络 （ ）作为 最 新 一 代 传 感 器 网 络已 演 进 成 为 集 信息采集、处 理 和 传输于一体的综合智能信息系 统，在环境监测、军事、医疗、商业等领域发展迅速 ， 是当今科研的重点之一。无线传感器网络从高层应用到底层基础硬件， 各层之间具有独立层次 ，从数据链路，到路由选择， 到数据表示，到 功能应用，构成一 个完整的无线传 感器网络应用。无线传感器网络中节点资源有限、数量庞大、应用 层次不一，且节点运行操作系 统与 应用不能超过系统资源承受范围 ，中间件技术可以 实现多种应用的融合 ，减少由不同应用及网络异构 性所产生的系统开销。 无线传感器网络 中 间 件 能够向用户提供一个标准平台 ，把分散的系统有机 地组合起来，实现应用软件系统的集成 。本文主要讨论无线传感器网络中间件研究现 状及现有设计方法 ，对现有多种典型中间件设计方 案从能耗、可靠性、可扩展性、易用性等多方面进行 比较；提 出 了 一 种 改 善 服 务 质 量 （）中 间 件 机 制，并 对 其 设 计 思 想、体 系 结 构及工作过程进行了论述。 收稿日期 ：；修 回日期 ：通信地址 ： 陕西省西安市西安理工大学自动化与信息工程学院 ：，王 林等 ：无线传感器网络中间件技术研究综述 无线传感器网络中间件概述当今无线传感器网络具有诸多特点 ：首 先，节 点的体积小，设 备存储能力有限。 其次，节 点自身 的移动、电池耗尽受环境 影响。 再次，网 络的构成 一般有成百上千个节点 ，人工部署与维护的可实现 性较小，需要网络自身配置与维护 。网络往往由体 系结构、计算能力、存储能力、能量级别各不相同的 异构节点组成，设计网络时要考虑异构性问题 。无 线传感器网络中间件是处于操作系统软件与用户 应用软件：是一种分布式处理软件，在操作系统、网 络和数据库之上，应 用软件之下，向上提供分布式 服务，增强应用开发。无线传感器网络中间件在整 个 中的作用如图所示。 图 中间件系统功能结构图 无线传感器网络中间件面临的问 题与挑战（）资 源有限 问 题。 无 线 传 感 器 网 络 节 点 微 小、能 量有限、数 量庞大、部 署环境复杂，这 就要求 运行在节点上的中间件都必须具备节能性和高效 性，尽最大 努 力 地 延长无线传感器网络的生命周 期，还要为处理器与存储器的有效利用提供一定的 机制，使其能够在低功耗状态下通信 。（）可扩展性、移动 性及网络拓扑。 可扩展性 要求当网络中的应用增加时 ，需要在保证对网络性 能无影响的 前 提 下，能 足够 灵活地处理增加的应 用。无线传感器网络是动态自组网 ，网络的拓扑结 构会由于诸多因素而频繁地改变。 中间件需要提 供适应拓扑变化的算法集 ，使网络能够最大化地适 应各种拓扑结构变化 、支 持各种路由协议、支 持容 错机制及传感器节点的自配置和自我维护。（）服务 质 量 。 在 无 线 传 感 器 网 络 中 的有两方 面 的 含 义：一是 指无线传感器网络中 应用的专用参数，如节点测量、扩展、动态节点数量 等；二是指辅助 通信网络如何有效利用带宽 、功 耗等参量指标来满足应用需求 ，并 且能适应 需 求的改变。（）安 全 性。 无线 传感器网络中间件技术需 要确保中间件的所有功能正常执行 ，同时还需要考 虑数据交互和传输的安全性问题。无线传感器网络中间件设计方法 与比较 无线传感器网络中间件设计方法为了使无线传感器网络中间件更加有效地在 任务与网络中间实现交互 、任务分解、节点间协同、 数据处理、异构 抽象等各种机制 ，许 多学者提出了不同的设计方案。 文献 提出从编程模型划分 ， 无线传感器网络中间件可分为编程抽象和编程支 持。根据无线传感器网络中间件的底层编程方式，可将设计方法分为以下七类：（）基 于 虚 拟 机 的 中 间 件。 该 方 法 包 含 虚 拟 机、翻译器以及移动代理 ，具有灵活性，提供灵活方 便的 编 程 接 口。 