CC BY
63
УДК 528.854.4
П.А. Калантаев, В.П. Пяткин ИВМиМГ СО РАН, Новосибирск
WEB-СЕМАНТИЧЕСКАЯ сенсорная сеть мониторинга окружающей СРЕДЫ
В статье представлен проект исследовательской сенсорной сети мониторинга окружающей среды. Для исследования выбрана типичная архитектура сенсорной сети «клиент - сервер - шлюз - сенсор». В проекте применен подход совместного моделирования элементов сенсорных сетей и предметной области мониторинга при помощи технологий Web-семантических баз данных.
P.A. Kalantaev, V.P. Pyatkin
Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics of Siberian Branch of Russian Academy of Science, prospect Akademika Lavrentjeva, 6, Novosibirsk, 630090,
Russian Federation
WEB-SEMANTEC THE SENSOR NETWORK OF MONITORING OF ENVIRONMENT
In article the project of a research touch network of monitoring of environment is presented. For research the typical architecture of sensor network «client -server -gateway -sensor» is chosen. In the project the approach of joint modelling of elements of sensor networks and a subject domain of monitoring by means of technologies of Web-semantic databases is applied.
1. Введение
Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей (WSN - Wireless Sensor Network - ”сенсорнет”) - единственная сетевая технология, решающая задачи мониторинга окружающей среды, критичные к времени работы датчиков. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов окружающей среды. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких десятков километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому. Корпорация Intel к названию технологии сенсорных сетей прибавляет латинское ad hoc, что означает “для данной цели”, “по ситуации”. То есть, датчики организовываются в “ad hoc’’-сети для выполнения какой-либо задачи, после чего “логически распадаются” до лучших времен, превращаясь в беспорядочный набор чипов. Вычислительные возможности сети растут в зависимости от числа ее участников. Увеличивается и полоса пропускания данных (если датчики соединяются не последовательно, а каждый-с-каждым, по так называемой “ячеистой топологии”). Несмотря на малую вычислительную мощность каждого отдельного датчика (который, по сути, является маленьким компьютером), все вместе эти устройства становятся
мощным вычислительным комплексом - таким же, как любая распределенная сеть. С ростом числа участников “сенсорнета”, некоторые из них действуют как шлюзы или маршрутизаторы, собирающие информацию у своих соседей и переправляющие ее дальше по цепи или передают считывателю (если он оказывается в пределах их досягаемости). Последний, в свою очередь, передает данные более мощному родительскому компьютеру. Таким образом, вся конструкция, состоящая из датчиков-микрокомпьютеров, маршрутизаторов, считывателей и большой машины, становится крайне эффективной. Наполнение окружающей среды гетерогенными (т. е. способными работать в разных средах и взаимодействовать с различными приборами) сенсорами приведет к формированию полноценной PAN (Personal area network) - “сети персонального пространства”. Все персонально используемые приборы (телефон, компьютер, фото-, аудио-, видео-аппаратура...), начнут прозрачно для человека взаимодействовать и самостоятельно шлюзоваться с внешним миром, например, с модемом или иным устройством входа в сенсорную сеть и (или) интернет. Что значительно повысит информовооруженность исследователя окружающей среды.
2. Архитектура сенсорной сети мониторинга окружающей среды
Для исследования выбрана типичная архитектура сенсорной сети «клиент - сервер - шлюз - сенсор», подобная архитектуре сети, представленной в работе [1]. Состав системы и функции, выполняемые каждым компонентом, описаны табл. 1.
Таблица 1 Архитектура сенсорной сети «клиент - сервер - шлюз - сенсор»
Компонент Функция
Модуль-сенсор (включает один или несколько датчиков) производит измерения параметров среды; производит частичную обработку (если требуется); обеспечивает двустороннюю цифровую связь с внешним миром; отрабатывает команды по изменению режима измерений (переход в сон).
Блок связи с модулем-сенсором (шлюз) обеспечивает двухстороннюю цифровую радиосвязь с модулями-сенсорами; обеспечивает сохранение всех полученных от модуля данных «как есть», без семантики и интерпретации этих данных; передает полученные данные всем авторизованным подписчикам сервиса; ретранслирует модулю-сенсору команды управления, полученные от авторизированных подписчиков сервиса; предоставляет по запросу данные, полученные ранее от модуля-сенсора.
Сервер эксперимента собирает данные с одного или нескольких блоков связи и обеспечивает сохранение и формирование семантики всех полученных данных; выдает сохраненные данные по запросу с рабочих мест исследователей.
Рабочее место исследователя предоставляет графический интерфейс пользователя для управления системой; обеспечивает отображение, частичную обработку (семантики в том
числе) и сохранение для детальной обработки экспериментальных данных, собранных модулями-сенсорами.
XML - протокол интерфейса между компонентами обеспечивает универсальность и гибкость ПО управления сенсорной сетью, а также сжатие трафика с использованием априорной информации.
