原创 科学仪器网络模型

图1 科学仪器网络架构

科学仪器网络架构如图1所示，网络中的核心元素包括如下几大部分：

1，      仪器终端。伴随着电子信息技术、半导体工艺技术的快速发展，科学仪器小型化是一大趋势，仪器的小型化会促使贵族仪器平民化，使得科学仪器技术走进千家万户，服务于人类的社会生活。小型化的仪器设备会嵌入到手机终端或者作为一个设备单独存在，这种设备称之为“仪器终端”。仪器终端完成分析信号的采集，并且进行初步的数据预处理，然后通过特定的入网协议加入到科学仪器网络，并且将数据传输给“分析、计算服务中心”进行处理。处理之后的结果再反馈给仪器终端。仪器终端实现了传统科学仪器的信号获取功能，其余功能由科学仪器网络中的其他单元来实现，例如分析服务中心。

2，      分析、计算服务中心。分析、计算服务中心是网络的“大脑”，其承担了科学仪器数据计算、分析处理的功能，是网络中的专家系统。通过专家系统的处理、分析，然后再将结果反馈给仪器终端。在测量、分析过程中，服务中心会根据仪器终端的状态信息，给出一些测控指令，指导仪器终端的工作。分析、计算服务中心与仪器终端构成了传统科学仪器的基本元素，从而打造了网络即仪器的设计理念。

3，      仪器传感子网。科学仪器测量服务的领域不断扩展，计算技术、网络技术、半导体技术的发展促使科学仪器向分布式、网络化的方向发展。传感子网是科学仪器前端分布式信息源，可以很好的服务于环境、工业生产、地质灾害监测和资源勘探等应用领域。仪器传感子网种类繁多，根据不同的分析、测量业务的需求，仪器传感子网的网络拓扑架构有所不同，网络的传输协议、算法有所侧重。目前，还没有一种网络协议能够完全满足所有科学仪器传感子网的应用需求。

4，      监控、调度中心。监控、调度中心是科学仪器网络的执行单元，通过该中心一方面可以完成科学仪器本身状态信息的监测；另一方面提供监控业务服务，当特定事件发生之后，可以迅速做出反应，实现资源调度。例如，该中心可以完成地质灾害监测任务，当系统监测到灾害信息时，可以及时发出预警，向其他单位发送灾害处理信息。

5，      电子档案中心。电子档案中心是科学仪器网络的记忆单元，其为相关业务提供分析、测量结果的高效存储、快速检索、对比分析的功能。例如，通过仪器终端对个人的健康状况做全面测量，在分析、计算服务中心的帮助下得出分析报告。报告数据一方面发送给用户，另一方面直接发送给档案中心备案。通过长期测量之后，分析服务中心在档案中心的帮助下实现用户健康数据的历史比较，从而更加科学的评判个人的健康状况。

6，      大型实验室科学仪器。大型实验室科学仪器具有分析精度高、测量范围广等优点，其作为离线分析设备长期存在。大型实验室科学仪器通过科学仪器网络实现仪器共享，并且完成科学仪器工作状态监测等功能。大型实验室科学仪器作为相对独立的网络节点存在。

科学仪器网络——“网络即仪器”

从上述的网络架构可以看出，整个网络就是一个庞大的科学仪器系统，网络即仪器。仪器终端、传感子网构成了科学仪器系统的“五官”，完成分析信号的获取；分析、计算中心是科学仪器系统的“大脑”，完成分析信号的处理、解释；电子档案中心是科学仪器系统的“记忆”，完成分析、测量结果的存储和检索；监控、调度中心是科学仪器系统的“四肢”，完成业务事件的监测、资源调度；网络互联系统是科学仪器系统的“神经”，完成了各部分之间的高效数据传输。由此可见，科学仪器网络不是科学仪器设备之间简单的网络互联，而是网络中各节点为了达到业务需求相互配合，有机组合，从而构成一个完整的仪器功能。

科学仪器网络与物联网之间的关系

物联网包括科学仪器网络，物联网是一个很宽泛的概念。物联网最大的特点在于其是一个多业务支持的网络。

由于科学仪器本身的一些特性所限，目前，物联网领域研究的网络协议规范、网络拓扑架构以及网络接入协议都不能完全满足科学仪器的需求。例如，大范围地震勘探子网无法采用物联网研究成果，需要研究适合该业务需求的网络架构和协议。但是，物联网领域的一些成果可以被部分科学仪器应用所采纳，例如，大面积水质实时监控可以采用物联网领域所研究的低功耗、自组织动态路由协议及其相关的Mesh网络拓扑架构。

