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本文介绍了无线传感器网络基本概念和简要背景,分析、概括了国内外无线传感器网络标准化概况。说明了国内外无线传感器网络标准化组织的建立、发展以及工作开展情况,对几个重要网络标准进行了简单介绍。结合我国科技发展和“数字浙江”建设现状,对未来无线传感器网络标准化工作的发展方向进行了探讨。
IT产业发展经历了个人电脑、互联网和无线通信三次产业革命后迎来了新的IT产业革命的关键技术——无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)(以下简称传感网)及其产业发展的机会。传感网是许多个具有无线通信和数据处理能力的传感器节点自动组织构成的能对环境进行感知、传输和处理的智能网络系统。传感网综合了微型传感器、分布式信号处理、无线通信网络和嵌入式计算等多种先进信息技术,将信息技术领域中过去长期以来独立发展、极少有交叉和覆盖的信息感知、处理、传输和计算等学科有机地融合起来,成为不可分割的整体,为人们提供了一种革命性的观察、理解和控制环境的途径。
现代意义的传感网起源于上个世纪末。进入21世纪后,随着无线通信、微电子和计算机等技术的进步,传感网的研究和应用方面取得了重大进展,各类技术评论杂志一致看好其蕴藏的巨大应用潜力和商用价值。日本、韩国、英国、意大利、巴西等国家对传感网也表现出极大兴趣,分别提出U-Japan、U-Korea等计划,英特尔公司、微软公司等IT领军企业也开始传感网方面的科学研究工作。我国《国家中长期科学与技术发展规划(2006~2020年)》在重大专项、优先发展主题、前沿领域均将传感网列入其重要关注方向,其中重大专项“新一代宽带移动无线通信网”已将其列为重要方向之一。本文将从目前国内外实际情况出发,对国内这个领域的标准化发展前景做出探讨。
国际传感网标准化现状
根据传感网涉及技术领域和相关标准化组织较多,目前国际ISO/IEC JTC1、IEEE、ITU和IETF等组织都在开展传感网标准研究工作,但大多只是在标准提案阶段。具体如下:
◎IEEE在为传感网络提供支持的底层无线传输技术和传感器接口的标准化研究等方面已取得一定进展;
◎ITU-T的SG16(多媒体编码、系统和应用)将开展USN应用和服务的研究,SG17开展USN安全框架的研究;
◎IETF成立低功率WPAN上的IPv6(6LOWPAN)工作组,已产生RFC 4944(15.4网络上的IPv6)和RFC 4919(问题陈述和目标);
◎ISO/IEC JTC1于2007年底成立传感器网络研究组(SGSN),在传感器网络国际标准的制定方面进行研究与探索。
目前公认的可以被称作为传感网标准的只有IEEE 802.15.4和Zigbee联盟推出的传输、网络、应用层协议标准,以及IEEE 1451。
IEEE 802.15.4 定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范,ZigBee 则定义了网络互联、传输和应用规范。尽管IEEE802.15.4已经推出多年,但随着应用的不断推广和产业链的持续升级,其基本协议内容已经不能完全适应需求,该协议仅定义了联网通信的内容,没有对传感器部件提出标准的协议接口,所以难以承载传感网技术的梦想与使命;另外,该标准在不同国家地区实施过程中,必然受到该国家地区现行标准的约束。为此,研究者开始以IEEE 802.15.4协议为基础,推出更多版本以适应不同应用、不同国家和地区的多样化需求。
(一)ZigBee协议栈
