1 引言
傳感器網絡是一個結合傳感器、協同感知、協同信息處理、無線通信與網絡、綜合信息服務等多種技術的綜合信息系統。它具有高度創造性、滲透性和帶動性，不僅在工業、農業、軍事、環境、醫療等傳統領域具有巨大的應用價值，還將在許多新興領域體現其優越性，如家庭、保健、交通等。作為物物互聯的重要支撐技術之一，它也將為移動通信帶來物物互聯的新業務，成為推動經濟發展與和諧社會的強大動力。
目前，傳感器網絡領域尚處于發展初期，我國的科研、產業進展與國際幾乎同步，大部分依托于科研成果，在部分領域有示范應用。但在已經實現的傳感器網絡中往往采用私有協議，尚缺乏完善的傳感器網絡標準體系，缺乏對如何采用現有技術標準的指導，在產品設計、系統集成時無統一標準可循，已經嚴重制約了技術應用和產業的迅速發展。為了實現泛在的傳感器網絡，要實現和核心網絡的融合，大量關鍵技術尚需突破，標準化將對于實現大規模應用網絡所需要的互聯互通起到至關重要的作用。標準是傳感器網絡產業化發展的制高點，各國掌握核心技術的公司和研究機構對標準的制定都非常重視。在目前的傳感器網絡領域，德州儀器、微軟、英特爾、諾基亞、霍尼韋爾、西門子等跨國公司正在開展相關技術標準的制定工作，我國也必須及時開展標準化工作，以避免我國傳感器網絡產業界再次成為產業鏈的最低端，淪為代工廠。所幸的是，我國傳感器網絡的技術、產業發展與國際基本同步，目前國際尚無完備的傳感器網絡標準體系，這為我國實質性參與該領域國際標準化工作、占領產業的制高點提供了一次難得的歷史性機遇。
傳感器網絡標準化研究將有利于鞏固現有技術、產業成果，規范、推動產業有序、健康發展；通過統籌安排，產學研用聯合攻關，對相關技術體制進行全面梳理，形成可行的技術標準體系，切入關鍵技術問題；通過“關鍵技術－標準化－應用示范－產業化－商用化”的漸進發展道路，保障傳感器網絡大規模應用的互聯互通，推動傳感器網絡迅猛發展；有利于推動我國實質性參與傳感器網絡國際標準化工作，擴大產業界在國際上的影響力。
2 傳感器網絡國際和國內標準化現狀
傳感器網絡涉及的技術領域和相關標準化組織較多，目前國際標準化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）的第一聯合技術委員會（JTC1）、國際電子和電氣工程師協會（IEEE）、國際電信聯盟（ITU）和互聯網工程師任務組（IETF）等國際標準化組織都在開展傳感器網絡標準相關的研究工作，但大多尚處于標準提案階段。其中，IEEE在為傳感器網絡提供支持的底層無線傳輸技術和傳感器接口的標準化研究等方面已取得一定進展；ITU-T的多媒體編碼、系統和應用（SG16）研究組開始進行泛在傳感器網絡（USN）應用和服務的研究，SG17研究組已開展USN安全框架的研究；IETF成立低功率無線個域網上的IPv6（6LOWPAN）工作組，已產生RFC4944（IEEE 802.15.4上的IPv6）和RFC 4919（問題陳述和目標）。目前，公認的可以被稱為傳感器網絡標準的只有IEEE802.15.4和Zigbee聯盟推出的傳輸、網絡、應用層協議標準，以及IEEE 1451。
IEEE802.15.4定義了短距離無線通信的物理層及鏈路層規范。基于IEEE802.15.4，Zigbee制定出網絡互聯、傳輸和應用規范。Zigbee技術具有功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、安全可靠、工作頻段靈活等諸多優點，目前是被普遍看好的無線個域網解決方案，也被很多人視為傳感器網絡的事實標準。Zigbee聯盟對網絡層協議和應用程序接口進行了標準化。盡管Zigbee技術試圖在傳感器網絡需求的網絡性能上（如功耗、成本、時延、安全等方面）可以提供一個解決方案，但從目前的應用情況來看，在可擴展性、能耗控制、網絡性能等方面還存在明顯的缺點。IEEE1451標準族是通過定義一套通用的通信接口，以使工業變送器（傳感器+執行器）能夠獨立于通信網絡，并與現有的微處理器系統、儀器儀表和現場總線網絡相連，解決不同網絡之間的兼容性問題，并最終實現變送器到網絡的互換性和互操作性。
