海洋觀測網(wǎng)絡(luò)化智能接口標(biāo)準(zhǔn)的研究

張帥，張鎖平，齊占輝

（國家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

海洋觀測技術(shù)作為認(rèn)識(shí)海洋、開發(fā)海洋的高技術(shù)手段，是建設(shè)海洋強(qiáng)國、捍衛(wèi)國家安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的偉大目標(biāo)所必不可少的。在海洋觀測領(lǐng)域，為了滿足目前海洋研究、開發(fā)和利用對(duì)于空間性和實(shí)時(shí)性的強(qiáng)烈需求，構(gòu)建能夠綜合、協(xié)調(diào)、實(shí)時(shí)、持續(xù)地獲取各種海洋物理參數(shù)的海洋觀測系統(tǒng)是必然的發(fā)展趨勢[1]。

為了實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境信息的大規(guī)模、實(shí)時(shí)地獲取與控制，海洋觀測系統(tǒng)需要對(duì)底層儀器（包括傳感器或執(zhí)行器）組網(wǎng)進(jìn)行各種參數(shù)的獲取。

網(wǎng)絡(luò)化的觀測方式，更注重系統(tǒng)性和整體性，通過性能可靠和實(shí)時(shí)連接的所有觀測平臺(tái)、探測設(shè)備、傳感器協(xié)同觀測，實(shí)現(xiàn)海洋環(huán)境信息共享與交互。但是目前儀器的軟件協(xié)議和數(shù)據(jù)格式大多是非標(biāo)準(zhǔn)的而且并不統(tǒng)一[2]，這就給系統(tǒng)構(gòu)建、擴(kuò)展、更新和維護(hù)等帶來很多不便。一方面，對(duì)于海洋觀測系統(tǒng)的組建來說，各種協(xié)議的不兼容直接導(dǎo)致現(xiàn)場布線復(fù)雜，容易導(dǎo)致混亂并出錯(cuò)，大大增加了工程任務(wù)量；另一方面，對(duì)于系統(tǒng)的維護(hù)來說，更換系統(tǒng)中的海洋儀器時(shí)，幾乎都需要技術(shù)人員進(jìn)行手動(dòng)安裝和配置，而海上工作環(huán)境比較惡劣，這就增加了人為出錯(cuò)的可能性[3]。

國際上的一些研究機(jī)構(gòu)在上個(gè)世紀(jì)九十年代就開始研究解決這些問題[4]。這些機(jī)構(gòu)致力于發(fā)展能夠應(yīng)用于海洋觀測系統(tǒng)中的底層儀器接口和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)現(xiàn)海洋儀器的互操作性，以最小的人力和高可靠性進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建和維護(hù)。

1 IEEE 1451

美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）和IEEE儀器與測量協(xié)會(huì)傳感技術(shù)委員會(huì)聯(lián)合從1997年開始推出IEEE 1451系列智能變送器接口標(biāo)準(zhǔn) （Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors and Actuators），很好地解決了不同廠商之間傳感器的互換性和互操作性問題，便于系統(tǒng)的構(gòu)建與維護(hù)，因此成為當(dāng)前信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化海洋觀測領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。

制定IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)的目的是開發(fā)一種軟硬件的連接方案，將智能變送器連接到網(wǎng)絡(luò)或者用以支持現(xiàn)有的各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括各種現(xiàn)場總線及Internet/Intranet。此標(biāo)準(zhǔn)通過定義一整套通用的通信接口，使變送器在現(xiàn)場采用有線或無線的方式實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，大大簡化由變送器構(gòu)成的各種網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，解決不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容性問題，做到變送器的“即插即用”，并能夠最終實(shí)現(xiàn)各個(gè)廠家產(chǎn)品的互換性與互操作性。

目前國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO和IEC已經(jīng)接受了IEEE 1451系列標(biāo)準(zhǔn)，將其納入了ISO/IEC/IEEE 2145X標(biāo)準(zhǔn)體系。

1.1 IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模型

IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)絡(luò)化智能接口主要分為兩個(gè)功能模塊[2-，5]，如圖 1 所示。

圖1 IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)模型Fig.1 Model of IEEE 1451 standard