ZigBee 联盟成立于2001 年8 月,最初成员包括:霍尼韦尔、Invensys、三菱、摩托罗拉和飞利浦等工业公司,目前拥有超过200 多个会员。ZigBee 1.0(Revision7)规格正式于2004 年12 月推出,2006 年12 月,推出了ZigBee 2006(Revision 13),即1.1 版,2007 年又推出了ZigBee 2007 Pro,2008 年春对该版本再次进行拓展更新。相比而言,ZigBee 技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点,目前是被普遍看好的无线个域网解决方案,也被业界人士视为传感网的事实标准,同时ZigBee 联盟对网络层协议和应用程序接口(Application Programming Interfaces,API)进行标准化处理。从网络系统模型分析,ZigBee 协议栈架构基于开放系统互连模型七层模型,包含IEEE 802.15.4 标准及由该联盟独立定义的网络层和应用层协议。ZigBee 所制定的网络层协议主要负责网络拓扑的搭建和维护,以及设备寻址与路由,属于通用的网络层功能范畴,而其应用层则包括应用支持子层(Aplication Support Sub-layer,APS)、ZigBee 设备对象(ZigBee Device Object,ZDO)及设备商自定义的应用组件,负责业务数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。ZigBee 技术试图在传感器网络需求的网络性能上如功耗、成本、时延、安全等方面提供一个综合解决方案,但从目前应用情况来看,在可扩展性、能耗控制、网络性能等方面还存在明显的缺点。
(二)IEEE1451标准族
IEEE1451标准族则通过定义一套通用的通信接口,使工业变送器(传感器+执行器)能够独立于通信网络,并与现有的微处理器系统、仪表仪器和现场总线网络相连,解决不同网络之间的兼容性问题,并最终能够实现变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE1451 标准族定义了变送器的软硬件接口,将传感器分成两层模块结构:第一层用来运行网络协议和应用硬件,称为网络适配器(Network Capable Application Processor, NCAP);第二层为智能变送器接口模块(Smart Transducer Interface Module, STIM),其中包括变送器和电子数据表格TEDS。IEEE1451 工作组先后提出了五项标准提案(IEEE1451.1—IEEE1451.5),分别针对不同的工业应用现场需求,其中IEEE1451.5 为无线传感通信接口标准。IEEE1451.5 标准提案于2001 年6 月推出,在已有的IEEE1451 柜架下提出了一个开放的标准无线传感器接口,以满足工业自动化等不同应用领域的需求。IEEE1451.5 尽量使用无线的传输介质,描述了智能传感器与网络适配器模块之间的无线连接规范,而不是网络适配器模块与网络之间的无线连接,实现了网络适配器模块与智能传感器的IEEE 802.11、Bluetooth、ZigBee 无线接口之间的互操作性。
(三)SGSN成立与相关协议建立
ISO/IEC JTC1为了明晰传感网的相关情况,在2007年澳大利亚全会上通过了成立SGSN的决议,并于07年底正式成立,目前专家有22名,分别来自加拿大、中国、法国、日本、韩国、挪威、英国和德国,以及其他组织的联络员,其中我国专家为11名。主要工作进展如下:
2008年6月在中国上海召开了第一次全体会议,会议讨论了传感网的应用需求、系统架构、协议、接口和安全等方面的提案,并听取其他联络组织的工作报告,同时确定SGSN工作计划。在此次会议中,中国代表团向大会提交8份技术报告,其中最为重要的传感网标准体系得到与会国际专家的普遍认可,一致同意以中国提出的标准体系为基础,形成后续拟提交JTC1的技术报告的核心内容。同时,中国代表团部分成员将参与传感器网络定义、传范围、特点、应用等报告中所有章节的编写工作。
◎2008年9月组团参加在德国举办的SGSN第二次会议,实质性参与了《Technical Document of ISO/IEC JTC 1 Study Group on Sensor Networks (SGSN)》技术报告的编写,并在很多章节作出重要贡献。