典 型 实 例 有 、等。能够对 的变化提供更好的自适应和交互性，使网络能够动态、灵活和方便地重配置。使 用 虚 拟机，解 决 的异构性问 题，自动分割和 分配应用程序代码到网内各节点， 减少通信开销。（）基 于移动代理的中间件 。是 支 持模块化、具 有 可 维 护 性 的 基 于 移 动 代 理 的 中 间件。 它基于事件驱动，为 应用提供以编程接口，并 能使轻量 级 系 统 层 管 理 应 用 程 序 的 动 态 自 适 应。位于应 用 层 与 网 络 层 之 间 ，为 应 用 提 供 数据为中心的、基于组结构的实时事件检测服务 。（）基 于 数 据 库 的 中 间 件。 此 类 方 法 将 整 个 网络看作一个虚拟数据库系统 ，为用户提供易用的 接口，用查询语句获得所需的数据 。常见的实例有、。为 用 户提供分布式数据库查询接口 ，使用查询方式进行管 理操作，将 中 的 节 点 划 分 为 簇 ，形 成 簇 并 确 定簇头； 使用基于属性的命名机制和位置感知机制，传输协议利用位置信息限制了地理位置邻近的相似 信 息 的 重 复 发 送 ，节 约 了 能 量。 是传感器网络数据管理中间件系统 ，为用户提供易用、简洁、类 的应用接口。（）基于应用驱动的中间件 。该方法允许程序 计算机工程与科学 ，（）员根据应用请求调整网络 ，应用程序指定感兴趣的 某种特定的状态变化 ，节点检测到此事件的发生就 立即 向 相 应 程 序 发 送 通 知。 典 型 的 实 例 有 和 。 为高层提供面向应用的接口，将无线传感器网络中的应用具体到 各个应用的定量需求并能够调整网络特性来增加 应用寿命。开 发 了 通 用 重 配 置 系 统 架构，提供灵活、自适应的数据管理组件 ，根据系统参数和应用程序需求进行最佳选择。基于 的 数 据 共 享 型 中 间 件 ，将 其 扩 展 为 专属传感器网络的中间件组件 ，能够有效地处理有 关 功耗以 及 中 间 件组 件运算资源有限等 问 题。核心组件包括 代理管理器 、上 下文管 理 器、 指令管理器和远程元组空间操作管理器及协调引 擎。（）其 他 类 型 中 间 件。 以上六种均为编程支 持型中间件。编程抽象型中间件又分为本地状态 和宏编程两种设计方法。 本地状态典型中间件有（）面 向消息的中间件。该方法使用发 布订；宏 编 程 典 型 中 间 件 有。阅机制来方便从节点到 节点的消息交换。 其 特点在于支持异步通信。典型的实例有 。 提出适用于 应用的异步通信模式，使用 的发布订阅模 式中仅发送与订阅 相关的消 息，减少发送数量从而节省能耗。（）基 于元组空间的中间件。 元 组 空 间 概 念 来源于 结 构，通 过 对 元 组 的 读、写 和 移 动 实现进程的协同。 其通信范式不需要节点的位置 或标志信息，非 常适合具有移动特性的 。 典 型的实例有 和 。是适用于嵌入 式跟踪应用中，采 用以数据为中心的编程范例 ，能够为应用程序开发人员提 供健壮的程序接口。允 许程序设计者将本 地状态表示为本地节点能够处理的子程序。 典型中间件比较国内外学者 提 出 了 多 种 中 间 件 设 计 方 法，如何评价中间件的优劣需要与相关应用联系起 来。表 从 能 耗、可扩展性等八个方面 进 行比 较，。表中， 表示支持，表 示部分支持，表示不支持或者支持较差。 