一個(gè)模塊是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用處理器（Network Capable Application processor：NCAP），它主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信、STIM 通信、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等功能。NCAP是標(biāo)準(zhǔn)傳感器總線與專用網(wǎng)絡(luò)總線之間的接口，提供網(wǎng)絡(luò)連接或者網(wǎng)關(guān)的功能。這一部分與微處理器集成到一起，在網(wǎng)絡(luò)化傳感器中起控制的作用；

另一個(gè)模塊是智能變送器模塊（Smart Transducer Interface Module；STIM or TIM），它包括傳感器或執(zhí)行器、信號(hào)調(diào)理器、AD或DA轉(zhuǎn)換器、物理接口以及一系列變送器電子數(shù)據(jù)表格（TEDS）。該模塊能夠支持單個(gè)或多個(gè)通道。它既可與傳感器相連也可與執(zhí)行器相連接。每一個(gè)STIM最多可與255個(gè)變送器通道相連接。每一個(gè)通道實(shí)際上就是STIM上的一個(gè)變送器單元。

NCAP與網(wǎng)絡(luò)連接有 3種方式：1）IEEE 1451.0超文本傳送協(xié)議（HTTP）；2）IEEE 1451.1 標(biāo)準(zhǔn)；3）智能變送器網(wǎng)絡(luò)服務(wù) （STWS）。NCAP與 TIM之間的接口被定義為 IEEE 1451.X物理接口規(guī)范，根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇不同的子標(biāo)準(zhǔn)接口規(guī)范。

1.2 IEEE 1451協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過多年的制定與修改，目前形成了8個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)，分為面向軟件的接口與面向硬件的接口兩大部分。

軟件部分主要由IEEE 1451.0和IEEE 1451.1組成，通過面向?qū)ο竽Ｐ偷母拍蠲枋隽司W(wǎng)絡(luò)化智能變送器的行為，定義了適應(yīng)于接入不同測控網(wǎng)絡(luò)的智能變送器軟件接口規(guī)范；同時(shí)定義了一個(gè)通用的功能、通信協(xié)議和電子數(shù)據(jù)表格，可以加強(qiáng)IEEE 1451族系列標(biāo)準(zhǔn)之間的互操作性。

硬件部分由IEEE 1451.2～I(xiàn)EEE 1451.7組成，主要針對(duì)智能變送器不同的應(yīng)用背景與目的[6]，包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（RS-232、UART、SPI等）、多點(diǎn)分布式、混合模式、無線（WiFi，Bluetooth，ZigBee等）、CANopen和RFID通信。

1.3 變送器電子數(shù)據(jù)表格（TEDS）

TEDS技術(shù)是IEEE 1451最重要的技術(shù)革新之一，是使變送器能夠像計(jì)算機(jī)上USB鼠標(biāo)一樣實(shí)現(xiàn)“即插即用”功能的關(guān)鍵所在，使傳感器具有了自我識(shí)別和自我描述的能力。它能夠充分描述傳感器的類型、行為、性能屬性和相關(guān)的參數(shù)，并將其向終端傳送，使終端可了解應(yīng)用的傳感器或執(zhí)行器的相關(guān)參數(shù)，并做出相應(yīng)調(diào)整。增加或更換不同的變送器時(shí)，只要在TEDS中增加或改變相關(guān)的內(nèi)容即可。不同的子標(biāo)準(zhǔn)定義的TEDS格式并不完全一致，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求進(jìn)行選擇。

TEDS的實(shí)現(xiàn)由于受到海洋觀測環(huán)境的限制以及實(shí)現(xiàn)成本等方面的影響，目前主要有硬件實(shí)現(xiàn)和軟件虛擬實(shí)現(xiàn)兩種方法。硬件實(shí)現(xiàn)上，TEDS一般貯存在變送器內(nèi)置電子存儲(chǔ)設(shè)備中，也可以采用虛擬TEDS，TEDS相關(guān)信息以數(shù)據(jù)庫形式存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。

1.4 智能變送器Web服務(wù)（STWS）

STWS由一系列用于訪問IEEE 1451智能變送器的Web服務(wù)組成。STWS建立在面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）和IEEE 1451.0變送器服務(wù)的基礎(chǔ)上，并且由Web服務(wù)定義語言（WSDL）來描述。STWS WSDL規(guī)范被分為6個(gè)主要元素：定義、類型、信息、端口類型、綁定和服務(wù)。STWS為IEEE 1451智能變送器提供了一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)。