◎第三次会议于2008年11月在瑞士召开,我国代表ISO/IEC JTC1传感网标准化组向SC6做了总体技术报告,将标准化体系框架、网络系统架构、协同体系等内容纳入总体报告。会上中国代表当选为传感器网络系统架构与安全架构等两个提案的联合编辑。
◎第四次会议于2009年1月在澳大利亚召开,详细讨论了JTC1层面传感器网络国际标准的规划问题,中国代表表达了在JTC1框架下成立传感网工作组的意见。
◎第五次会议于2009年4月在韩国召开,中国代表做了“传感器网络技术综述”等特邀报告,重点针对ISO/IEC JTC1 传感网标准组织的中长期演进路线、传感器网络国际标准化工作、传感器网络大规模产业化模式等进行了深入讨论。
中国、美国、德国、韩国、英国等主要成员国代表达成了关于在JTC1下成立传感器网络标准化工作组的初步意向,达到总体协调传感器网络国际标准制定的目的,并将于今年10月份在JTC1大会上递交该倡议。
国内传感网标准化现状
我国现代意义的传感网研究几乎与发达国家同步启动,首次出现在1999年中国科学院的《知识创新工程试点领域方向研究》中。国家自然科学基金委(NSFC)从2002年开始连续资助了一系列有关传感器网络的研究,此外还启动了“面向传感器网络的分布自治系统关键技术协调控制理论”和“传感器网络系统基础软件及数据管理关键技术研究”等重点项目;国家重点基础研究发展计划(973计划)也于2006年资助了“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”;国家高技术研究发展计划(863计划)于2006年开始在信息技术领域的通信专题下资助了10余项探索导向型项目,研究传感器网络的系统级技术,2007年又启动了“无线传感器网络嵌入式芯片设计”等目标导向型项目,进行节点系统关键技术的攻关。此外,十一五科技部国家科技支撑计划也部署了相关应用示范项目,促进传感器网络在环境监测和精细农业等方面的行业应用。《国家中长期科学与技术发展规划(2006~2020年)》在重大专项、优先发展主题、前沿领域均将传感器网络列入,其中重大专项“新一代宽带移动无线通信网”已将其列为重要方向之一。
这些从基础研究、科技攻关、示范应用等不同层次、不同角度开展的项目,带动和加速了我国传感器网络研究的进程,统计数据表明,截止2007年底,我国申请的传感网相关专利127件。上述前期探索性研究为我国传感网进一步发展做了必要的技术贮备,奠定了科学研究与工业发展的坚实基础。但是,与大多数先期开展传感器网络研究的国家一样,多数研究项目或注重原理性验证,或仅仅局限于单一的技术目标,或根据具体应用需求量身定制的,缺乏系统性和全局性考虑。少数应用原型系统的成功部署往往依赖于个别研究小组依据特定的应用环境为系统定制了一套垂直联系非常紧密的组件。研究小组与研究小组之间、组件与组件之间都缺乏相互的协作与互动。这种独立单一的开发设计模式使得在一个系统中得到稳定运行的组件很难用于构建其他相关系统,缺乏开放性的标准规范,阻碍了传感网规模化的商业推广,难以推进产业化进程,正是基于这个原因,在世界范围内传感网还未能真正成为产业的重要原因之一。
全国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组,组织国内大学、科研单位和工业企业开展了标准研究工作,对《中国无线传感器网络标准体系》、《无线传感器网络协议栈》、《传感器网络智能传感器接口标准》和《无线传感器网络安全服务》等进行了研究,提出了我国无线传感器网络标准体系框架,如图1所示。
2008年11月底在中国无锡召开了筹备会议,讨论了章程和知识产权等问题,经过讨论并通过了2009年工作计划,成立了PG1(国际标准化)、PG2(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(电力行业应用调研)等八个项目组,开展具体国家标准的制定工作。