表 典型中间件的比较 设计原则中间件特征编程 模型低能耗 可扩展性移动性 异构性 易用性 自适应性支持可靠性基于 虚拟机支持 、同 步 、字 节编译编程支持 基于虚 拟机 ，单 系统映像编程支持 基于虚拟数据库 ，支 持抽象数据基于数据库基于 事件驱动基于 编程支持 类型 ，使 用类语言基于表格 数 据 库 ，支 持 异 构 类， 编程支持使用 语言描述基于虚 拟 数 据 库 ，使 用 类 语言 ，支 持语义路由编程支持 基于数据服务，支持活动监测，使 编程支持 用类 语言描述，具有实时性基于移动代理、二进制结构，支持异步模式、状态机，但应用有限编程支持应用驱动 支持 需求，支持网络协议栈编程支持 基于数据管理组件 ，支 持动态拓扑 ，跨 层 结 构 ，使 用 语 言 编程 ，支 持 使用 语言编程，支持 ，编程支持 支持发布订阅，支持异步模式编程支持 基于 元组空间本地支持 节 点 ，支 持 编程支持 基于移动代理 ，支 持 编程支持 使用 语言编 程 ，支 持 状态 ，基 于目标 跟 踪 、移 动 编 码、 编程抽象 文本标签支持宏编程 ，使 用 语 言，宏编程 编程抽象 支持及 王 林等 ：无线传感器网络中间件技术研究综述 一种中间件改善 机制模型支持 由 于 其 独 有 的 特 征 和 一 些 限 制 ，并 不能够直接应用于无线传感器网络中 ，但可以利用 中间件 来 达 到 无 线 传 感 器 网 络 的 支 持。由表可以看出，这些典型中间件虽然在某方面都有其各自 的 优 越 性，但 支 持 （服 务 质 量 ）的 中 间件较少。网络层对于 参数要求限于数据包 延迟、抖 动、损 耗、带 宽、吞 吐量、差 错检测、精 确度以及等待时间；而 对于中间件与应用层的 参 数要求主要是精确度 、数据融合时延以及保证系统 寿命的传感器节点最佳数量。传感器节点分为三类 ：普 通传感器节点、 节点和 簇 头 节 点。 普 通 节 点 是 数 据 源，处 于 最 底 层，负责感知环境并产生数据 。簇头节点由若干个普通节点组成，位于中间层，携带簇成员的信息 ，提 供服务并能够完成中间件的一些运算 。 节点 位于最高层，为用户应用与无线传感器网络提供接口服务。节点携 带了所有传感器节点信息及 其服务信息。这三类节点的关系如图 所示。储在本地存储器中。针对每种服务，簇头计算出最大时延与最小时 延，仅将结果 发 送 给 节 点。 这 个 过 程 减 少 了 消息 传 送 量，从 而 降 低 能 耗。 在 滤 选 信 息 到 达节 点 之 前，簇 头 还 要 生成其成员信 息。 在 节点和簇头中仅使 用本地信息。 节点提 供 服务信 息、各 服 务 的 最 大、最 小 时 延 以 及 能耗信息。簇头及 节点中的侦听 组件可将不 同区域内的传感器类型冗余信息应用到容错机制中，当网络中某 些部分出现故障时 ，其 他区域能够 提供相同的服务，因此亦能提高 的可靠性。 在本模型中，包 含了五个主要模块：兴 趣 分 析器、兴 趣调度及策略生成器、兴 趣选择器、侦 听、任 务调度。如图 所 示，利 用 节 点 和 簇 头 节 点 中的本地信息来改善无线传感器网络的 。 图 改进 机 制框图在运行阶 段，该 机 制 模 型 的 组件分为以下部 分：（） 节点负责 接收用户应用提出 的 传 感 图 节点层次关系图 根据文献中的概念和范例，本文提出一种 改善 机制模型，前 提是每个节点上都有一 个 时间模块来保证该机制中的时间同步。 该模型针对事件驱动模式给出较为合理的通信范例 ，能够改 善无线传感器网络异步通信等方面。 该主动型网 络模型中，节点 周期性地检测并发送感知数据 ，适 合于有较高精度或实时性较强的应用。该中间件机制包含了两个阶段 ：配置阶段和运 行阶段。在配置阶段，网络形成 了基于簇的结构， 每个普通节点将自身的传感器类型及能耗指标信 息 发 送 给 簇 头 节 点，由 簇 头 将 这 些 信 息 发 送 给节点。簇 头 提 取 时 间 戳，忽 略节点的能耗等 信息，计算出普 通节点到簇头的延时 ，并 将结果存器网络的兴趣，将 该兴趣分类，如 温度、时 间、湿 度 等信息，分配给传输该服务的传感器节点 。通常而 言，大多数分配兴趣的方法都是利用广播信息将兴 趣分配给普通节点 ，但是这种方法会产生大量的网 络通信量和能耗。本机制提出 节 点兴趣分析组件，利用 中的本地信息进行对 比分析后，将分类后的兴趣分配给兴趣调度及策略生成组件。