基于元數(shù)據(jù)的異構(gòu)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)管理研究

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(1.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021； 2.集美大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

基于元數(shù)據(jù)的異構(gòu)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)管理研究

鄭如濱1,2,3，王豪偉1，許通1,3，朱立晨1,3

(1.中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所 城市環(huán)境與健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021； 2.集美大學(xué) 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)(Environmental Internet of Things, EIoT)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè),在各個(gè)地區(qū)部署不同類型的EIoT系統(tǒng)是一個(gè)長(zhǎng)期演進(jìn)的過程。為了對(duì)分布于各地的大規(guī)模異構(gòu)EIoT系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一、有效的管理，通過分析環(huán)境監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，并進(jìn)一步分析了基于EIoT的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的感知層、傳輸層與應(yīng)用層的特點(diǎn)，提取出了各個(gè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中多種類型的、可用于系統(tǒng)管理的元數(shù)據(jù)?；谶@些環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的元數(shù)據(jù)，構(gòu)建了一個(gè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)統(tǒng)一管理框架。該管理框架通過實(shí)時(shí)感知應(yīng)用層中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的數(shù)據(jù)異常狀態(tài),可以屏蔽不同EIoT子系統(tǒng)中感知層與傳輸層的差異，這在一定程度上解決了異構(gòu)性所帶來的問題,可以對(duì)大規(guī)模、分布式部署的多個(gè)不同類型的EIoT子系統(tǒng)進(jìn)行有效管理。

環(huán)境物聯(lián)網(wǎng); 環(huán)境監(jiān)測(cè); 元數(shù)據(jù); 異構(gòu)性; 管理框架

1 研究背景

近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)迅猛發(fā)展，已被越來越多地應(yīng)用到各個(gè)方面，如醫(yī)療保健行業(yè)、食品供應(yīng)鏈、礦區(qū)安全生產(chǎn)、交通與物流等[1]。預(yù)計(jì)到2020年，物聯(lián)網(wǎng)將包含近240億個(gè)互聯(lián)設(shè)備[2]。

環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)(Environmental Internet of Things，簡(jiǎn)稱EIoT)是物聯(lián)網(wǎng)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。在EIoT中，為了達(dá)到某種特定的目標(biāo)，通過多種技術(shù)融合，實(shí)現(xiàn)了信息獲取、傳輸和應(yīng)用的數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)格式化[3]。一些科研人員在美國(guó)緬因州的大鴨島(Great Duck Island)通過設(shè)備監(jiān)測(cè)鳥的行為，并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)與用戶界面[4]。在中國(guó)，關(guān)于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的研究也方興未艾。全元等[5]將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境噪聲的監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的噪聲監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 Wang等[6]提出了一個(gè)用于EIoT的框架，并對(duì)框架中包含的Wireless Sensor Network (WSN) 技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)GIS和WebGIS技術(shù)進(jìn)行了研究。還有研究者將環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與景感生態(tài)學(xué)思想[7]相結(jié)合，為大運(yùn)河香河段設(shè)計(jì)了一套基于EIoT的生態(tài)環(huán)境管理系統(tǒng)[8]。

隨著環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的逐步擴(kuò)大，接入環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的各種終端設(shè)備也逐步增加。獲取物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行管理，是保證整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)行的一個(gè)必要條件。Marotta等[9]定量化評(píng)估了Simple Network Management Protocol (SNMP),Service Oriented Architecture (SOA),Resource Oriented Architecture(ROA)這3種協(xié)議在作為設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間的通訊體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)果顯示ROA表現(xiàn)最好。然而SNMP,SOA,ROA僅適用于具備網(wǎng)關(guān)的情況，通過網(wǎng)關(guān)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理。而EIoT系統(tǒng)通常部署在野外等缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的地方，一般無法安裝網(wǎng)關(guān)，也就無法直接使用這些網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)。Honle等[10]則通過在上下文模型中使用元數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了資源查找、數(shù)據(jù)選擇與數(shù)據(jù)融合。