3. Описание функционирования системы Алгоритм работы системы представлен на рис. 2. функционирования сенсорной сети.
схемой
Рис. 2. Схема функционирования сенсорной сети
Описание функционирования системы:
- Система опрашивает доступные шлюзы сети и определяет для них количество и тип устройств, с которыми есть связь;
- Для каждого найденного сенсора в семантической базе данных отыскивается его описание - параметры и ссылка на исполняемый код обработки данных с этого сенсора;
- Если данный частный тип сенсора не требует собственного кода обработки или код недоступен, будет использован код от более общего типа сенсоров (суперкласса), включающего данный подтип;
- По параметрам сенсоров, описанным в семантической базе данных, генерируется интерфейс пользователя, позволяющий настраивать эти параметры. При этом параметры также могут быть типизированы, что позволяет настраивать их в соответствии с их смыслом (например, контролировать граничные значения в соответсвии с текущими значениями параметров внешней среды -температуры, влажности, освещенности и т. д.).
4. Семантическая база данных моделирования сенсорной сети
При разработке управляющей системы сенсорных сетей мониторинга окружающей среды предполагается множество различных типов модулей, отличающихся используемыми сенсорами и режимами работы. Сенсорные сети, с точки зрения области применения, являются частным случаем
стандартизированных сетей мониторинга и контроля со сформировавшимися стандартами. В этих стандартах сенсоры разделяются на классы с возможностью для управляющей программы управлять сенсором, зная только его класс, независимо от производителя и деталей реализации. В проекте применен подход моделирования элементов сенсорных сетей при помощи технологий Web-семантических (Symantec Web) баз данных [2]. В рамках этого подхода метамодель предметной области сенсорной сети включает в себя такие понятия, как устройство, сенсор устройства, конфигурируемые параметры сенсора и модуля. Web-семантические базы данных дают возможности совершенствования и описания на языке RDF [2] как модели, так и метамодели предметной области, при сохранении совместимости снизу вверх. Язык RDF (Resource Description Framework - модель описания метаданных) позволяет описывать не только предметную область сенсорной сети, но и прикладные предметные области (например, природных ресурсов). При этом программное обеспечение опирается на обобщенную (абстрактную) модель предметной области, расширяемую в модели описаниями допустимого набора сущностей конкретной области и их взаимодействий.
5. Состояние проектирования сенсорной сети
На текущем этапе проекта разрабатывается: 1) на языке RDF модель Web-семантической базы данных по управлению сенсорной сетью окружающей среды, 2) на языке Java модуль-имитатор сенсорной сети на Web-сервере, 3) интерфейс пользователя для управления параметрами устройств сети. На следующем этапе проекта разработанное ПО планируется адаптировать к сенсорной сети мониторинга состояния городских лесов.
6. Заключение
Результатом проекта будет новая сетевая технология поддержки широкого спектра фундаментальных исследований окружающей среды, основанная на интеграции возможностей распределенной обработки данных в среде Интернет и технологии сенсорных сетей. Ключевым компонентом подобных систем должен явиться мобильный или стационарный сенсорный модуль, обеспечивающий беспроводную передачу данных от объекта исследования. Телеметрическая система позволяет получать первичную информацию об объектах внешней среды без внесения в эксперимент приборных погрешностей. Подобная система поставляет управленческую информацию о текущем и прогнозируемом состоянии природной среды и экологии с целью принятия решений по предотвращению катастроф и катаклизмов, что, собственно, и является основной задачей экспериментальных исследований.
Работа выполнена частично при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 10-07-00131-a.
1. Чечендаев А.В., Бодунов Н.В., Игнатьева С.А., Медведев О.С., Пытев С.А., Сухомлин В.А., Ступаченко А.В., Шашурин Д.А.. Опыт разработки имплантируемой биотелеметрической системы мониторинга лабораторных животных.// В сборнике докладов 1-й научно-практической конференции "Современные информационные технологии и ИТ-образование", - М.: МАКС Пресс, 2005. - С. 638-647.
2. Калантаев П.А., Семантическая организация пространственных дан-ных. // В сборнике трудов Международной Конференции "ИНТЕРКАРТО - ИНТЕРГИС 11 Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт" 25 сент.-3 окт. 2005 г., Ставрополь-Домбай-Будапешт, изд-во СГУ, 2005. - С. 92-96.
3. Бучнев А.А., Калантаев П.А., Пяткин В.П., Интернет технологии в обработке данных дистанционного зондирования Земли // Труды Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь-2006", 24-28 апреля 2006, Новосибирск, Россия, т. 3, ч. 1. "Мониторинг окружающей среды, геоэкология, дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия", с. 43-51.
4. Калантаев П.А., Функции семантической обработки данных космиче-ского мониторинга. // Труды Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь-2007", 25-27 апреля 2007, Новосибирск, Россия, т. 3 "Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология", С. 162-165.
© П.А. Калантаев, В.П. Пяткин, 2010