2009年9月11日,“传感器网络标准工作组成立大会暨‘感知中国’高峰论坛”在北京举行。工业和信息化部副部长奚国华、国家标准化管理委员会副主任方向出席会议并致辞。工作组组长单位是中国科学院上海微系统与信息技术研究所,秘书处单位是中国电子技术标准化研究所,目前工作组由国内五十多家成员单位,汇集了国内传感器网络领域产学研用各方力量,旨在整合国内科研院所和产业界的优势力量,共同进行国家传感器网络标准的制定、代表我国参加国际标准化组织的标准制定,和全面推动传感器网络的产业发展。
我国无线传感器网络标准化工作与“数字浙江”建设探讨
我国传感网的研究与国际上相比具有同发优势、同等水平,在研究、应用及标准化等方面与国际先进水平基本同步,个别领域甚至超前。当前国际标准化组织对传感网国际标准的研究刚刚启动,尚未形成统一意见。通过传感网标准化工作组的努力,力图抢先制定适合我国产业发展特点的标准,引领国际标准走向,引导我国传感网产业的兴起,这无疑给我国提供了参与国际信息产业重新洗牌的重要机会。
围绕党的十七大提出的“五化并举”、“两化融合”重要举措及浙江省委“创业富民、创新强省”总战略,结合产业发展实际,提出推进“数字浙江”建设两大行动计划:制定了《加快发展我省信息产业,推动信息化与工业化融合的意见》,将《浙江省信息化条例》列入2009年一类立法计划。建设“数字浙江”的根本目的是以信息化带动工业化,以工业化促进信息化,走新型工业化道路。在《“十二五”期间浙江省基础研究重点资助方向》中提出:针对“数字浙江”建设和我省发展软件、网络与通讯和数字动漫等产业的需求,开展信息获取、传输、处理、存储和利用、下一代移动通信网络、下一代互联网和传感网络等关键技术的基础研究,信息与网络安全的理论,自然和谐人机交互理论,数字娱乐关键技术的基础。作为信息技术领域的前沿阵地,浙江省近年来多次支持基于传感器网络的原型系统开发与关键技术项目,没有盲目跟从国外发展路线,而是形成了以应用为牵引的研究特色,面向国家重大战略和应用需求,开展了传感器网络基础前沿、关键技术、应用开发、系统集成和测试评估技术等方面的研究。
浙江大学工业控制技术国家重点实验室是国内该方向国内最早的研究单位之一,以及中国计算机学会传感器网络专委会和中国传感器网络标准委员会发起人之一。早在2003年就开始了传感器网络方向的研究工作,先后承担了国家基金(重点、面上)项目和863项目(专题、重点)等多项国家项目,经过近6年多的积累有较为丰富的科研经验和成果。近年来,项目组成员对项目所提出的研究内容已经做了大量的前期研究工作,并在传感器网络以及多移动机器人方面取得了多项进展。在传感器网络和移动感知系统方面(基于两跳搜索区间的实时路由算法、链路估计与网络连接性论、基于地理位置的按需路由算法、基于非测距室内定位和基于测距的安全定位、移动目标定位与跟踪、多移动机器人队形协调与优化、网络追踪系统QoS体系设计、协同感知与覆盖)和工业通信与系统方面(现场总线的实时性能分析与协议优化、实时调度理论和随机性能评价)等取得多项进展,在该领域积累了丰硕的成果,在国际期刊和国内一级学报(软件学报、计算机学报、通信学报、电子信息学报和仪器仪表学报等)上发表了50余篇有影响力的学术论文,其中SCI、EI检索论文30余篇。
结合研究者多年在传感网领域的实践经验,笔者对我国传感网标准化工作提出几点想法:
首先,立足国内产业需求,实质性参与国际标准化:在国内以产学研结合的国家标准工作组为基础,迅速制定出具有自主知识产权的传感网的核心技术标准,来促进传感网在各行业中大规模应用;在国际上实质性参与ISO/IEC JTC1/SGSN工作,同步制定国内、国际标准,密切跟踪ITU-T、 IEEE、ISA等组织相关进展情况。
其次,结合产业需求,以应用为导向、以技术为支撑:要实现标准研究与核心技术、产品研发及业务应用协调互动,制定标准依据一方面来自于传感器网络核心技术和产品研发与集成的需求,另一方面来自于传感器网络业务应用的需求。要实现标准研制、验证与实施与技术研发、应用示范紧密结合。