在多地范圍內(nèi)部署EIoT系統(tǒng)是一個(gè)長(zhǎng)期演進(jìn)的過程，在這個(gè)過程中各子系統(tǒng)采用的技術(shù)與設(shè)備也會(huì)隨著時(shí)間的推移不斷更新。如何管理規(guī)模逐漸增大的EIoT系統(tǒng)，快速獲取分布在各地的子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，對(duì)保證整個(gè)EIoT系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著極為重要的意義。然而環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)具有高度異構(gòu)性，且現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議更多地是對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行管理，現(xiàn)在還缺乏一種可靠、有效的方法來管理大規(guī)模、異構(gòu)的EIoT系統(tǒng)。本文提出一個(gè)基于元數(shù)據(jù)的EIoT系統(tǒng)管理框架，利用該框架結(jié)合異常事件監(jiān)測(cè)機(jī)制，在應(yīng)用層監(jiān)控各EIoT子系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，并在發(fā)生問題時(shí)可以快速定位、獲取相關(guān)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的信息，從而完成對(duì)整個(gè)環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的管理。

2 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)分析

2.1 環(huán)境監(jiān)測(cè)特點(diǎn)

環(huán)境監(jiān)測(cè)是使用部署在物理世界的各種類型的環(huán)境傳感器獲得物理世界的真實(shí)信息?，F(xiàn)階段，常使用傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分[11]，而傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能和行為在很大程度上受到部署環(huán)境的影響[12]。我們一般將用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器網(wǎng)絡(luò)歸入到EIoT的感知層。

環(huán)境監(jiān)測(cè)一般有監(jiān)測(cè)時(shí)間跨度長(zhǎng)、無人值守、部署環(huán)境惡劣等特點(diǎn)。傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)EIoT系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要的意義。在環(huán)境惡劣區(qū)域或者自然保護(hù)區(qū)部署與維護(hù)傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨很多實(shí)際問題,如能源消耗、系統(tǒng)可用性等[13]。一般來說環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)部署位置固定，用來監(jiān)測(cè)某個(gè)固定點(diǎn)周圍的環(huán)境要素。不過也有研究者結(jié)合固定和移動(dòng)傳感器，GIS，GPS，遙感等技術(shù)來監(jiān)測(cè)城市環(huán)境[3,14-15]。

環(huán)境監(jiān)測(cè)所使用到的環(huán)境傳感器多種多樣，如水文類傳感器、氣象類傳感器、土壤傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、噪聲傳感器等。這些傳感器功能與結(jié)構(gòu)各異，所采集的數(shù)據(jù)也是異構(gòu)的[16]。即使是同一種類型的傳感器，其采樣精度、數(shù)據(jù)讀取方式、供電方式都有所不同。隨著EIoT系統(tǒng)的長(zhǎng)期部署，甚至同一廠家、相同類型，但不同時(shí)期生產(chǎn)的傳感器，其硬件參數(shù)、操作方法也可能有所不同。面對(duì)這樣硬件上的異構(gòu)性，如何有效管理也是我們所要面臨的挑戰(zhàn)。

2.2 EIoT系統(tǒng)架構(gòu)及分析

從環(huán)境監(jiān)測(cè)的角度來說，物聯(lián)網(wǎng)一般劃分為3層，包含感知層、傳輸層與應(yīng)用層[17]，見表1。

表1 環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的3層架構(gòu)

感知層主要包含2類可用于網(wǎng)絡(luò)管理的內(nèi)容：

(1) 數(shù)據(jù)采集行為。使用各種環(huán)境傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備來獲取環(huán)境數(shù)據(jù)，使用音視頻設(shè)備獲取音視頻內(nèi)容。這就包括了描述數(shù)據(jù)采集行為的數(shù)據(jù)，如采樣間隔等信息。

(2)設(shè)備相關(guān)信息。包含設(shè)備類型、設(shè)備廠商、采樣精度、供電方式、數(shù)據(jù)獲取方式等。

傳輸層主要為感知層數(shù)據(jù)的傳輸提供網(wǎng)絡(luò)支持，通過有線或者無線的方式將感知層采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層。EIoT一般采用以下幾種連接方式傳輸數(shù)據(jù)[18]：