STWS有3種存在方式[7]，如圖2所示。

圖2 用于IEEE 1451智能變送器的STWS統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)Fig.2 STWS-A unified web service for IEEE 1451 smart transducers

1）存在于單獨(dú)的計(jì)算機(jī)中，為IEEE 1451智能變送器服務(wù)；

2）存在于NCAP中，為基于IEEE 1451的傳感器網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；

3）存在于集成的IEEE 1451智能變送器中。

通過STWS這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方式，我們可以實(shí)現(xiàn)IEEE 1451智能變送器在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用方面（傳感器應(yīng)用）的互操作性。

2 OGC SWE（傳感器Web整合框架）

2005 年，開放地理空間聯(lián)盟（OGC）提出了一種革命性的開放標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)——傳感器Web整合框架（SensorWebEnablement，SWE），目標(biāo)是能夠通過Web發(fā)現(xiàn)、訪問、應(yīng)用所有類型的接入Internet的傳感器資源（包括硬件資源和數(shù)據(jù)資源）[8]，為構(gòu)建“即插即用”的基于Web的傳感器網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)。SWE是一個(gè)全新的標(biāo)準(zhǔn)框架，給海洋界提供了海洋觀測系統(tǒng)發(fā)展的新機(jī)遇，而且還在不斷地修訂和完善中[9]。

2.1 概念與功能

通常我們所說的傳感網(wǎng)（sensor network）是一個(gè)計(jì)算機(jī)可訪問的網(wǎng)絡(luò)，它是由地理空間上分布的許多傳感器組成，用以監(jiān)測不同地區(qū)的環(huán)境因素，如溫度、聲音、震動(dòng)、壓力、物體的運(yùn)動(dòng)或者一些污染情況。而傳感器Web是指通過Web可訪問的傳感網(wǎng)，使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和應(yīng)用程序接口（API），我們可以通過Web訪問接入網(wǎng)絡(luò)的傳感器數(shù)據(jù)。

SWE致力于實(shí)現(xiàn)傳感器觀測數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)、交換和處理，以及觀測系統(tǒng)的任務(wù)分配，其想實(shí)現(xiàn)的功能主要包括[10-11]：

1）發(fā)現(xiàn)滿足用戶及時(shí)需求的傳感器系統(tǒng)、觀測數(shù)據(jù)以及觀測方法；

2）確定傳感器的性能和測量質(zhì)量；

3）訪問傳感器參數(shù)；

4）檢索以標(biāo)準(zhǔn)方式描述的實(shí)時(shí)或存檔的觀測數(shù)據(jù)；

5）傳感器采集數(shù)據(jù)的任務(wù)分配；

6）通知由基于某些標(biāo)準(zhǔn)的傳感器或傳感器服務(wù)發(fā)布的告警。

2.2 體系結(jié)構(gòu)

SWE能夠完善海洋觀測系統(tǒng)的方法主要有兩種：一是以標(biāo)準(zhǔn)形式描述傳感器以及觀測數(shù)據(jù)；一是定義標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接口。

為了支持上述方法，OGC-SWE已經(jīng)開發(fā)并測試了如下規(guī)范[10-11]：

1）觀測與測量（O&M）——標(biāo)準(zhǔn)概念模型，采用XML架構(gòu)，用于描述存檔的和實(shí)時(shí)的底層傳感器觀測數(shù)據(jù)。O&M標(biāo)準(zhǔn)可以實(shí)現(xiàn)海洋儀器之間的數(shù)據(jù)互操作。

2）傳感器建模語言（SensorML）——標(biāo)準(zhǔn)概念模型，采用XML架構(gòu)，用于描述傳感器、系統(tǒng)和工作流程；對(duì)于傳感器的發(fā)現(xiàn)和定位，海洋觀測網(wǎng)絡(luò)的配置，傳感器觀測數(shù)據(jù)的處理等提供必需的信息。

3）變送器置標(biāo)語言（TML）——概念模型，采用XML架構(gòu)，用于描述變送器內(nèi)部以及出入海洋觀測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，為Web信息交互提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式。