第三,标准制定应该分段实施:第一阶段是在对应用现状分析和标准化现状分析建立标准体系,通用类技术标准先行制定,如:术语、接口、标识等;第二阶段是核心技术标准研制和标准验证,选择典型大范围进行示范应用,与核心网络结合,多种应用结合。
(作者单位:王智,浙江大学工业控制技术国家重点实验室;徐全平,中国电子技术标准化研究所;孙元杰,江苏省宜兴市出入境检验检疫局)
IT产业发展经历了个人电脑、互联网和无线通信三次产业革命后迎来了新的IT产业革命的关键技术——无线传感器网络(Wireless Sensor Networks, WSN)(以下简称传感网)及其产业发展的机会。传感网是许多个具有无线通信和数据处理能力的传感器节点自动组织构成的能对环境进行感知、传输和处理的智能网络系统。传感网综合了微型传感器、分布式信号处理、无线通信网络和嵌入式计算等多种先进信息技术,将信息技术领域中过去长期以来独立发展、极少有交叉和覆盖的信息感知、处理、传输和计算等学科有机地融合起来,成为不可分割的整体,为人们提供了一种革命性的观察、理解和控制环境的途径。
现代意义的传感网起源于上个世纪末。进入21世纪后,随着无线通信、微电子和计算机等技术的进步,传感网的研究和应用方面取得了重大进展,各类技术评论杂志一致看好其蕴藏的巨大应用潜力和商用价值。日本、韩国、英国、意大利、巴西等国家对传感网也表现出极大兴趣,分别提出U-Japan、U-Korea等计划,英特尔公司、微软公司等IT领军企业也开始传感网方面的科学研究工作。我国《国家中长期科学与技术发展规划(2006~2020年)》在重大专项、优先发展主题、前沿领域均将传感网列入其重要关注方向,其中重大专项“新一代宽带移动无线通信网”已将其列为重要方向之一。本文将从目前国内外实际情况出发,对国内这个领域的标准化发展前景做出探讨。
国际传感网标准化现状
根据传感网涉及技术领域和相关标准化组织较多,目前国际ISO/IEC JTC1、IEEE、ITU和IETF等组织都在开展传感网标准研究工作,但大多只是在标准提案阶段。具体如下:
◎IEEE在为传感网络提供支持的底层无线传输技术和传感器接口的标准化研究等方面已取得一定进展;
◎ITU-T的SG16(多媒体编码、系统和应用)将开展USN应用和服务的研究,SG17开展USN安全框架的研究;
◎IETF成立低功率WPAN上的IPv6(6LOWPAN)工作组,已产生RFC 4944(15.4网络上的IPv6)和RFC 4919(问题陈述和目标);
◎ISO/IEC JTC1于2007年底成立传感器网络研究组(SGSN),在传感器网络国际标准的制定方面进行研究与探索。
目前公认的可以被称作为传感网标准的只有IEEE 802.15.4和Zigbee联盟推出的传输、网络、应用层协议标准,以及IEEE 1451。
IEEE 802.15.4 定义了短距离无线通信的物理层及链路层规范,ZigBee 则定义了网络互联、传输和应用规范。尽管IEEE802.15.4已经推出多年,但随着应用的不断推广和产业链的持续升级,其基本协议内容已经不能完全适应需求,该协议仅定义了联网通信的内容,没有对传感器部件提出标准的协议接口,所以难以承载传感网技术的梦想与使命;另外,该标准在不同国家地区实施过程中,必然受到该国家地区现行标准的约束。为此,研究者开始以IEEE 802.15.4协议为基础,推出更多版本以适应不同应用、不同国家和地区的多样化需求。
(一)ZigBee协议栈
ZigBee 联盟成立于2001 年8 月,最初成员包括:霍尼韦尔、Invensys、三菱、摩托罗拉和飞利浦等工业公司,目前拥有超过200 多个会员。ZigBee 1.0(Revision7)规格正式于2004 年12 月推出,2006 年12 月,推出了ZigBee 2006(Revision 13),即1.1 版,2007 年又推出了ZigBee 2007 Pro,2008 年春对该版本再次进行拓展更新。