(1)非IP直連方式。這種方式不使用IP技術(shù)，而直接使用無線電技術(shù)連接服務(wù)器。

(2) 虛擬連接節(jié)點(diǎn)方式。這種方式的一個(gè)典型代表就是使用Zigbee負(fù)責(zé)本地信息的傳輸，然后通過網(wǎng)關(guān)連接服務(wù)器，其中本地節(jié)點(diǎn)不具有IP。

(3) 非直接連接方式。該方式中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以具有IP，但統(tǒng)一通過網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器連接。如采用Wireless Mesh Network(WMN)技術(shù)進(jìn)行連接。

(4)直接連接方式。該方式通過如GPRS等技術(shù)直接將數(shù)據(jù)傳輸給中央服務(wù)器。EIoT傳輸層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多種多樣，如圖1所示。圖1展示了現(xiàn)階段EIoT中常用的3種連接方式，包括非直接連接方式、虛擬連接節(jié)點(diǎn)方式、直接連接方式。

圖1常見EIoT系統(tǒng)傳輸層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

Fig.1CommonstructureoftransmissionlayerofEIoTsystem

在WMN中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有自己的IP，通過多跳的方式將數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)關(guān)傳遞給服務(wù)器。在物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)關(guān)經(jīng)常被用來處理網(wǎng)絡(luò)通訊中的很多復(fù)雜問題[19]，使各種設(shè)備在Internet上的通訊和交互更加方便。而使用Zigbee技術(shù)這種方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)沒有IP，節(jié)點(diǎn)之間通過無線電技術(shù)進(jìn)行傳輸，最終通過網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。使用GPRS，3G，4G技術(shù)的為直接連接方式，在這種方式中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有自己的IP。

應(yīng)用層主要用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并對(duì)外提供服務(wù)。一般為了方便數(shù)據(jù)的復(fù)用，通常將應(yīng)用層進(jìn)一步劃分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層與面向用戶和其他程序的接口層(Interface layer)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式可以有多種多樣，如XML文件形式、數(shù)據(jù)庫(kù)等其他方式。接口層則幫助用戶忽略這種存儲(chǔ)方式的區(qū)別，直接提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問方法。

總的來說，EIoT從獲取到處理環(huán)境數(shù)據(jù)包括以下3個(gè)步驟：①使用傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)；②通過網(wǎng)絡(luò)層將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)層；③外部用戶和程序通過接口層訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的數(shù)據(jù)。過程如圖2所示。

圖2EIoT獲取、傳輸、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)過程

Fig.2Processofdataretrieving,transmittingandstoringinEIoTsystem

2.3 EIoT的異構(gòu)性

EIoT系統(tǒng)天生具有異構(gòu)性，這種異構(gòu)性表現(xiàn)在感知層、傳輸層與應(yīng)用層。并且由于各地的EIoT系統(tǒng)是逐步部署的，這種異構(gòu)性更為突出。

在感知層，這種異構(gòu)性表現(xiàn)在不同類型的傳感器從功能、結(jié)構(gòu)到數(shù)據(jù)采集行為的不同。如城市噪聲地圖需要使用安裝在固定節(jié)點(diǎn)的噪聲傳感器以無間斷的形式去采集噪聲水平[20]。如果需要實(shí)時(shí)傳輸這些噪聲數(shù)據(jù)，這就對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的能源供應(yīng)有一定的要求。而土壤溫度、濕度的采集，其采集間隔可以為幾分鐘到幾十分鐘，這樣的采集行為對(duì)電源供應(yīng)要求相對(duì)較低。而對(duì)音視頻的采集則不僅需要有穩(wěn)定的能源供應(yīng)，還對(duì)帶寬有一定的要求。不同類型的傳感器獲取數(shù)據(jù)的方式也有所不同，有的只能通過讀取串口的方式讀取數(shù)據(jù)，有的則可以通過WIFI獲取數(shù)據(jù)。

在傳輸層，EIoT系統(tǒng)包含了各種各樣的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。傳輸層中的傳感網(wǎng)絡(luò)采用的通訊協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)也是多種多樣，包括Radio Frequency Identification(RFID)，Near Field Communication (NFC)，ZigBee，WMN，IETF Low power Wireless Personal Area Networks(6LoWPAN)和傳統(tǒng)的IP技術(shù)，如IP和IPv6[14]。傳感網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)期間通訊的技術(shù)則包括GPRS，3G，4G及有線方式。并且由于環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)一般部署在野外等缺乏基礎(chǔ)設(shè)施的地方，無法架設(shè)網(wǎng)關(guān)，傳統(tǒng)的SNMP，ROA等網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)也無法應(yīng)用。這種復(fù)雜的異構(gòu)性使得很難在傳輸層進(jìn)行統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)管理。