4）傳感器觀測服務(wù)（SOS）——標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)接口，用于請求、寄存、過濾和檢索觀測數(shù)據(jù)以及傳感器系統(tǒng)信息。SOS在客戶端與觀測數(shù)據(jù)庫之間起中介作用。

5）傳感器規(guī)劃服務(wù)（SPS）——標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)接口，用于響應(yīng)用戶需求，分配傳感器任務(wù)。SPS在客戶端和傳感器收集管理環(huán)境之間起中介作用。

6）傳感器告警服務(wù)（SAS）——標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)接口，用于發(fā)布和訂閱來自傳感器的警報(bào)。

7）Web通知服務(wù)（WNS）——標(biāo)準(zhǔn)Web服務(wù)接口，用于異步傳輸來自SAS、SPS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和其他服務(wù)的信息或警報(bào)。

上述規(guī)范是SWE的核心，能夠?yàn)楹Ｑ笥^測系統(tǒng)提供大量統(tǒng)一的Web服務(wù)接口，為滿足終端用戶需求的傳感器自識(shí)別、觀測數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)交互、任務(wù)分配以及告警信息發(fā)布等功能的實(shí)現(xiàn)提供了具體的解決方案。

2.3 傳感器建模語言（SensorML）

傳感器建模語言是SWE的關(guān)鍵組成部分，并且提供了標(biāo)準(zhǔn)傳感器模型和XML代碼，用以描述與傳感器相關(guān)的工作過程，包括傳感器系統(tǒng)的測量和測量后加工處理。所有的處理過程都定義了它們的輸入、輸出、參數(shù)、方法和相關(guān)元數(shù)據(jù)。它提供的是傳感器系統(tǒng)的功能模型，而并不是系統(tǒng)硬件的詳細(xì)描述。

可擴(kuò)展標(biāo)示語言（XML）架構(gòu)可以被用于發(fā)布傳感器性能、定位和接口的正式描述[12]。Web客戶端和服務(wù)器能夠分析并翻譯XML數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)傳感器的自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，并評(píng)估這些傳感器的特性。另外，如果預(yù)先對(duì)海洋觀測系統(tǒng)不了解，這些信息也使應(yīng)用軟件能夠定位和處理底層傳感器數(shù)據(jù)。

在XML架構(gòu)中，針對(duì)不同的目的，傳感器控制接口與上層系統(tǒng)能夠自動(dòng)通信：確定傳感器的狀態(tài)和位置信息；發(fā)送命令到傳感器或傳感器平臺(tái)；訪問存檔的或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)。通過一個(gè)專有的或自定義的接口，或者通過IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)接口，都能實(shí)現(xiàn)基于Web的應(yīng)用與底層傳感器系統(tǒng)的連接。

2.4 傳感器接口描述符（SID）

傳感器接口描述符（SID）由德國的52North公司開發(fā)，被看做OGC-SWE的一部分。對(duì)于側(cè)重于Web服務(wù)的SWE來說，SID是實(shí)現(xiàn)觀測系統(tǒng)底層傳感器互操作性的一種可行方法。它以一種標(biāo)準(zhǔn)方式描述傳感器接口以及它的命令和數(shù)據(jù)響應(yīng)格式，并對(duì)這種描述進(jìn)行解釋。對(duì)于接口的描述，我們需要使用擴(kuò)展的SensorML。對(duì)于SID來說，SID翻譯器的使用是非常重要的。SID翻譯器讀接口描述，然后會(huì)依據(jù)相應(yīng)的信息生成對(duì)于儀器的命令。原則上存在兩種運(yùn)行模式：