相比而言,ZigBee 技术具有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频段灵活等诸多优点,目前是被普遍看好的无线个域网解决方案,也被业界人士视为传感网的事实标准,同时ZigBee 联盟对网络层协议和应用程序接口(Application Programming Interfaces,API)进行标准化处理。从网络系统模型分析,ZigBee 协议栈架构基于开放系统互连模型七层模型,包含IEEE 802.15.4 标准及由该联盟独立定义的网络层和应用层协议。ZigBee 所制定的网络层协议主要负责网络拓扑的搭建和维护,以及设备寻址与路由,属于通用的网络层功能范畴,而其应用层则包括应用支持子层(Aplication Support Sub-layer,APS)、ZigBee 设备对象(ZigBee Device Object,ZDO)及设备商自定义的应用组件,负责业务数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。ZigBee 技术试图在传感器网络需求的网络性能上如功耗、成本、时延、安全等方面提供一个综合解决方案,但从目前应用情况来看,在可扩展性、能耗控制、网络性能等方面还存在明显的缺点。
(二)IEEE1451标准族
IEEE1451标准族则通过定义一套通用的通信接口,使工业变送器(传感器+执行器)能够独立于通信网络,并与现有的微处理器系统、仪表仪器和现场总线网络相连,解决不同网络之间的兼容性问题,并最终能够实现变送器到网络的互换性与互操作性。IEEE1451 标准族定义了变送器的软硬件接口,将传感器分成两层模块结构:第一层用来运行网络协议和应用硬件,称为网络适配器(Network Capable Application Processor, NCAP);第二层为智能变送器接口模块(Smart Transducer Interface Module, STIM),其中包括变送器和电子数据表格TEDS。IEEE1451 工作组先后提出了五项标准提案(IEEE1451.1—IEEE1451.5),分别针对不同的工业应用现场需求,其中IEEE1451.5 为无线传感通信接口标准。IEEE1451.5 标准提案于2001 年6 月推出,在已有的IEEE1451 柜架下提出了一个开放的标准无线传感器接口,以满足工业自动化等不同应用领域的需求。IEEE1451.5 尽量使用无线的传输介质,描述了智能传感器与网络适配器模块之间的无线连接规范,而不是网络适配器模块与网络之间的无线连接,实现了网络适配器模块与智能传感器的IEEE 802.11、Bluetooth、ZigBee 无线接口之间的互操作性。
(三)SGSN成立与相关协议建立
ISO/IEC JTC1为了明晰传感网的相关情况,在2007年澳大利亚全会上通过了成立SGSN的决议,并于07年底正式成立,目前专家有22名,分别来自加拿大、中国、法国、日本、韩国、挪威、英国和德国,以及其他组织的联络员,其中我国专家为11名。主要工作进展如下:
2008年6月在中国上海召开了第一次全体会议,会议讨论了传感网的应用需求、系统架构、协议、接口和安全等方面的提案,并听取其他联络组织的工作报告,同时确定SGSN工作计划。在此次会议中,中国代表团向大会提交8份技术报告,其中最为重要的传感网标准体系得到与会国际专家的普遍认可,一致同意以中国提出的标准体系为基础,形成后续拟提交JTC1的技术报告的核心内容。同时,中国代表团部分成员将参与传感器网络定义、传范围、特点、应用等报告中所有章节的编写工作。
◎2008年9月组团参加在德国举办的SGSN第二次会议,实质性参与了《Technical Document of ISO/IEC JTC 1 Study Group on Sensor Networks (SGSN)》技术报告的编写,并在很多章节作出重要贡献。
◎第三次会议于2008年11月在瑞士召开,我国代表ISO/IEC JTC1传感网标准化组向SC6做了总体技术报告,将标准化体系框架、网络系统架构、协同体系等内容纳入总体报告。会上中国代表当选为传感器网络系统架构与安全架构等两个提案的联合编辑。
