第2章传感器网络服务和智能电网概述

第2章传感器网络服务和智能电网综述2.1简介本章对本文相关的技术和概念进行了综述。第一个章节将会介绍传感器WS网络和智能电网应用的研究现状。2.2对传感器网络服务做了综述并指出其局限性。2.3简要介绍了智能电网应用和系统。第2.4节介绍了WS与智能电网的整合，展示了在传感器节点中WS的运行能力。2.2传感器网络服务万维网对WS的定义如下：“WebService技术，能使得运行在不同机器上的不同应用无须借助附加的、专门的第三方软件或硬件，就可相互交换数据或集成。依据WebService规范实施的应用之间，无论它们所使用的语言、平台或内部协议是什么，都可以相互交换数据。WebService是自描述、自包含的可用网络模块，可以执行具体的业务功能。WebService也很容易部署，因为它们基于一些常规的产业标准以及已有的一些技术，诸如标准通用标记语言下的子集XML、HTTP。WebService减少了应用接口的花费。WebService为整个企业甚至多个组织之间的业务流程的集成提供了一个通用机制。”WS已经成为在Web的企业应用程序广泛使用的工具。其中主要的一个优势是该平台是独立的，这使得它可以应用于大型系统环境中，例如互联网。此外，协议和数据格式便于开发人员理解和处理。并且它具有足够的灵活性，允许服务在不同的系统中重复使用。因为上述原因，WS可以应用在像传感器节点那样的受限设备中，因为它们可以提供远程控制和数据收集。除此之外，WS与传感器节点的整合具有以下优点：1：与其他应用程序的互操作性。该应用程序可以灵活方便地与其它应用程序简单的整合在一起。因此，开发人员不必知道有关应用程序的执行，只需知道应用程序的接口和参数使用。2：改善了系统的开发。通过WS所产生的WSDL文件里有所有WS应用的信息，如传感器的所有信息解决的方法名称和参数。因此，可以很容易地使用由高高级语言开发工具，如NetBeansIDE和.Net。3：易于与企业系统合成。由于许多互联网应用系统都使用WS，传感器节点WS易于与任何Web应用程序合成。以这种方式，在线的互联网用户可以获取许多物理传感信息。传感器网络设想将变成现实。在本文的设计中，房主可以从外部查询他/她家的用电量。4：直接把WS应用在传感器节点上，不用再通过网关跟传感器节点进行通信，因为所有的消息和协议在传感器和机器上都是相同的格式，并且不需要到该设备的平台之间进行转换。另一方面，使用WS在资源受限设备，诸如传感器节点，可能会遇到一些挑战。首先，WS消息的有效载荷包括XML数据，TCP/IP和HTTP。他们很容易超过传感器节点的运行能力。另外，即使XML是一种广泛支持通讯的工具，它的内存相比传感器节点相比也是过大。（例如，Pacemate传感器网络硬件平台内存为32KB）。另外，代码和编译器的大小必须适合传感器存储器。最近的研究工作为解决上述的各种挑战而进行了研究，把WS应用在传感器节点上。这些研究的主要目标是自定义WS以适合传感器节点的限制。为了自定义WS，并使其适用于资源受限的设备，就需要重建组件和组成WS的协议。主要组件有：XML数据结构，Web服务描述语言（WSDL），和TCP/IP协议。下面，本文将介绍传感器在万维网中的使用，XML文件的压缩，传感器的WSDL文件中不必要的部分的减少和重新格式化，并且还将介绍在网络层中与使用TCP/IP的传感器节点的互操作性。IrisNet提出了一种体系结构，使用一个异构传感器网络连接到网页，遍布世界各地的数百万的分布式节点连接网络，因此用户可以得到具体的数据。这些工作是基于一个不受限的网关节点实现的。这个模型是根据传感器网络理论。传感器网络简单地说，是一组分布式，无线连接的传感器节点，可以用来监控和探测环境。然而，有时传感器节点是指连接到万维网（）的传感器节点。在本文的工作中实现的系统是传感器网络。由于节点安装在家庭用户中，它们有能力收集设备上的数据，并要求设备来执行特定任务。