1）SID翻譯器周期性地向儀器發(fā)送命令，讀出測量數(shù)據(jù)并將其發(fā)送到SOS；

2）SID響應(yīng)SWE客戶端發(fā)送的請求，生成相應(yīng)的專有儀器命令。

使用SID的一個(gè)海洋觀測系統(tǒng)模型如圖3所示[13]：

3 PUCK協(xié)議

PUCK協(xié)議全稱為智能化可編程水下連接器（Programmable Underwater Connector with Knowledge[2]），是一種簡單的命令協(xié)議，由美國的MBARI（Monterey Bay Aquarium Research Institute）提出，目的是簡化海洋傳感器網(wǎng)絡(luò)的集成和維修。目前大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要技術(shù)人員進(jìn)行手動(dòng)配置以確保軟件部分與儀器緊密聯(lián)系在一起。這些配置步驟非常耗時(shí)并且容易出錯(cuò)，尤其在一些惡劣的環(huán)境下必須進(jìn)行手動(dòng)配置時(shí)，更是增加了出現(xiàn)人為出錯(cuò)的可能性。使用PUCK協(xié)議后，當(dāng)儀器被安裝時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地識(shí)別這個(gè)儀器，我們稱之為“即插即用”。目前PUCK協(xié)議已經(jīng)發(fā)展得非常成熟并且被OGC組織所接受，成為了一個(gè)OGC標(biāo)準(zhǔn)[5]。

圖3 使用SID的海洋觀測系統(tǒng)模型Fig.3 Ocean observing system using SID

PUCK協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)如下：1）簡單易懂，從儀器自身檢索相關(guān)的信息；2）制造商們在固件中使用PUCK協(xié)議，而不用外接電纜和連接器；3）兼容已存的儀器協(xié)議；4）不限制負(fù)載的格式和內(nèi)容；5）適用于RS-232、RS-485和以太網(wǎng)接口的儀器。

3.1 PUCK信息載體

PUCK協(xié)議在PUCK存儲(chǔ)器中定義了一個(gè)小型標(biāo)準(zhǔn)的“儀器數(shù)據(jù)表”，能夠在每個(gè)使用PUCK協(xié)議的儀器中被檢索到。這個(gè)數(shù)據(jù)表的元數(shù)據(jù)包括一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符（UUID），以及制造商和型號(hào)代碼。這些元數(shù)據(jù)可以作為更加大量的儀器信息的指針。例如，如1451 TEDS或SensorML文檔這樣的儀器描述文檔被存儲(chǔ)在一個(gè)外部定義的數(shù)據(jù)庫中，而UUID就是打開這個(gè)數(shù)據(jù)庫的鑰匙。所有使用PUCK協(xié)議的儀器必須提供數(shù)據(jù)表。

此外，PUCK協(xié)議還在PUCK存儲(chǔ)器中定義了一個(gè)可選的“PUCK負(fù)載”，其中包括運(yùn)行這個(gè)儀器所需要的額外信息，如儀器驅(qū)動(dòng)代碼，以及像SensorML這樣的元數(shù)據(jù)。就驅(qū)動(dòng)代碼而言，我們需要注意的是，代碼并不是由儀器來執(zhí)行，恰恰相反，代碼是由主機(jī)通過PUCK檢索到并執(zhí)行。PUCK并不限制負(fù)載內(nèi)容，其由觀測系統(tǒng)的開發(fā)人員和使用者來決定[14]。

3.2 PUCK協(xié)議的發(fā)展

PUCK v1.4版將此協(xié)議的應(yīng)用從RS-232擴(kuò)展到以太網(wǎng)接口——“IP PUCK”協(xié)議，其中包括零配置網(wǎng)絡(luò)（Zeroconf）的應(yīng)用[15]。這種應(yīng)用使得在IP網(wǎng)絡(luò)中安裝和識(shí)別傳感器[16]變得更加簡單。

4 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之間的分析比較與應(yīng)用實(shí)例

4.1 IEEE 1451與OGC SWE之間的對(duì)比

由上文可知，對(duì)于在海洋觀測系統(tǒng)中的應(yīng)用，IEEE 1451與OGC SWE都是綜合性標(biāo)準(zhǔn)，都能夠獨(dú)立完成從底層傳感器到頂層web服務(wù)的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，但是二者之間仍然存在很大的差別。IEEE 1451的側(cè)重點(diǎn)是海洋觀測系統(tǒng)中底層儀器接口的標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)變送器的“即插即用”；而SWE側(cè)重于海洋觀測系統(tǒng)中的Web接口服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和處理的實(shí)時(shí)性。