為了在傳感器網絡國際標準的制定方面進行研究與探索，2007年ISO/IEC JTC1正式成立了傳感器網絡研究組（SGSN）。目前有22名專家，分別來自中國、法國、日本、韓國、挪威、英國和德國，以及其他組織的聯絡員。2008年6月，在中國上海召開了第1次全體會議，對傳感器網絡的應用需求、系統架構、協議、接口和安全等方面的提案進行了討論。2008年9月和2009年1月，我國分別組團參加了在德國和澳大利亞舉辦的第2次和第3次SGSN會議，實質性地參與了《ISO/IECJTC1傳感器網絡研究組技術報告》的編寫工作，并在很多章節做出了重要的貢獻。
我國傳感器網絡技術的研究首次出現在1999年中國科學院的《知識創新工程試點領域方向研究》中，幾乎與發達國家同步。國家自然科學基金委（NFSC）從2002年開始，連續資助了一系列有關傳感器網絡的研究，此外還啟動了“面向傳感器網絡的分布自分布系統關鍵技術協調控制理論”和“傳感器網絡系統基礎軟件及數據管理關鍵技術研究”等重點項目。國家重點基礎研究發展計劃（“九七三”計劃）也于2006年資助了“無線傳感網絡的基礎理論及關鍵技術研究”。國家高技術研究發展計劃（“八六三”計劃）于2006年開始在信息技術領域的通信專題下資助了10余項探索導向型項目，研究傳感器網絡的系統級技術；2007年啟動了“傳感器網絡嵌入式芯片設計”等目標導向型項目，進行節點系統關鍵技術的攻關。此外，科技部“十一五”國家科技支撐計劃也部署了相關應用示范項目，以促進傳感器網絡在環境監測和精細農業等方面的行業應用?！秶抑虚L期科學與技術發展規劃（2006—2020年）》在重大專項、優先發展主題、前沿領域均將傳感器網絡列入，其中重大專項“新一代寬帶移動無線通信網”已將其列為重要方向。
這些從基礎研究、科技攻關、示范應用等不同層次、不同角度開展的項目，帶動和加速了我國傳感器網絡研究的進程。統計數據表明，截至2008年底，我國申請的傳感器網絡相關專利435件?？梢哉f，上述前期探索性研究為我國傳感器網絡技術的進一步發展進行了必要的技術儲備，為國家標準的制定工作奠定了基礎。
2006年，全國信息技術標準化技術委員會成立了傳感器網絡標準項目組，組織國內的大學、科研單位和企業開展了標準研究工作，對《傳感器網絡標準體系》、《傳感器網絡協議棧》、《傳感器網絡智能傳感器接口標準》和《傳感器網絡安全服務》等標準項目進行了研究。2007年底，國家標準化管理委員會正式批準籌建傳感器網絡國家標準工作組，組長單位是中國電子技術標準化研究所，秘書處單位是中國科學院上海微系統與信息技術研究所。目前，工作組由國內50余家成員單位，70多位專家組成，匯集了包括國內傳感器網絡領域產學研用的各方力量，旨在整合國內科研院所和產業界的優勢力量，共同進行傳感器網絡國家標準的制定，全面推動傳感器網絡的產業發展。同時，依托該組織，也可將國內相關優勢單位聯合起來，明確分工，統一協調工作，積極提交國際標準提案，多方進行國際交流和溝通，促進我國在傳感器網絡國際標準化工作中占據重要地位。
3 傳感器網絡的標準體系研究
通過對傳感器網絡產品的生產商、電信運營商、用戶等開展廣泛的調研，同時分析梳理ISO，IEC，IEEE，ISA，ITU-T和IETF及Zigbee聯盟等組織的標準。對于已經成熟、滿足傳感器網絡應用需求、知識產權開放的標準，可以直接采用或進行裁剪。對于傳感器網絡產品開發與應用有特殊需求、國內擁有先進技術成果和自主知識產權的領域，則需要以自主制定為主，且保持與已有標準最大程度的兼容、銜接。根據以上原則，我們結合傳感器網絡產品研發和應用需求，提出傳感器網絡標準體系框架（見圖1）。
圖1 傳感器網絡標準體系架構
（2）應用子集標準：主要包括公共安全、農業、環境保護、智能交通、醫療和家庭看護、智能房屋、工業監控、太空探索、軍事和水利安全等與具體應用相關的輪廓標準。
