Калантаев П.А.   Пяткин В.П.  

Cенсорная сеть природных явлений в технологии Web-семантических баз данных

Reporter: Калантаев П.А.

1. Введение

Сегодня технология беспроводных сенсорных сетей (WSN - Wireless Sensor Network - "сенсорнет" ) - единственная сетевая технология, решающая задачи мониторинга окружающей среды, критичные к времени работы датчиков. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть датчики образуют территориально-распределенную самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров физических сред и объектов окружающей среды. Область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких десятков километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.

2. Архитектура сенсорной сети и функционирование системы

Для исследования выбрана типичная архитектура сенсорной сети "клиент -сервер -шлюз -сенсор", использующая XML - протокол интерфейса между модулями сети. Модуль-сенсор (включает один или несколько датчиков) производит измерения параметров среды, частичную обработку и связь с внешним миром. Блок связи с модулем-сенсором (шлюз) обеспечивает цифровую радиосвязь и управление сенсорами, сохранение и предоставление данных сенсоров по запросу "клиентов" и "сервера". Сервер эксперимента собирает данные с одного или нескольких шлюзов, обеспечивает формирование семантики данных и выдает данные по запросу с рабочих мест исследователей. Рабочее место исследователя ("клиент") обеспечивает управление системой, отображение, частичную обработку (семантики в том числе) и сохранение экспериментальных данных для детальной обработки. XML - протокол интерфейса между модулями сети обеспечивает универсальность и гибкость ПО управления сенсорной сетью, а также сжатие трафика с использованием априорной информации.
Описание функционирования системы:
- система опрашивает доступные шлюзы сети и определяет для них количество и тип устройств, с которыми есть связь;
- для каждого найденного сенсора в семантической базе данных отыскивается его описание - параметры и ссылка на исполняемый код обработки данных с этого сенсора;
- если данный частный тип сенсора не требует собственного кода обработки или код недоступен, будет использован код от более общего типа сенсоров (суперкласса), включающего данный подтип;
- по параметрам сенсоров, описанным в семантической базе данных, генерируется интерфейс пользователя, позволяющий настраивать эти параметры. При этом параметры также могут быть типизированы, что позволяет настраивать их в соответствии с их смыслом (например, контролировать граничные значения в соответсвии с текущими значениями параметров внешней среды -температуры, влажности, освещенности и т.д.).

3. Семантическая база данных моделирования сенсорной сети

При разработке управляющей системы сенсорных сетей мониторинга окружающей среды предполагается множество различных типов модулей, отличающихся используемыми сенсорами и режимами работы. Сенсорные сети, с точки зрения области применения, являются частным случаем стандартизированных сетей мониторинга и контроля со сформировавшимися стандартами. В этих стандартах сенсоры разделяются на классы с возможностью для управляющей программы управлять сенсором, зная только его класс, независимо от его детальных технических характеристик. В проекте применен подход моделирования элементов сенсорных сетей при помощи технологий Web-семантических (Symantec Web) баз данных [1]. В рамках этого подхода метамодель предметной области сенсорной сети включает в себя такие понятия, как устройство, сенсор устройства, конфигурируемые параметры сенсора и модуля. Web-семантические базы данных дают возможности совершенствования и описания на языке RDF [1] как модели, так и метамодели предметной области, при сохранении совместимости снизу вверх. Язык RDF (Resource Description Framework - модель описания метаданных) позволяет описывать не только предметную область сенсорной сети, но и прикладные предметные области (например, природных ресурсов). При этом программное обеспечение опирается на обобщенную (абстрактную) модель предметной области, расширяемую в модели описаниями допустимого набора сущностей конкретной области и их взаимодействий.

4. Заключение

На текущем этапе проекта разрабатывается: 1) на языке RDF модель Web-семантической базы данных по управлению сенсорной сетью окружающей среды, 2) на языке Java модуль-имитатор сенсорной сети на Web-сервере, 3) интерфейс пользователя для управления параметрами устройств сети. Подобная система поставляет управленческую информацию о текущем и прогнозируемом состоянии природной среды и экологии с целью принятия решений по предотвращению катастроф и катаклизмов, что, собственно, и является основной задачей экспериментальных исследований. На следующем этапе проекта разработанное ПО планируется адаптировать к сенсорной сети мониторинга состояния городских лесов. Результатом проекта в целом будет новая сетевая технология поддержки широкого спектра фундаментальных исследований окружающей среды, основанная на интеграции возможностей распределенной обработки данных в среде Интернет и технологии сенсорных сетей.
Работа выполнена частично при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, проект № 10-07-00131-a.

Список литературы

1. П.А.Калантаев. Семантическая организация пространственных данных. // В сборнике трудов Международной Конференции "ИНТЕРКАРТО - ИНТЕРГИС 11 Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт" 25 сент.-3 окт. 2005 г.,Ставрополь-Домбай-Будапешт, изд-во СГУ, 2005 г., с.92-96.
2. П.А.Калантаев, В.П.Пяткин. Web-семантическая сенсорная сеть мониторинга окружающей среды // Труды Международного научного конгресса "ГЕО-Сибирь-2010", 19-23 апреля 2010, Новосибирск, Россия, т.3, ч.1. "Дистанционные методы зондирования земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология.",
с. 43-51.


To reports list