此外，所有该传感器是通过互联网连接一个用户可以登陆的web服务器。XML是组成WS信息的数据类型，它是一种广泛使用的，并且独立于机器的语言，这使得它成为多平台的理想工具，如互联网。另一方面，把XML用于传感器节点上仍然众多问题，因为XML产生的文件体积较大，超出传感器节点进行处理的能力。因此，一些研究致力于压缩XML文件，并尽量减少其尺寸和载荷;Xenia是一种用来压缩XML文件的压缩工具，根据编译XML模式描述时间减小XML文件的体积。另一个压缩无线传感器网络（WSN）的XML文件是microFibre，这个工具不仅压缩XMLscheme，也压缩在存储器中的XML位数据类型。另外microFibre独立的平台，这意味着它可以在网关和传感器节点中使用。SensorML用xml语言描述传感器节点的系统。由XML描述的程序可以被发现并执行，而且所有程序定义它们的输入，方法和输出。其他研究也开发了新工具来压缩XML文件，该工具可以被用来压缩在传感器节点上的xml文件。Augeri等人分析了XML压缩工具，并明确了在选择压缩机时的关键因素。还有的研究对XML树结构的压缩进行了讨论，他们工作的设想是要压缩的XML文件的树结构的一部分，而不是数据内容。然而，本文使用的是下面的XML压缩技术。该方法用压缩的名称替换传感器节点所定义的方法名称和参数名称。举例来说，方法名（getMeterReading）是15个字节可以被替换为像（GtMetRdng）一个较小的9个字节的方法名。如前所述，WS的传感器节点的实现必须重新设计网络层协议，这样传感器节点和连接的设备既能互相通信，并发送信息。八位微控制器TCP/IP协议则保持像前面所述的相同的功能，但它最大限度地减少了TCP/IP栈和应用程序的界面。有些研究则展示了如何自定义TCP/IP协议，以适应无线传感器网络。通过提供一种半唯一的IP地址到传感器节点，他们推出了在无线传感器网络应用空间IP地址分配方案。对于网络协议，本文假设可以使用8位的TCP/IP协议，并且为传感器节点的IP地址是手动配置。Priyantha等人提出的WS的设计方法促进了传感器系统的发展。该方法的设计灵活，允许其他节点添加到该初始部署。他们重新设计网络和程序来符合传感器网络的要求。TCP/IP协议的系统开销包括发送的字节数和数据包发送的数量，并且由于TCP/IP协议造成的延迟是很可观的（用10B的TCP/IP发送原始数据，则数据包要承载40B的TCP/IP头）。因此，研究者们想出了一些技巧来优化TCP/IP协议，以适应传感器节点：1：持久的TCP连接。由于压缩的应用程序将使用在传感器节点的WS中，客户端应用程序将更有效得与与传感器节点保持开放式的连接。所以当客户端从传感器WS请求数据时，就没有必要每次都建立一个新的连接。因此，TCP/IP传递的数据量就将减小。在图2.1中，持续性的TCP就不需要确认信息（ACK），因此，延迟减少了（231-25）=206毫秒。图2.1：TCP消息交换延迟2：关闭TCP的延迟确认：在常规的TCP中，每个数据包都被收存在主机，在发送确认之前TCP启动200ms定时器，如果在时间失效前收到另一个数据包，确认信息将被发送。但是，这种工作机制适合应用于拥堵的网络，而在传感器网络WS只有几个消息通过网络发送，因此，关闭TCP延迟确认会减少TCP的延迟。图2.2显示了在图2.1中同样的信息在关闭延迟确认后的情况。图2.2：禁用延迟确认后TCP信息交换延迟的情况3：链路层重传：TCP协议使用重传机制从而保证了端到端的可靠性，但是这可能会导致明显的延迟。在图2.3中，数据包5丢失，TCP重传它需要花费（2989-20）=2965毫秒。图2.3：关闭延迟确认TCP消息交换延迟的情况在无线网络中，由于无线网络丢失数据包的机率比有线网络高，这种机制是没有效率的。因此，我们可以利用链接层自动重复请求（ARQ）：停止和等待，返回n,和选择又开始重复。使用这些技术，可以确保更快的连接，并避免了TCP超时。