◎第四次会议于2009年1月在澳大利亚召开,详细讨论了JTC1层面传感器网络国际标准的规划问题,中国代表表达了在JTC1框架下成立传感网工作组的意见。
◎第五次会议于2009年4月在韩国召开,中国代表做了“传感器网络技术综述”等特邀报告,重点针对ISO/IEC JTC1 传感网标准组织的中长期演进路线、传感器网络国际标准化工作、传感器网络大规模产业化模式等进行了深入讨论。
中国、美国、德国、韩国、英国等主要成员国代表达成了关于在JTC1下成立传感器网络标准化工作组的初步意向,达到总体协调传感器网络国际标准制定的目的,并将于今年10月份在JTC1大会上递交该倡议。
国内传感网标准化现状
我国现代意义的传感网研究几乎与发达国家同步启动,首次出现在1999年中国科学院的《知识创新工程试点领域方向研究》中。国家自然科学基金委(NSFC)从2002年开始连续资助了一系列有关传感器网络的研究,此外还启动了“面向传感器网络的分布自治系统关键技术协调控制理论”和“传感器网络系统基础软件及数据管理关键技术研究”等重点项目;国家重点基础研究发展计划(973计划)也于2006年资助了“无线传感网络的基础理论及关键技术研究”;国家高技术研究发展计划(863计划)于2006年开始在信息技术领域的通信专题下资助了10余项探索导向型项目,研究传感器网络的系统级技术,2007年又启动了“无线传感器网络嵌入式芯片设计”等目标导向型项目,进行节点系统关键技术的攻关。此外,十一五科技部国家科技支撑计划也部署了相关应用示范项目,促进传感器网络在环境监测和精细农业等方面的行业应用。《国家中长期科学与技术发展规划(2006~2020年)》在重大专项、优先发展主题、前沿领域均将传感器网络列入,其中重大专项“新一代宽带移动无线通信网”已将其列为重要方向之一。
这些从基础研究、科技攻关、示范应用等不同层次、不同角度开展的项目,带动和加速了我国传感器网络研究的进程,统计数据表明,截止2007年底,我国申请的传感网相关专利127件。上述前期探索性研究为我国传感网进一步发展做了必要的技术贮备,奠定了科学研究与工业发展的坚实基础。但是,与大多数先期开展传感器网络研究的国家一样,多数研究项目或注重原理性验证,或仅仅局限于单一的技术目标,或根据具体应用需求量身定制的,缺乏系统性和全局性考虑。少数应用原型系统的成功部署往往依赖于个别研究小组依据特定的应用环境为系统定制了一套垂直联系非常紧密的组件。研究小组与研究小组之间、组件与组件之间都缺乏相互的协作与互动。这种独立单一的开发设计模式使得在一个系统中得到稳定运行的组件很难用于构建其他相关系统,缺乏开放性的标准规范,阻碍了传感网规模化的商业推广,难以推进产业化进程,正是基于这个原因,在世界范围内传感网还未能真正成为产业的重要原因之一。
全国信息技术标准化技术委员会于2006年成立了无线传感器网络标准项目组,组织国内大学、科研单位和工业企业开展了标准研究工作,对《中国无线传感器网络标准体系》、《无线传感器网络协议栈》、《传感器网络智能传感器接口标准》和《无线传感器网络安全服务》等进行了研究,提出了我国无线传感器网络标准体系框架,如图1所示。
2008年11月底在中国无锡召开了筹备会议,讨论了章程和知识产权等问题,经过讨论并通过了2009年工作计划,成立了PG1(国际标准化)、PG2(标准体系与系统架构)、PG3(通信与信息交互)、PG4(协同信息处理)、PG5(标识)、PG6(安全)、PG7(接口)和PG8(电力行业应用调研)等八个项目组,开展具体国家标准的制定工作。
2009年9月11日,“传感器网络标准工作组成立大会暨‘感知中国’高峰论坛”在北京举行。工业和信息化部副部长奚国华、国家标准化管理委员会副主任方向出席会议并致辞。工作组组长单位是中国科学院上海微系统与信息技术研究所,秘书处单位是中国电子技术标准化研究所,目前工作组由国内五十多家成员单位,汇集了国内传感器网络领域产学研用各方力量,旨在整合国内科研院所和产业界的优势力量,共同进行国家传感器网络标准的制定、代表我国参加国际标准化组织的标准制定,和全面推动传感器网络的产业发展。
