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摘要：随着集成电路、半导体技术的高速发展，物联网的应用领域越来越广，而无线传感网络是物联网的重要组成部分，也是物联网应用的开端。一切初始信息都是由无线传感网络来完成采集的，可谓是物联网的重中之重。论文通过分析国内外相关标准现状，提出了无线传感网络标准体系框架。通过提出这一框架，对我国无线传感网络建设和在此基础上合理有效地开展相关研究工作具有重要的指导意义。
关键词：无线传感 物联网 标准体系
Research on Standard Architecture of Wireless Sensor Networks
Xin Qingzheng （ Tianjin Insititute of Standardization ）
Abstract： With the rapid development of integrated circuit and semiconductor technology， the application fields of internet of things become broader， and wireless sensor network is an important part of the internet of things， it is also the beginning of application of the internet of things. Since all initial informations are collected by the wireless sensor network， it is the priority among priorities for the internet of things. Based on the analysis of the relevant standards at home and abroad， this paper puts forward the framework of wireless sensor network standard system. By presenting this framework， it is of great significance to guide the construction of wireless sensor networks in our country and to carry out relevant research work reasonably and effectively on the basis of it.
Key words： wireless sensor， internet of things， standard system
1 引言
無线传感器网络（WSN），简单说来，就是在监测区域内大量地部署传感器节点，通过无线通信方式自组织而成的一个多跳网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，并发送给监测端。
为了更进一步地降低成本，扩大应用，实现无线传感器网络规模效益，WSN必须实现标准化，这样出自不同生产厂商的产品能够在同一网络下协同工作，实现无线传感设备的互换性和互操作性。该网络建设、管理和维护的标准化，是物联网技术应用的开端，是智能领域的基础支撑。因此，探索建立一套完整、科学、层次分明的无线传感网络标准体系框架对于物联网标准体系具有重要意义。
2 国内外现状
2.1 国外现状
在智能传感器方面，国际电工委员会标准管理局（IEC/SMB）于2009年9月16日在SMB/4010A/DC文件中更新了17项IEC潜在新技术领域的内容，包括智能电网、能效和可再生能源、电厂能并行测量、高效储能系统等。其中，第14项智能传感器明确指出归口IEC/TC 65。
IEC/TC 47是半导体器件标准化技术委员会，目前下设SC 47A（集成电路标准化分技术委员会）、SC 47D（半导体器件封装标准化分技术委员会）和SC 47E（半导体分立器件标准化分技术委员会）3个分技术委员会，委员会和分技术委员会下面均有工作组。IEC/TC 47的国内对口单位是全国半导体器件标准化技术委员会。
但是，这仅限于技术层面，相应的基础标准及工作标准并不多，而且没有一套完整的标准体系框架将这些零散的标准整合起来。
2.2 国内现状
目前，我国传感器直接相关的技术标准共有400多个，分散在各个领域，包括船舶、安全、地震、城建、电力、机械、航空、计量、煤炭、核工业等。
其实，我国在这方面存在的问题是一样的，对于单个设备及通用技术条件有具体的标准，但形成不了系统的体系框架帮助构建完整的无线传感网络。而且对于标准体系框架的研究也不多，并不能指导无线传感行业大规模应用及相关技术的发展。鉴于此，建立能够让无线传感网络协调、高效运转的标准体系框架显得尤为重要。
3 无线传感网络体系框架构建
3.1 构建原则
（1）前瞻性。根据现有的无线传感网络以及新研发的相关技术，结合目前无线传感网络的实施情况，将相关的影响因素纳入研究范围，预测在以后的应用过程中可能出现的问题，将这些问题总结形成一个个标准体系框架中的模块。
（2）系统性。把整个无线传感网络看成一个独立的系统，全面把握系统的内在联系，有条不紊地组织各个层次以及每个模块的归属关系，支撑整个系统协调、高效地运转。
（3）边界清晰。明确每个子体系以及具体每个模块所要解决的问题，互相之间不冲突、不交叉，严格控制每个问题的边界。
3.2 体系框架结构 图1为无线传感网络标准体系框架。
3.2.1 通用基础标准
主要是为了方便相关行业组织在物联网感知层研究方面的交流，需要将术语与定义、传感器件的特性与分类及标志与标识进行统一明确定义，形成业界共同遵守的法则。
