面向普適計(jì)算的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件研究.pdf

1、隨著普適計(jì)算(Ubiquitous/Pervasive Computing)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的概念和技術(shù)的迅速發(fā)展，基于感知的普適計(jì)算應(yīng)用正在日益深入人們的生活。這些應(yīng)用利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為普適計(jì)算信息搜集和發(fā)布的基礎(chǔ)架構(gòu)，促進(jìn)了物理世界和虛擬世界的集成和互動(dòng)。但是，開(kāi)發(fā)這樣的應(yīng)用是充滿挑戰(zhàn)性的工作。原因在于：一方面，普適計(jì)算應(yīng)用對(duì)于系統(tǒng)靈活性、可復(fù)用性、可靠性具有較高要求；而另一方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)受限于自身特征，例如：資

2、源約束、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)、復(fù)雜嵌入式操作系統(tǒng)和硬件編程接口等，不能直接滿足上述應(yīng)用需求。面向普適計(jì)算的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件為解決上述矛盾帶來(lái)了可能性。這使得它成為一個(gè)非常重要的研究問(wèn)題。雖然在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算環(huán)境下，對(duì)中間件的研究已經(jīng)較為成熟，但是目前，對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中間件的相關(guān)研究還處于初期階段。物理世界性質(zhì)和虛擬世界性質(zhì)的綜合影響給面向普適計(jì)算的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件的研究帶來(lái)了很多挑戰(zhàn)性研究工作。 本文研究面向普適計(jì)算的

3、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件關(guān)鍵問(wèn)題和應(yīng)用。論文涉及以下幾個(gè)主要關(guān)鍵問(wèn)題：第一，通過(guò)合適的系統(tǒng)單元抽象并提供系統(tǒng)抽象和和開(kāi)發(fā)框架，從而屏蔽底層WSN硬件和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的復(fù)雜性、異構(gòu)性，使得普適計(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)者可以更加專注于應(yīng)用邏輯，而不再需要了解底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。第二，針對(duì)WSN的特征，提供可以被普適計(jì)算應(yīng)用所重用的基本數(shù)據(jù)和資源服務(wù)，從而使得普適計(jì)算應(yīng)用開(kāi)發(fā)者可以靈活地開(kāi)發(fā)和布署新應(yīng)用而不需要重復(fù)繁瑣的功能模塊開(kāi)發(fā)工作。并且，提供有效的WSN資源管理

4、和維護(hù)、監(jiān)控方法，從而增強(qiáng)普適計(jì)算應(yīng)用執(zhí)行的可預(yù)測(cè)性。第三，研究具有代表性的領(lǐng)域相關(guān)的普適計(jì)算服務(wù)和應(yīng)用，從而為基于論文所提出方法的實(shí)際系統(tǒng)開(kāi)發(fā)提供借鑒。 針對(duì)第一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文提出了普適智能對(duì)象(UIO)模型。該模型將傳統(tǒng)的面向?qū)ο?OO)概念拓展到普適計(jì)算領(lǐng)域，通過(guò)模型化智能對(duì)象而有效集成了物理世界對(duì)象和虛擬世界對(duì)象特征。本文定義了UIO的抽象數(shù)據(jù)模型、抽象關(guān)系模型、抽象操作模型和抽象能力模型；討論了UIO對(duì)象的實(shí)現(xiàn)技術(shù)；

5、描述了基于UIO模型開(kāi)發(fā)普適智能環(huán)境UIE下應(yīng)用的基本方法。我們將普適計(jì)算基本計(jì)算單元抽象為UIO，有助于研究其共同特征和類屬特性，也有助于研究其間的協(xié)作關(guān)系和基于協(xié)作關(guān)系的算法；這些都為促進(jìn)新型的普適計(jì)算應(yīng)用設(shè)計(jì)、快速有效的開(kāi)發(fā)普適計(jì)算應(yīng)用提供了有效支持。實(shí)際上，UIO作為通用智能對(duì)象模型，可適用于面向普適計(jì)算的多種底層支持網(wǎng)絡(luò)上的中間件的編程抽象。這些底層支持網(wǎng)絡(luò)包括WSN、WSAN等等。本文主要關(guān)注用UIO抽象的WSN節(jié)點(diǎn)以及用U

6、IE抽象的WSN網(wǎng)絡(luò)的中間件。 針對(duì)第二個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文主要研究了基于UIO協(xié)作的分布式事件處理服務(wù)。“事件”包括應(yīng)用數(shù)據(jù)事件和系統(tǒng)事件。它們對(duì)于普適計(jì)算應(yīng)用都十分重要。因此，事件服務(wù)是WSN中間件所需提供的一項(xiàng)基本服務(wù)。本文提出了基于Dempster-Shafer(DS)置信度理論的分布式事件處理算法設(shè)計(jì)框架和一組分布式事件處理算法，包括：分布式事件區(qū)域檢測(cè)算法(DERD)、分布式點(diǎn)事件檢測(cè)算法(DFSD)、分布式事件邊界檢測(cè)

7、算法(DEBD)。大量試驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的算法在準(zhǔn)確性、容錯(cuò)性等評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)上都大幅度優(yōu)于現(xiàn)有相關(guān)算法。 最后，針對(duì)第三個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，本文給出了兩個(gè)領(lǐng)域相關(guān)的中間件服務(wù)和應(yīng)用實(shí)例。第一個(gè)是建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SHM)，第二個(gè)是普適搜索系統(tǒng)(US)。SHM系統(tǒng)主要用于展示基于UIO協(xié)作的分布式事件處理在領(lǐng)域相關(guān)系統(tǒng)中的應(yīng)用。而US系統(tǒng)主要用于展示UIO抽象模型是如促進(jìn)新的普適計(jì)算應(yīng)用的開(kāi)發(fā)的。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Burkel