我国无线传感器网络标准化工作与“数字浙江”建设探讨
我国传感网的研究与国际上相比具有同发优势、同等水平,在研究、应用及标准化等方面与国际先进水平基本同步,个别领域甚至超前。当前国际标准化组织对传感网国际标准的研究刚刚启动,尚未形成统一意见。通过传感网标准化工作组的努力,力图抢先制定适合我国产业发展特点的标准,引领国际标准走向,引导我国传感网产业的兴起,这无疑给我国提供了参与国际信息产业重新洗牌的重要机会。
围绕党的十七大提出的“五化并举”、“两化融合”重要举措及浙江省委“创业富民、创新强省”总战略,结合产业发展实际,提出推进“数字浙江”建设两大行动计划:制定了《加快发展我省信息产业,推动信息化与工业化融合的意见》,将《浙江省信息化条例》列入2009年一类立法计划。建设“数字浙江”的根本目的是以信息化带动工业化,以工业化促进信息化,走新型工业化道路。在《“十二五”期间浙江省基础研究重点资助方向》中提出:针对“数字浙江”建设和我省发展软件、网络与通讯和数字动漫等产业的需求,开展信息获取、传输、处理、存储和利用、下一代移动通信网络、下一代互联网和传感网络等关键技术的基础研究,信息与网络安全的理论,自然和谐人机交互理论,数字娱乐关键技术的基础。作为信息技术领域的前沿阵地,浙江省近年来多次支持基于传感器网络的原型系统开发与关键技术项目,没有盲目跟从国外发展路线,而是形成了以应用为牵引的研究特色,面向国家重大战略和应用需求,开展了传感器网络基础前沿、关键技术、应用开发、系统集成和测试评估技术等方面的研究。
浙江大学工业控制技术国家重点实验室是国内该方向国内最早的研究单位之一,以及中国计算机学会传感器网络专委会和中国传感器网络标准委员会发起人之一。早在2003年就开始了传感器网络方向的研究工作,先后承担了国家基金(重点、面上)项目和863项目(专题、重点)等多项国家项目,经过近6年多的积累有较为丰富的科研经验和成果。近年来,项目组成员对项目所提出的研究内容已经做了大量的前期研究工作,并在传感器网络以及多移动机器人方面取得了多项进展。在传感器网络和移动感知系统方面(基于两跳搜索区间的实时路由算法、链路估计与网络连接性论、基于地理位置的按需路由算法、基于非测距室内定位和基于测距的安全定位、移动目标定位与跟踪、多移动机器人队形协调与优化、网络追踪系统QoS体系设计、协同感知与覆盖)和工业通信与系统方面(现场总线的实时性能分析与协议优化、实时调度理论和随机性能评价)等取得多项进展,在该领域积累了丰硕的成果,在国际期刊和国内一级学报(软件学报、计算机学报、通信学报、电子信息学报和仪器仪表学报等)上发表了50余篇有影响力的学术论文,其中SCI、EI检索论文30余篇。
结合研究者多年在传感网领域的实践经验,笔者对我国传感网标准化工作提出几点想法:
首先,立足国内产业需求,实质性参与国际标准化:在国内以产学研结合的国家标准工作组为基础,迅速制定出具有自主知识产权的传感网的核心技术标准,来促进传感网在各行业中大规模应用;在国际上实质性参与ISO/IEC JTC1/SGSN工作,同步制定国内、国际标准,密切跟踪ITU-T、 IEEE、ISA等组织相关进展情况。
其次,结合产业需求,以应用为导向、以技术为支撑:要实现标准研究与核心技术、产品研发及业务应用协调互动,制定标准依据一方面来自于传感器网络核心技术和产品研发与集成的需求,另一方面来自于传感器网络业务应用的需求。要实现标准研制、验证与实施与技术研发、应用示范紧密结合。
第三,标准制定应该分段实施:第一阶段是在对应用现状分析和标准化现状分析建立标准体系,通用类技术标准先行制定,如:术语、接口、标识等;第二阶段是核心技术标准研制和标准验证,选择典型大范围进行示范应用,与核心网络结合,多种应用结合。
(作者单位:王智,浙江大学工业控制技术国家重点实验室;徐全平,中国电子技术标准化研究所;孙元杰,江苏省宜兴市出入境检验检疫局)