3.2.2 技术标准
（1）原材料：随着相关科技的发展，新的材料、工艺应运而生，许多传感器运用了这些新材料，如纳米材料，大大提高了传感器的性能，但对于新材料的运用要慎重，因为传感器要安装到外部环境中，对于材料的要求也要符合相关规定，有效地避免材料对环境和人身所造成的伤害。所以对于传感器的材料要有所要求，在不影响环境、人身安全的基础上，提高传感器件的性能并降低成本。
（2）网络接口：包括物理接口和数据接口。物理接口是指设备内部及设备之间的物理连接，这样有利于形成统一的标准，相关设备之间能够替代，提高设备间的通用性。数据接口是指软件的客户端与服务器端的通信，明确数据接口可提高软件代码的复用性，降低相关软件的开发成本，由于接口的规范性，一个数据接口可服务于多个系统。
（3）数据格式与存储：傳感器种类和应用场景的不同会导致传感器数据格式的多样化，通过对不同的数据格式进行划分并合理存储，当数据被获取用于分析、决策时不会因为格式及存储方式的不同而造成混乱。除此之外，动态地通过数据压缩、减少冗余信息、省略不必要的精度等数据分解方法增加数据存储量。
（4）通信协议：无线传感器网络是一个“通过无线通信方式自组织而成的一个多跳网络系统”，属于自组织网的范畴。每个无线传感器节点都有一个无线通信模块，负责与其他无线传感器节点进行无线通信、交换控制信息以及接收和发送节点采集到的数据。
（5）测试：这部分包括一致性测试及互用性测试。无线传感网络建成后要通过测试来检验是否满足目标应用的需求。通过测试结果，对应用需求满足情况进行评估。这里的标准主要包括测试方法及测试用例。一致性测试是对感知层在特定网络环境下输入测试用例后输出数据的一致性测试，根据测试结果对无线传感网络的一致性进行评估；互用性测试是通过在网络互用环境下对无线传感网络各实体间功能实现性、信息正确性、互用可行性的测试进行网络协议正确性的评估。
（6）安全：一款可在现实环境中正常使用的传感设备应该是安全的，目前来说主要包括防爆要求、信息安全及电气安全。
（7）电源供电：无线传感网络内的所有设备都有一个负责提供运行所需的电力的模块，目前主要有两种供电方式，一种是无线传感器自带电池，一种是配备电源适配器。这方面的标准主要立足于电力的充足供应、断电后的应急处理以及电源与设备电路之间的配型。
3.2.3 工作标准
（1）布设要求：由于无线传感网络的应用领域非常广泛，应用环境也复杂多变，有时受天气的影响较大，如何科学地进行网络设备的布设也是保证数据正常采集、传输的前提。
（2）运行维护：无线传感网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。这些节点设备是否在正常运行、是否需要维修等问题关系到整个无线传感网络的可靠与否，为保证数据能正确地传送到监测端，运行维护标准必不可少。
（3）管理：由于传感器的类型众多，通信协议、接口多种多样，以及各个传感设备的布设位置和运行情况等信息需要做好记录，并对可能出现的问题设计出合理的解决方案，建立长效机制，出现问题后及时处理。
4 结语
无线传感网络的标准研究目前来说成果不多，还处在起步阶段，需要研究解决的问题还有很多，无线传感网络体系框架的建立就是要从标准方面着手规范整个无线传感网络的搭建和相关研究工作，对推动物联网产业的发展起到积极作用。从标准的角度来说，下一步的工作主要是根据该标准体系框架以及各大应用领域的特点收录和制修订一批科学合理、符合实际情况、可操作性强的标准，来指导实际的无线传感网络建设，这就需要相关政府部门、科研院所及企事业单位的协调配合，采取各种形式，逐步实现物联网技术在各个领域大规模运用。
关键词：无线传感 物联网 标准体系
Research on Standard Architecture of Wireless Sensor Networks
Xin Qingzheng （ Tianjin Insititute of Standardization ）
Abstract： With the rapid development of integrated circuit and semiconductor technology， the application fields of internet of things become broader， and wireless sensor network is an important part of the internet of things， it is also the beginning of application of the internet of things. Since all initial informations are collected by the wireless sensor network， it is the priority among priorities for the internet of things. Based on the analysis of the relevant standards at home and abroad， this paper puts forward the framework of wireless sensor network standard system. By presenting this framework， it is of great significance to guide the construction of wireless sensor networks in our country and to carry out relevant research work reasonably and effectively on the basis of it.