對(duì)于傳感器特性的描述，IEEE 1451與OGC SWE分別提供了各自的元數(shù)據(jù)框架——TEDS與SensorML。TEDS描述了底層傳感器的基本功能（硬件、校準(zhǔn)、感測、屬性），但它不能為邏輯意義上傳感器提供所有的額外描述信息，它也不能描述高層的數(shù)據(jù)處理，得轉(zhuǎn)換為應(yīng)用層所需的數(shù)據(jù)類型；而SensorML適用于高等級(jí)應(yīng)用，并且提供了一個(gè)更加綜合的模型，其中包括如傳感器數(shù)據(jù)采集與處理這樣的復(fù)雜特性，正好可以克服TEDS這兩方面的缺陷。因此，TEDS到SensorML之間的映射問題是目前的焦點(diǎn)問題之一，如果能夠有效地結(jié)合這兩種標(biāo)準(zhǔn)，建立全新有效的標(biāo)準(zhǔn)化海洋觀測體系將會(huì)事半功倍。

但是，這兩種標(biāo)準(zhǔn)仍然存在如下問題：1）體系龐大，內(nèi)容非常復(fù)雜，人們理解起來非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力；2）如今嵌入式處理器應(yīng)用越來越廣，低成本和低功耗的考慮越來越多，因此人們可能只能執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的一部分；3）使用標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，人們不得不拋棄不能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的固件，而這些固件往往代表著資金和時(shí)間的投入，造成這個(gè)問題的最主要的原因是制定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)沒有處理好與已有標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的關(guān)系；4）IEEE 1451與SWE仍在修訂和完善，標(biāo)準(zhǔn)的修訂版本必須確保能夠“向后兼容”，并且儀器固件也要升級(jí)以保持和最新標(biāo)準(zhǔn)的兼容。

4.2 PUCK協(xié)議與其他標(biāo)準(zhǔn)之間的對(duì)比與存在問題

與IEEE 1451和SWE標(biāo)準(zhǔn)相比較，PUCK協(xié)議是一種標(biāo)準(zhǔn)本地儀器協(xié)議，只用于實(shí)現(xiàn)底層儀器的互操作性。相較前兩者而言，PUCK協(xié)議非常簡單易懂，最重要的是，PUCK與IEEE 1451、SWE能夠兼容共存并為其提供支持，如圖4所示。

圖4 PUCK兼容其他標(biāo)準(zhǔn)Fig.4 PUCK is compatible with other standards

PUCK協(xié)議仍然存在如下問題：1）雖然相對(duì)簡單易懂，但是使用PUCK的同時(shí)，人們?nèi)匀恍枰獌x器驅(qū)動(dòng)；2）PUCK協(xié)議本身并不支持儀器互操作性；3）隨著上層協(xié)議的升級(jí)，執(zhí)行這些協(xié)議的PUCK負(fù)載也必須隨之升級(jí)。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際應(yīng)用

IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)處理傳感器原始數(shù)據(jù)，OGC-SWE將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳遞到Web應(yīng)用上。正確地結(jié)合使用SWE與IEEE 1451標(biāo)準(zhǔn)能夠準(zhǔn)確無誤地將傳感器信息從物理傳感器傳遞到Web應(yīng)用上。PUCK協(xié)議能夠支持其他標(biāo)準(zhǔn)，并簡化海洋儀器到海洋觀測系統(tǒng)的集成。因此，如何正確合理地集成SWE、IEEE 1451和PUCK等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，是目前國際上的焦點(diǎn)問題。

MBARI、OGC與由NIST領(lǐng)導(dǎo)的傳感器標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)工作組（SSHWG）中的一些成員共同開發(fā)了一個(gè)互操作性儀器試驗(yàn)臺(tái)，演示了IEEE 1451、OGC SWE與PUCK協(xié)議的綜合使用，實(shí)現(xiàn)了快速采集、融合與評(píng)估不同儀器和觀測平臺(tái)的數(shù)據(jù)[5]。

5 結(jié)束語

隨著海洋觀測技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)化觀測模式成為當(dāng)前的熱點(diǎn)，更加注重系統(tǒng)性、兼容性、交互性，對(duì)探測設(shè)備和傳感器要求具有“即插即用”的特點(diǎn)。變送器底層接口標(biāo)準(zhǔn)可減少硬件方面的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)海洋儀器的互換性，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層接口標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交互，從而滿足海洋觀測系統(tǒng)的擴(kuò)展、更新維護(hù)等保障需求。