总的来说，科学仪器网络是对当前物联网研究的一个有效补充，是针对科学仪器应用领域提出的一种新型网络，其包含自己独有的网络协议及系列子网标准。

科学仪器网络的优势

与传统科学仪器相比，科学仪器网络存在不可替代的三大优势：

1.    提供更加广泛的业务。随着微型化、智能化技术的发展，科学仪器网络的建设可以将科学仪器从实验室应用、工业应用扩展到家庭应用，应用空间大幅提高。与传统科学仪器相比，科学仪器网络中的资源大幅提高，功能大为增强，能够更好的满足不同业务的需求。

2.    资源、数据的有效监管。科学仪器在食品安全、环境监测等方面有大量应用，传统科学仪器采用抽样、离线分析方法，科学仪器网络可以实现实时、在线分析，并且可以对仪器本身进行有效监管、校正，从而可以更加有效、科学的完成质量监督、管理等任务。

3.    系统集成平台。科学仪器网络是一个系统集成平台，网络即仪器，但网络不仅仅实现几种仪器的功能，其更是一个具有很强扩展性的系统集成平台，通过这个平台可以快速实现所需的科学仪器功能。

关键技术分析

网络接入协议规范（标准）制定

科学仪器网络的核心网基于成熟的IP分组网络，所以核心网的基础设施无需重复建设，网络建设的重点在于网络接入协议规范（标准）的制定和标准化。

图2 科学仪器网络分层协议规范

如图2所示为科学仪器网络的分层协议规范。其主要包括如下几个部分：

1、      仪器应用层（Application Layer，AL）。该层主要实现仪器数据库检索、服务应用软件等功能，该层的具体内容根据不同业务的需求进行定义。为了达到不同软件互操作的目的，仪器应用层需要根据不同业务类型，定义符合应用需求的上层应用接口协议，包括仪器命令格式定义等内容，不同功能仪器之间会有所差别。仪器应用层的协议规范是面向不同仪器功能的标准，不在科学仪器网络建设讨论的范围之内。

2、      仪器网络接入层（Network Access Layer，NAL）。仪器网络接入层的标准化是科学仪器网络建设的核心任务。仪器网络接入层主要完成仪器应用业务的QOS保证、安全访问认证、入网管理、连接管理等功能。主要包括三大子层：业务汇聚子层、安全子层和管理子层。业务汇聚子层与仪器应用层接口，实现不同业务服务质量的保证，科学仪器应用繁多，不同应用对网络需求存在较大差异，对实时性、带宽需求有所侧重。业务汇聚子层对不同业务的需求进行了考虑，满足了不同业务的需求。安全子层实现科学仪器网络中各设备互联之间的安全鉴权机制，保证业务数据的安全。管理子层完成设备的自动、无缝入网，并且对科学仪器网络管理命令、机制进行了标准化。

3、      网络传输层（Network Transmission Layer，NTL）。网络传输层实现了网络数据的端到端可靠、高效数据传输，科学仪器网络架构在广泛使用的IP分组网络的基础之上，因此，科学仪器网络的数据传输层可以采用现有的网络协议标准，例如TCP/IP协议栈、ATM面向连接的协议规范。

4、      物理层（Physical Layer，PL）。物理层完成面向不同通信介质的高效数据传输，可以包括无线Wifi，Wimax，LTE等宽带通信技术，也可以采用Ethernet、USB等有线传输方式。物理层及网络传输层协议规范都可以采用现有技术，在科学仪器网络建设中无需考虑。

面向科学仪器的系列传感子网协议规范

传感子网是科学仪器网络的一部分。目前，物联网的研究成果无法满足诸多科学仪器传感子网应用的需求。物联网中很多传感器网络的研究重点在于低功耗，因此，面向低功耗、低速的MAC协议无法实现科学仪器传感子网中的高速数据传输的需求，很多科学仪器传感子网需要根据自身业务的特点设计满足要求的网络拓扑结构和MAC组网协议。

图3演示了一个分层的分布式大型传感子网的网络拓扑图，可以在地震勘探等领域进行应用。

图3 分布式大型传感子网

该传感子网可以分为测控子网层和基站子网层，测控子网层有一系列的测控簇构成，每个测控簇中有一个数据传输基站，并且与基站子网层中的基站互相通信。根据传感子网的规模以及对通信速率的需求，基站子网层的数量可以进行调整。上述网络是一个树型网络，网络可扩展性很强，对动态路由的需求相对较弱，对数据传输性能等要求较高。在分布式、大规模地震勘探中可以采用该种子网架构，但是需要设计符合该类应用的网络通信协议，无法直接应用物联网现有成果。

  科学仪器网络的传感子网种类繁多，因此，需要根据业务特点和实际需求情况研究满足应用需求的传感子网协议规范。

仪器数据库、电子档案格式标准化

  科学仪器网络中的“记忆”载体是仪器数据库和电子档案。数据是信息的载体，标准化的数据才能被广泛应用，才具有价值。因此，在科学仪器网络建设过程中需要将仪器数据库及电子档案数据格式进行标准化。