Key words： wireless sensor， internet of things， standard system
1 引言
無线传感器网络（WSN），简单说来，就是在监测区域内大量地部署传感器节点，通过无线通信方式自组织而成的一个多跳网络系统，协作地感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息，并发送给监测端。
为了更进一步地降低成本，扩大应用，实现无线传感器网络规模效益，WSN必须实现标准化，这样出自不同生产厂商的产品能够在同一网络下协同工作，实现无线传感设备的互换性和互操作性。该网络建设、管理和维护的标准化，是物联网技术应用的开端，是智能领域的基础支撑。因此，探索建立一套完整、科学、层次分明的无线传感网络标准体系框架对于物联网标准体系具有重要意义。
2 国内外现状
2.1 国外现状
在智能传感器方面，国际电工委员会标准管理局（IEC/SMB）于2009年9月16日在SMB/4010A/DC文件中更新了17项IEC潜在新技术领域的内容，包括智能电网、能效和可再生能源、电厂能并行测量、高效储能系统等。其中，第14项智能传感器明确指出归口IEC/TC 65。
IEC/TC 47是半导体器件标准化技术委员会，目前下设SC 47A（集成电路标准化分技术委员会）、SC 47D（半导体器件封装标准化分技术委员会）和SC 47E（半导体分立器件标准化分技术委员会）3个分技术委员会，委员会和分技术委员会下面均有工作组。IEC/TC 47的国内对口单位是全国半导体器件标准化技术委员会。
但是，这仅限于技术层面，相应的基础标准及工作标准并不多，而且没有一套完整的标准体系框架将这些零散的标准整合起来。
2.2 国内现状
目前，我国传感器直接相关的技术标准共有400多个，分散在各个领域，包括船舶、安全、地震、城建、电力、机械、航空、计量、煤炭、核工业等。
其实，我国在这方面存在的问题是一样的，对于单个设备及通用技术条件有具体的标准，但形成不了系统的体系框架帮助构建完整的无线传感网络。而且对于标准体系框架的研究也不多，并不能指导无线传感行业大规模应用及相关技术的发展。鉴于此，建立能够让无线传感网络协调、高效运转的标准体系框架显得尤为重要。
3 无线传感网络体系框架构建
3.1 构建原则
（1）前瞻性。根据现有的无线传感网络以及新研发的相关技术，结合目前无线传感网络的实施情况，将相关的影响因素纳入研究范围，预测在以后的应用过程中可能出现的问题，将这些问题总结形成一个个标准体系框架中的模块。
（2）系统性。把整个无线传感网络看成一个独立的系统，全面把握系统的内在联系，有条不紊地组织各个层次以及每个模块的归属关系，支撑整个系统协调、高效地运转。
（3）边界清晰。明确每个子体系以及具体每个模块所要解决的问题，互相之间不冲突、不交叉，严格控制每个问题的边界。
3.2 体系框架结构 图1为无线传感网络标准体系框架。
3.2.1 通用基础标准
主要是为了方便相关行业组织在物联网感知层研究方面的交流，需要将术语与定义、传感器件的特性与分类及标志与标识进行统一明确定义，形成业界共同遵守的法则。
3.2.2 技术标准
（1）原材料：随着相关科技的发展，新的材料、工艺应运而生，许多传感器运用了这些新材料，如纳米材料，大大提高了传感器的性能，但对于新材料的运用要慎重，因为传感器要安装到外部环境中，对于材料的要求也要符合相关规定，有效地避免材料对环境和人身所造成的伤害。所以对于传感器的材料要有所要求，在不影响环境、人身安全的基础上，提高传感器件的性能并降低成本。