（）兴趣调度及策略生成组件 。它根据兴趣分 析器分析出的分类结果生成策略 ，并选择性地分配 给各簇头节点。（）兴趣 选择组件。 存在于簇头中，以 最小传 输时延将特定兴趣分配给普通节点 ，力求达到最小 能耗。（）侦听组 件位于簇头中 ，用 于侦听普通节点 工作正常与否、网络剩余能量等。（）调度组件存在于簇头和 节点中，用 来 计算机工程与科学 ，（）平衡能耗和 普 通 节 点 的 工 作，调度高优先级的文 本。如果多个 节点 有不同的 需求，兴 趣 分析组件 首 先 给 兴 趣 分 配 一 个 标 示符，该标示符是一组序列号 。兴趣分析器将通过查询筛选 将 兴趣送到 节点的 调度及策略生成器中，由该组件 分析序列号类别、 路由策略，选择 相应的簇头，由选 中的簇头将该兴 趣发送到整个网络中。除了在任务层上使用兴趣分析外 ，还在应用层 上使用 表 达 应 用，一 个应用可以有多个 。语法结构定义如： 其中， 是 应 用 名； 表 示 类 型；表 示 具 体 内 容，在该结构模型中 就是节点接收到的兴趣。普通节点产生信息数据并将数据发送给簇头， 还将自身的剩余能量信息同时发送出去。 簇头的 侦听组件检测信息，当其检测到普通节点剩余能量 下降时，簇头更新其本地信息。当其剩余能量低于 某阈值时，通知 节点。节点的侦听 组件收到来自簇头的通知信息，如果得知某 簇头节点剩余能量低于某临界值， 侦听组件将告知兴趣调度及策略生成组件 ，进而将兴趣分配 给 其 他 区 域。 该 过 程 中， 节 点 需 要 周 期 性 地 侦 听 簇 头 信 息 以 获 取 最 新 消 息 ，由 此 节点可得知 哪些节点已坏死。 这对于传统的由簇头和普通节点告知 节点能量 信息的方法在 方面会有极大的改善。当多个 节点同时周期侦听时 ，将 更新信 息相互发送会造成过 多 开 销，因 此 要 求 节 点 在侦听到 坏 死 节 点 信 息 后 立 即 通 知 其 他 节 点，避免消息在网络中反复发送带来资源浪费 。 结束语本文在全面介绍无线传感器网络中间件的概 念和典型实例基础上 ，提 出一种改善 的无 线 传感器网 络 中 间 件 结 构。 在 该 结 构 中， 需 求被压缩到兴趣消息中 ，并利用分簇结构保障兴趣消息按时发送到 节点及用户应用 中。 由于该机 制在传输消息决策时利用了本地信息 ，因此具有可 扩展性。该机制能够在网络配置阶段将兴趣信息 发送给特定 节 点，因 而 减少 了发布无关兴趣的开 销。然而，随着无线传感器网络以及物联网技术的 发展，无线传感器网络中间件的设计将面临更多的挑战，在实 时 性、 保 障 等 方 面，需 要 进 一 步 对 操作系统以及网络层进行研究。参考文献： ， ，（）： ， ，（）： ， ，（）： ，： ， ：， ， ，： ， ，（）： ，（）： ，： ， ，： ， ，： ， ，： ， ，（）： ， ， ： ，（）： ，（）： ， ，： ，（）： ，： ，（）： ， ，（）：王 林等 ：无线传感器网络中间件技术研究综述 ， ： ，： ， ， ： ，： ，： ， ： ， ， ： ，： ， ，： ， ：，（）： ， ， ，：作者简介：王林 （），男 ，江 苏 东 台 人 ，博 士， 教 授 ，研究方向为无线传感器网络应用 。： ， 姜杰 （），女 ，陕 西 咸 阳 人 ，硕 士 生 ，讲 师 ，研 究 方 向 为无线传感器网络应 用。： ， ， ， 计算机工程与科学征文通知计算机工程与科学是由国防科技大学计算机学院主 办的中国计算机学会会刊 ，是国内外公开发行的计算机类综合 性学术刊物 ，现 为月刊 。本刊欢迎关于计算机科学理论 、计算机组织与系统结构 、计 算机软件 、计 算机应用 、计算机器件设备 与工艺等学科领域方面的来稿。本刊每年出版一期高性能计算专刊 ，并且常年设有高性能计算专栏 。来稿论文必须未发表 、未投到其