面向普適計(jì)算的無線傳感器網(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。但是，開發(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，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受限于自身特征，例如：資

2、源約束、動態(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)算的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件為解決上述矛盾帶來了可能性。這使得它成為一個非常重要的研究問題。雖然在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和分布式計(jì)算環(huán)境下，對中間件的研究已經(jīng)較為成熟，但是目前，對于無線傳感器網(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)算的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件的研究帶來了很多挑戰(zhàn)性研究工作。 本文研究面向普適計(jì)算的

3、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中間件關(guān)鍵問題和應(yīng)用。論文涉及以下幾個主要關(guān)鍵問題：第一，通過合適的系統(tǒng)單元抽象并提供系統(tǒng)抽象和和開發(fā)框架，從而屏蔽底層WSN硬件和網(wǎng)絡(luò)平臺的復(fù)雜性、異構(gòu)性，使得普適計(jì)算應(yīng)用開發(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)用開發(fā)者可以靈活地開發(fā)和布署新應(yīng)用而不需要重復(fù)繁瑣的功能模塊開發(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)開發(fā)提供借鑒。 針對第一個關(guān)鍵問題，本文提出了普適智能對象(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，通過模型化智能對象而有效集成了物理世界對象和虛擬世界對象特征。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對象的實(shí)現(xiàn)技術(shù)；

5、描述了基于UIO模型開發(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。 針對第二個關(guān)鍵問題，本文主要研究了基于UIO協(xié)作的分布式事件處理服務(wù)?！笆录卑☉?yīng)用數(shù)據(jù)事件和系統(tǒng)事件。它們對于普適計(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)域檢測算法(DERD)、分布式點(diǎn)事件檢測算法(DFSD)、分布式事件邊界檢測

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、容錯性等評估標(biāo)準(zhǔn)上都大幅度優(yōu)于現(xiàn)有相關(guān)算法。 最后，針對第三個關(guān)鍵問題，本文給出了兩個領(lǐng)域相關(guān)的中間件服務(wù)和應(yīng)用實(shí)例。第一個是建筑物結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)(SHM)，第二個是普適搜索系統(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)用的開發(fā)的?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)Burkel