（2）网络接口：包括物理接口和数据接口。物理接口是指设备内部及设备之间的物理连接，这样有利于形成统一的标准，相关设备之间能够替代，提高设备间的通用性。数据接口是指软件的客户端与服务器端的通信，明确数据接口可提高软件代码的复用性，降低相关软件的开发成本，由于接口的规范性，一个数据接口可服务于多个系统。
（3）数据格式与存储：傳感器种类和应用场景的不同会导致传感器数据格式的多样化，通过对不同的数据格式进行划分并合理存储，当数据被获取用于分析、决策时不会因为格式及存储方式的不同而造成混乱。除此之外，动态地通过数据压缩、减少冗余信息、省略不必要的精度等数据分解方法增加数据存储量。
（4）通信协议：无线传感器网络是一个“通过无线通信方式自组织而成的一个多跳网络系统”，属于自组织网的范畴。每个无线传感器节点都有一个无线通信模块，负责与其他无线传感器节点进行无线通信、交换控制信息以及接收和发送节点采集到的数据。
（5）测试：这部分包括一致性测试及互用性测试。无线传感网络建成后要通过测试来检验是否满足目标应用的需求。通过测试结果，对应用需求满足情况进行评估。这里的标准主要包括测试方法及测试用例。一致性测试是对感知层在特定网络环境下输入测试用例后输出数据的一致性测试，根据测试结果对无线传感网络的一致性进行评估；互用性测试是通过在网络互用环境下对无线传感网络各实体间功能实现性、信息正确性、互用可行性的测试进行网络协议正确性的评估。
（6）安全：一款可在现实环境中正常使用的传感设备应该是安全的，目前来说主要包括防爆要求、信息安全及电气安全。
（7）电源供电：无线传感网络内的所有设备都有一个负责提供运行所需的电力的模块，目前主要有两种供电方式，一种是无线传感器自带电池，一种是配备电源适配器。这方面的标准主要立足于电力的充足供应、断电后的应急处理以及电源与设备电路之间的配型。
3.2.3 工作标准
（1）布设要求：由于无线传感网络的应用领域非常广泛，应用环境也复杂多变，有时受天气的影响较大，如何科学地进行网络设备的布设也是保证数据正常采集、传输的前提。
（2）运行维护：无线传感网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。这些节点设备是否在正常运行、是否需要维修等问题关系到整个无线传感网络的可靠与否，为保证数据能正确地传送到监测端，运行维护标准必不可少。
（3）管理：由于传感器的类型众多，通信协议、接口多种多样，以及各个传感设备的布设位置和运行情况等信息需要做好记录，并对可能出现的问题设计出合理的解决方案，建立长效机制，出现问题后及时处理。
4 结语
无线传感网络的标准研究目前来说成果不多，还处在起步阶段，需要研究解决的问题还有很多，无线传感网络体系框架的建立就是要从标准方面着手规范整个无线传感网络的搭建和相关研究工作，对推动物联网产业的发展起到积极作用。从标准的角度来说，下一步的工作主要是根据该标准体系框架以及各大应用领域的特点收录和制修订一批科学合理、符合实际情况、可操作性强的标准，来指导实际的无线传感网络建设，这就需要相关政府部门、科研院所及企事业单位的协调配合，采取各种形式，逐步实现物联网技术在各个领域大规模运用。