在國家標準的制定過程中，應當走積極采用與自主制定相結合的技術路線，充分利用以上國內外先進成果，在此基礎上根據我國傳感器網絡產業發展與應用的特色需求，通過國家標準工作組將國內相關優勢單位組織起來，明確分工，統一協調工作，開展自主標準的制定，以形成完整的自主創新傳感器網絡標準體系，為實質性參與國際標準的制定奠定良好的基礎。
此外，我們將在科學研究的基礎上，規劃傳感器網絡的標準化工作，根據傳感器網絡與應用密切相關的特點，按照技術基礎標準和應用子集兩個層次，提出引用現有標準、裁剪現有標準或制定新規范等策略，形成包括體系架構、組網通信協議、接口、協同處理組件、網絡安全、編碼標識、骨干網接入與服務等技術基礎規范和產品、應用子集類規范的標準體系，并通過標準體系指導標準制定工作，為今后產品研發和應用開發中對標準的采用提供重要的支持。
從傳感器網絡的特點可知，它是一種需要支持縱向（應用和服務）和橫向（系統內部）需求的新型系統?？v向上看，傳感器網絡標準必須能夠涵蓋所有系統的共性特點以支持各類應用和服務；橫向上看，傳感器網絡本身具有可擴展性、傳感器的廣泛性以及協議算法的不確定性等。這都對傳感器網絡標準的制定提出了很高的要求，同時也帶來了較高的難度。
由于系統架構是進行任何系統設計的首要前提，傳感器網絡需要一種具有框架支撐作用，且有效、可靠、可擴展性強的科學系統架構，可以提取許多傳感器網絡應用之間在元素、組件、模塊、功能等的共同性，同時也提取應用之間的差異性，并且可以標識傳感器網絡中特定的標準化需求領域，并且標識任何可能應用于傳感器網絡的現有標準，還可將接口、數據類型、節點間的鏈路、所需的各個通信層等進行形象化表示，以及將傳感器網絡標準化處理進行歸檔和提供可以表示傳感器網絡的架構模型。
傳感器網絡及其應用是一個不斷發展和更新的領域，應用的多樣性和特定性決定了其系統架構必須具備兼容性、靈活性和可擴展性等特點。針對傳感節點類型多，感知處理模式、數據流量特征、通信環境差異大，QoS要求范圍廣等特點，需要對各類應用進行最大程度的共性抽象，以使此系統架構能夠最大程度地符合傳感器網絡廣泛應用的一般要求。
傳感器網絡的應用類型過于廣泛，在其標準的研發、設計過程中較難有效地協調網絡應用特定性和系統普適性的矛盾關系。為了解決傳感器網絡標準化進程中可能遇到的若干問題，需要研究建立一個科學、完整的傳感器網絡標準體系和系統架構。這種系統架構的設計水平將決定傳感器網絡標準化進程中的技術細節、應用模式和發展趨勢。
目前，已有一些標準化組織和專業機構提出了多種系統架構模型，比如美國國防部體系架構（DoDAF），英國國防部體系架構（MoDAF），開放組織體系框架（ToGAF），結構化信息標準推動組織（OASIS），開放系統互聯參考模型（OSI）等，但由于各自的針對性不同，這些系統架構的定義和思想并不統一。傳感器網絡系統作為一種全新的異構信息系統，需要選取合適的頂層規劃原則進行傳感器網絡系統架構設計。
經仔細研究，我們采用了ZACHMAN框架，原因在于通過該框架，可以建立起一套完整架構的要素。從這個要素列表來看，對基于被置入ZACHMAN要素表信息的任何框架，可以用其創建多種架構。圖2給出了用于企業架構的ZACHMAN框架的頂層描述。此框架從多個角度提出了6個問題（即什么、怎樣、哪里、誰、何時和為什么）。在每個項目開始時，每個問題基于項目執行者的角度（比如所有者、建筑師、建造者等）、項目執行者的視點和該架構的思想提出若干子問題。因此，創建這樣一個架構將是非常有價值的，而且在創建此架構的過程中，基于每個角度的每個問題都需要進行仔細考慮。
5 結束語
由于應用領域非常廣泛，在傳感器網絡標準的研發、設計過程中不可避免地會遇到網絡應用特定性和系統普適性的矛盾關系。作為必不可少的頂層設計和路線指南，標準體系和系統架構的研究在傳感器網絡標準制定過程中占據著極為重要的地位，關乎傳感器網絡標準制定的方向和成敗。本文對傳感器網絡標準體系和系統架構的研究工作進行了簡單探討，指出只有在對標準體系和系統架構進行研究的基礎上，我們才能提出引用現有標準、裁剪現有標準或制定新規范等策略，形成全面覆蓋基礎技術標準和應用子集標準的統一標準體系架構，指導標準制定工作，支持產品研發和應用開發中對標準的采用，從而推動產業化、商業化和行業的應用進程。