智能海洋傳感器聯(lián)盟（SOSC）等國際海洋組織正在大力推廣IEEE 1451、SWE、PUCK等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，這些年已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。目前這些標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)成功地應(yīng)用于國際上的海洋觀測系統(tǒng)中，而我國海洋觀測領(lǐng)域在此方面還是空白狀態(tài)。我國的海洋科研人員如果能夠在海洋觀測系統(tǒng)的構(gòu)建、改進(jìn)上借鑒這些國際上先進(jìn)的接口標(biāo)準(zhǔn)，將會(huì)大大提高我國海洋觀測系統(tǒng)的信息服務(wù)效率和技術(shù)支撐能力。

[1]羅續(xù)業(yè)，周智海，曹東，等.海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法[J].海洋通報(bào)，2006，25（4）:69-77.LUO Xu-ye，ZHOU Zhi-hai，CAO Dong，et al.Designing methodforintegratedoceanenvironmentalmonitoringsystem[J].Marine Science Bulletin，2006，25（4）:69-77.

[2]Song E Y，Lee K B.A standard-based global ocean monitoring system[C].The Ninth International Conference on Electronic Measurement&Instruments.ICEMI，2009.

[3]Mànuel A.Update on standardization recommendation for sensor interfaces[R].Project contract no.036851，ESONET European Seas Observatory Network，2011.

[4]Albaladejo C，Sanchez P，Iborra A，et al.Wireless sensor networks for oceanographic monitoring:A Systematic Review[J].Sensor，2010（10）:6948-6968.

[5]Reilly T C O，Rio Jdel，Toma D，et al.Instrument interface standards for interoperable ocean sensor networks[C].IEEE Conference&Exhibition OCEANS，2009，11-14.

[6]孫圣和.現(xiàn)代傳感器發(fā)展方向 [J].電子測量與儀器學(xué)報(bào)，2009，23（1）:1-10；23（2）:1-9.SUN Sheng-he.Development trend of modern sensor[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument，2009，23（1）:1-10.

[7]Lee K.IEEE 1451 Smart Transducer Standard for Sensor Interoperability [C]//Workshop on “From Sensor to Applications:Advancing the Interoperability ofOcean Sensors”.Ocean Innovation 2008 World Summit:Ocean Observation， St John’s，2008.

[8]Bermudez L，Delory E，O’Reilly T，et al.Ocean observing systems demystified[C]//In Proceeding of OCEANS 2009，Marine Technology forOurFuture:Globaland Local Challenges，2009：1-7.

[9]Broering A.，Echterhoff J.，Jirka S..New generation sensor web enablement[J].Sensors，2011，11（3）:2652-2699.

[10]BottsM，PercivallG，Reed C，etal.OGC sensorweb enablement:Overview and High Level Architecture[C].Open Geospatial Consortium White Paper，2006.

[11]蔡永娟，沈春山，吳仲城，等.基于SensorML和IEEE 1451的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].儀表技術(shù)，2010（1）:1-6.CAI Yong-juan，SHEN Chun-shan，WU Zhong-cheng，et al.A novel sensor network standard based on sensorML and IEEE 1451[J].Instrumentation Technology，2010（1）:1-6.

[12]李彥，王宇飛，王鑫，等.基于XML的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究[J].海洋通報(bào)，2011，30（6）:697-701.LI Yan，WANG Yu-fei，WANG Xin，et al.Research of XML based processing technology for marine environment data[J].Marine Science Bulletin，2011，30（6）:697-701.

[13]Broering A，Below S.OpenGIS?Sensor Interface Descriptors[C]//Open Geospatial Consortium Inc，2010.

[14]Joaquin del Rio， Tom O'Reilly， Kent Headley， et al.Evaluation of MBARI PUCK protocol for interoperable ocean observatories[J].Instrumentation Viewpoint，2009：87-91.

[15]Daniel Mihai Toma， Tom O'Reilly， Joaquin del Rio， et al.Smart Sensors for Interoperable Smart Ocean Environment[C]//IEEE Oceans，2011.

[16]崔捷，許蕾，王曉東，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)入侵檢測系統(tǒng)[J].電子科技，2011（11）：144-146.CUI Jie，XU Lei，WANG Xiao-dong，et al.Study on intrusion detection system in wireless sensor networks[J].Electronic Science and Technology，2011（11）：144-146.