應(yīng)用層中的存儲(chǔ)層存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的格式也是多種多樣，采集數(shù)據(jù)的格式也沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有的是用簡(jiǎn)單的日志文件，有的使用XML格式文件，有的則采用數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 使用元數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理所要解決的問題

對(duì)于一個(gè)長(zhǎng)期演進(jìn)、可以管理多個(gè)EIoT子系統(tǒng)的EIoT管理系統(tǒng)來說，需要考慮以下幾個(gè)問題：

(1)邏輯上統(tǒng)一的管理框架。經(jīng)過多年的建設(shè)，早期建設(shè)的系統(tǒng)往往是各自獨(dú)立建設(shè)，每個(gè)EIoT系統(tǒng)都會(huì)有獨(dú)立的存儲(chǔ)層與相應(yīng)的管理系統(tǒng)，用戶分別通過各自的管理系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行訪問。傳統(tǒng)的EIoT管理系統(tǒng)模式如圖3所示，EIoT-A代表某個(gè)EIoT子系統(tǒng)，包括了某個(gè)子系統(tǒng)中的感知層與傳輸層。MIS-A則代表某個(gè)EIoT的管理系統(tǒng)，不同的EIoT子系統(tǒng)采用的傳感器或者網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)可能不同，用戶無法對(duì)各子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，這就需要一個(gè)邏輯上統(tǒng)一的管理框架。

圖3傳統(tǒng)的EIoT管理系統(tǒng)模式

Fig.3TraditionalmanagementpatternofEIoT

(2)可擴(kuò)展性。使用傳統(tǒng)分散的管理技術(shù)，隨著子系統(tǒng)的增多，用戶所需要管理的系統(tǒng)也越來越多。用戶可能要查找多個(gè)系統(tǒng)，才能找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)或者獲取相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。需要一個(gè)具有良好擴(kuò)展性的基于元數(shù)據(jù)的管理框架，才能方便、高效地管理不斷新增的EIoT子系統(tǒng)。

(3) EIoT子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)感知。EIoT子系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)中發(fā)生的異常包括EIoT中的傳感器異常、數(shù)據(jù)傳輸異常、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)故障等，如何快速感知這些異常成為高效管理整個(gè)EIoT系統(tǒng)的關(guān)鍵。從前面分析可知，EIoT的異構(gòu)性使得沒有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議可以對(duì)各種類型的EIoT系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，那么需要一個(gè)可以快速感知EIoT系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的事件監(jiān)測(cè)機(jī)制。

3.2 EIoT中的元數(shù)據(jù)

元數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)之?dāng)?shù)據(jù)，其為數(shù)據(jù)本身做注解，用來說明數(shù)據(jù)本身的一些屬性，如數(shù)據(jù)的來源、精度、地理信息等，其為用戶提供了更多關(guān)于數(shù)據(jù)本身的其他特性，這些特性為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步使用提供了多種可能。元數(shù)據(jù)這個(gè)概念有著廣泛應(yīng)用，如早期圖書館為圖書建立的分類卡片(card catalogs)。在Web頁(yè)面中，通過meta元素可以指定頁(yè)面的描述、關(guān)鍵字、文檔作者、文檔上次修改時(shí)間[19]。Google搜索引擎也使用網(wǎng)頁(yè)的元數(shù)據(jù)來優(yōu)化搜索，并發(fā)布了搜索引擎所能理解的元標(biāo)簽(meta tags)[20]。在管理與解釋傳感器數(shù)據(jù)上也可以使用元數(shù)據(jù)(meta data)[21]。