4：TCP消息的低功耗模式：在数据包传送时，一直打开无线电信号将导致能量开销。为了减少能量损耗，无线电在TCP数据包传输过程中被关闭。5：链路层碎片：通过把每个数据包分割成较小的数据包再发送，这样会减少信息传递时间和功耗。传感器节点集成到业务流程已经成功完成。业务流程被定义为一组活动，每个活动都使用一个WS。有研究者在正在执行业务流程的传感器节点使用业务流程执行语言（BPEL）。除此之外，他们已经创建了SOAP-压缩信息技术(SCM)和LTP。图2.4介绍了WS标准栈，强调了SCM和LTP如何与原始堆栈相配。在本文研究中，系统执行业务过程，同时，每个应用程序都在执行任务，如抄表或远程家电控制。但是，本文没有使用PBEL而是使用了NetBeansIDE来实现了WS，因为它是更高效和简单的处理WS工具。图2.4：扩展的Web服务技术堆栈两个可以在WS中使用的协议是：简单对象访问协议SOAP和具象状态传输REST。SOAP是一个轻量级协议，被用来在分散的环境交换结构化信息。它使用XML文件格式来交换数据。另一方面，REST也使用轻量级协议在分散环境中交换数据。但是，REST不使用XML作为一种数据格式，它是无状态协议。Y.Dogan提出在IP多跳网络中使用REST风格的WS。此外，他比较了REST与SOAP在效率和功耗方面的差别，结果显示使用REST比SOAP更有效。然而，SOAP仍然是在WS一种广泛使用的协议和并能与其他应用程序相兼容，而且它易于实施和使用。以服务为导向的传感器网络的编程模型已经设计完成。Amundson等人提出了一个模型，可以添加和访问任何WS。他们假定传感器网络应用是一个定义良好的模块化接口图和自主服务，它们能被描述，发布，发现，并调用在网络上。这将从异构传感器系统为集成服务提供了一个方便的方法。G.Moritz提出了一个在低功率器件上沟通机制的架构。它们靠RESTfull基于HTTP来实现WS。在此外，他们还提出了新兴蓝牙低功耗技术的体系结构与RESTfull设备运输连接。为了解决多用户在基于互联网的数据密集型的传感器网络DINS上数据的查询，Takahashi开发了一种LiteWS，一个WS系统，旨在提升DINS多用户查询。LiteWS使用一个简单的高速缓存技术来处理多请求，以减少系统中的分组丢失率。本文将设计一个系统，让服务器同时访问一个节点，所以不会发生拥堵。2.3智能电网和智能家居技术图2.5：智能电网概念在过去的几十年里，电网面临着一系列的挑战。首先，将对能源的需求不断增加。预计能源需求到2020年将翻一番。其次，化石燃料资源减少，世界正在寻求其他能源资源。第三，二氧化碳因为燃烧化石燃料而数量激增，必须要减少二氧化碳的排放。因此，改善和提高目前的能源网变得至关重要。智能电网能够更有效，经济，安全，可持续的生产和分配能源，。智能电网能把目前的技术和设备和电网集成在一起，从发电到输配电客户家，整个过程都使用智能设备和先进的检测工具。此外，还使用双向通信机制控制和监视家用电行为。图2.5说明了智能电网和其相互作用的主要组成部分。智能电网的实施包括如下三个主要步骤：1：安装具有双向通信能力智能电表，连接电力公司和消费者。2：实现网络基础设施，以连接所有的参加单位并实时传输数据。3：开发一个可管理的电网组件的应用程序。在这些步骤中，智能电表可以收集，测量，处理和分析消费者的能源消耗，它们能够远程抄表并且可以以无线方式与其他电网组件通信。另一方面，智能电网传感器网络的集成提供了新的应用和服务。例如，用户可以远程访问系统，他们可以控制电力消耗。此外，当消费者选择加入该系统，允许电力公司远程控制他们的电器的时候，电力公司可以与传感器通讯来查询影响电网运行的一些必要的信息。传感器网络的WS是可以在需求侧能源管理（DSEM）的应用的大有潜力的工具。2.3.1智能电网概念智能电网吸引了大批的研究人员。本节将讨论智能电网应用的概念和技术，还将介绍已经出现在智能