元數(shù)據(jù)存在于EIoT各層中，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景可以得到不同類型的元數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)來源元數(shù)據(jù)、地理位置信息元數(shù)據(jù)、傳感器元數(shù)據(jù)、采集行為元數(shù)據(jù)、傳感器能源與通訊等元數(shù)據(jù)，每種類型的元數(shù)據(jù)都可從不同的層面描述環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。比如對(duì)于傳感器元數(shù)據(jù)來說，因?yàn)榇笠?guī)模部署的EIoT系統(tǒng)是一個(gè)逐步發(fā)展起來的系統(tǒng)，不同時(shí)期開發(fā)的系統(tǒng)使用的設(shè)備型號(hào)、通訊方式可能不一致，那么記錄下與傳感器相關(guān)的元數(shù)據(jù)(設(shè)備類型、采樣精度類)，就可以很方便地評(píng)估數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。可用于EIoT網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)整合的元數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4EIoT中的元數(shù)據(jù)

Fig.4MetadataofEIoT

具體元數(shù)據(jù)類型分析如下：

(1)數(shù)據(jù)來源元數(shù)據(jù)。主要包含項(xiàng)目名稱、項(xiàng)目聯(lián)系人、開始日期、項(xiàng)目采集地、采集數(shù)據(jù)類型。通過在管理框架中納入對(duì)數(shù)據(jù)來源元數(shù)據(jù)的管理，可以方便后期數(shù)據(jù)的查找與數(shù)據(jù)融合。

(2)地理信息元數(shù)據(jù)。該元數(shù)據(jù)包含傳感器的地理位置信息，對(duì)所有的環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)都至關(guān)重要，也是將環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)融入GIS系統(tǒng)的一個(gè)前提。

(3)傳感器元數(shù)據(jù)。包括傳感器的廠商、型號(hào)、供電方式、耗電情況、采樣精度等，該元數(shù)據(jù)有利于環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的故障診斷。

(4)采集行為元數(shù)據(jù)。包括采樣間隔、采樣方式等元數(shù)據(jù)。因?yàn)槟茉垂┙o限制，采樣間隔需要設(shè)置在一個(gè)合理的水平。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中同類型環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)的采集行為元數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以為將來設(shè)置合理的采集行為提供幫助。

(5)運(yùn)行維護(hù)元數(shù)據(jù)。包括當(dāng)前電池電量水平、更換周期、通訊方式、通訊保障時(shí)間，該元數(shù)據(jù)可以幫助我們確定能源補(bǔ)給間隔與通訊保障間隔。

(6)網(wǎng)絡(luò)通訊元數(shù)據(jù)。因?yàn)榄h(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)性，不同項(xiàng)目中的網(wǎng)絡(luò)通訊方式有可能不一樣，有的采用網(wǎng)關(guān)連接數(shù)據(jù)中心、有的則通過IP直連的方式連接到數(shù)據(jù)中心，該元數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的診斷有一定參考作用。

(7)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)。該元數(shù)據(jù)主要用來描述EIoT系統(tǒng)中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式及其相關(guān)信息。

可以通過聯(lián)合使用多種類型元數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能。如通過數(shù)據(jù)來源元數(shù)據(jù)可以確定數(shù)據(jù)的歸屬的項(xiàng)目、聯(lián)系人、所采集的數(shù)據(jù)類型以方便數(shù)據(jù)的查找與交換，而通過存儲(chǔ)元數(shù)據(jù)則可以監(jiān)控EIoT數(shù)據(jù)采集是否正常。如果發(fā)生異常，則可聯(lián)合使用傳感器元數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)通訊元數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷。

3.3 基于元數(shù)據(jù)的EIoT統(tǒng)一管理框架

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通常使用SNMP就可以快速獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的管理。然而由于EIoT在感知層、傳輸層的異構(gòu)性，在傳輸層將很難設(shè)計(jì)出一個(gè)統(tǒng)一的、適用于EIoT的通用網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。在這里，筆者提出一種構(gòu)建于應(yīng)用層的基于元數(shù)據(jù)的EIoT管理框架，如圖5所示。該管理框架可以解決多個(gè)EIoT系統(tǒng)管理中存在的2個(gè)主要問題：①EIoT系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的感知；②環(huán)境數(shù)據(jù)的整合查詢。

圖5基于元數(shù)據(jù)的EIoT統(tǒng)一管理框架

Fig.5UnifiedmanagementframeworkofEIoTsystembasedonmetadata

統(tǒng)一管理框架主要包含兩部分：元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)、統(tǒng)一管理接口。元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)用來存儲(chǔ)傳感器、網(wǎng)絡(luò)通訊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、地理信息、數(shù)據(jù)來源、運(yùn)行維護(hù)、采集行為等與EIoT相關(guān)的元數(shù)據(jù)，統(tǒng)一管理接口則包含元數(shù)據(jù)管理、事件監(jiān)測(cè)、故障診斷與數(shù)據(jù)查詢4個(gè)模塊?？蚣芡ㄟ^元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中的元數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)感知包含在應(yīng)用層中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)異常狀態(tài)，并結(jié)合元數(shù)據(jù)庫(kù)的類型元數(shù)據(jù)，為用戶提供異常狀態(tài)警告與診斷。因?yàn)榛趹?yīng)用層，該管理框架可以屏蔽不同EIoT子系統(tǒng)中傳輸層與感知層的差異，這在一定程度上解決了異構(gòu)性所帶來的問題。同時(shí)，該管理框架可以對(duì)多個(gè)不同的EIoT子系統(tǒng)進(jìn)行管理。對(duì)用戶來說，無需面對(duì)多套EIoT管理系統(tǒng)，通過訪問統(tǒng)一管理接口就可以快速管理多個(gè)EIoT子系統(tǒng)。

元數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)各EIoT子系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的注冊(cè)、查詢、維護(hù)。該模塊需要與元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行直接交互。事件監(jiān)測(cè)模塊則是框架中的一個(gè)重要模塊，該模塊通過元數(shù)據(jù)管理功能獲得各EIoT子系統(tǒng)中的元數(shù)據(jù)，結(jié)合事件監(jiān)測(cè)機(jī)制實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層中的異常狀態(tài)，可以快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的故障，這對(duì)加快系統(tǒng)恢復(fù)速度并進(jìn)而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的幫助。當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，則啟用故障診斷模塊，結(jié)合元數(shù)據(jù)，給出故障發(fā)生的地理信息、傳感器、數(shù)據(jù)來源等信息，協(xié)助管理員快速響應(yīng)。數(shù)據(jù)查詢模塊則可根據(jù)元數(shù)據(jù)，進(jìn)行跨系統(tǒng)的整合查詢。

該管理框架的大致的工作流程是，用戶或程序要對(duì)某個(gè)EIoT子系統(tǒng)進(jìn)行管理，元數(shù)據(jù)管理模塊首先查詢?cè)獢?shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)，元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)返回所查詢的元數(shù)據(jù)，然后管理模塊利用所查詢到的元數(shù)據(jù)，在EIoT子系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的管理功能。

中國(guó)科學(xué)院城市環(huán)境研究所多年來在廈門、紹興、瀘沽湖、錫林浩特等地部署了各種不同類型的EIoT子系統(tǒng)，由于是分期部署，各監(jiān)測(cè)站的采用的設(shè)備型號(hào)、技術(shù)類型、傳輸手段不盡相同， 這為統(tǒng)一管理帶來不便?；谠獢?shù)據(jù)的EIoT統(tǒng)一管理框架可以屏蔽各EIoT子系統(tǒng)的異構(gòu)性，并實(shí)現(xiàn)了通過統(tǒng)一的管理界面對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行快速感知與診斷，大大提高了對(duì)分布式部署的EIoT系統(tǒng)管控能力。

4 結(jié)語(yǔ)和展望

4.1 結(jié) 語(yǔ)

環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了新的方法，使得人們可以更快速并在更廣的范圍內(nèi)進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)。在各個(gè)地區(qū)部署不同的EIoT子系統(tǒng)是一個(gè)長(zhǎng)期演進(jìn)的過程。在這個(gè)過程中，接入系統(tǒng)的設(shè)備越來越多，且在感知層、傳輸層、應(yīng)用層使用的技術(shù)也可能不盡相同，這就使得EIoT有著無處不在的異構(gòu)性。這種異構(gòu)性為EIoT的系統(tǒng)的管理帶來了極大的難度。傳統(tǒng)的、分散式的EIoT系統(tǒng)管理方法僅適用于小規(guī)模、單個(gè)EIoT系統(tǒng)的管理，無法對(duì)多個(gè)EIoT系統(tǒng)進(jìn)行管理。另一方面，也形成了信息孤島，使得環(huán)境數(shù)據(jù)利用率不高。一個(gè)高效、穩(wěn)定、擴(kuò)展性好的EIoT管理系統(tǒng)對(duì)環(huán)境管理有著重要意義。

基于元數(shù)據(jù)的EIoT統(tǒng)一管理框架通過實(shí)時(shí)感知應(yīng)用層中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)異常狀態(tài)，一定程度上解決了EIoT系統(tǒng)異構(gòu)性帶來的管理難題。同時(shí)，該框架結(jié)合EIoT中適用于系統(tǒng)管理的元數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)EIoT系統(tǒng)的統(tǒng)一管理。統(tǒng)一管理框架通過元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)與事件監(jiān)測(cè)技術(shù)可以自動(dòng)感知異構(gòu)EIoT系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)為環(huán)境數(shù)據(jù)的整合查詢提供了基礎(chǔ)。基于元數(shù)據(jù)的EIoT統(tǒng)一管理框架可以有效地解決大規(guī)模異構(gòu)EIoT系統(tǒng)管理所面臨的擴(kuò)展性問題，同時(shí)提高了EIoT系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與數(shù)據(jù)利用率。

4.2 展 望

在基于元數(shù)據(jù)的EIoT管理方面，還有很多值得研究的方向。比如，如何實(shí)現(xiàn)EIoT統(tǒng)一管理框架對(duì)EIoT系統(tǒng)的精細(xì)化控制。EIoT統(tǒng)一管理框架中的事件監(jiān)測(cè)機(jī)制主要通過監(jiān)聽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層的數(shù)據(jù)異常事件來進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)的感知，這雖然解決了異構(gòu)性的問題，但無法獲得EIoT子系統(tǒng)中傳感器的具體狀態(tài)信息，而這些信息可以有效提高系統(tǒng)的可維護(hù)性與穩(wěn)定性。如何將這些信息納入EIoT統(tǒng)一管理框架將是我們未來一個(gè)研究方向。

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(編輯：占學(xué)軍)

Management of Heterogeneous Environmental Internet of Things Based on Meta Data

ZHENG Ru-bin1，2,3，WANG Hao-wei1, XU Tong1,3, ZHU Li-chen1,3

(1. Key Lab of Urban Environment and Health, Institute of Urban Environment, Chinese Academy of Sciences, Xiamen 361021, China; 2. Computer Engineering College, Jimei University, Xiamen 361021, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Environmental Internet of Things (EIoT) has been widely applied to environmental monitoring. The existing research of environmental monitoring based on EIoT mostly aim at specific location and specific problem without considering the management of many separate EIoT systems. With the growing number of EIoT system, how to

manage these systems centrally and effectively becomes concerned focus. The problem faced by step-by-step deployment of EIoT systems is the ubiquitous heterogeneity in the sensing layer, transmission layer and application layer of EIoT. Through analyzing the characteristic of environmental monitoring and EIoT system, the meta data that can be used for EIoT system management is extracted. A unified management framework of EIoT system is proposed to manage the heterogeneous EIoT system effectively. The heterogeneity problem can be solved by detecting the abnormal data in application layer and blocking the differences in sensing layer and transmission layer among various EIoT systems.

EIoT; environmental monitoring; meta data; heterogeneity; management framework

10.11988/ckyyb.20161262 2017,34(11):138-143,152

2016-11-30

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41571148)；國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2016YFC0501101)；福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目(JAT160255);福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2015J01264)

鄭如濱(1979-)，男，福建廈門人，講師，博士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境物聯(lián)網(wǎng)、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)，(電話)0592-6182451(電子信箱)rbzheng@iue.ac.cn。

王豪偉(1978-),男，河南鶴壁人，副研究員，博士，研究方向?yàn)槌鞘行螒B(tài)與環(huán)境物聯(lián)網(wǎng)，(電話)0592-6190694(電子信箱)hwwang@iue.ac.cn。

TP393

A

1001-5485(2017)11-0138-06