傳感器網(wǎng)絡(luò)的云計(jì)算技術(shù)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)，它將邏輯上的信息世界與客觀上的物理世界融合在了一起。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在越來越多的領(lǐng)域表現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

云計(jì)算是一種靈活的 IT 資源組織和提供方式。支持分布式存儲和并行處理， 其數(shù)據(jù)處理框架以本地計(jì)算方式處理大部分?jǐn)?shù)據(jù)而無須大量遠(yuǎn)程傳輸這些數(shù)據(jù)。

云傳感器

云傳感器集成了測量感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸和云端組件。它的特點(diǎn)是將傳感組件和聯(lián)網(wǎng)組件集成到一起，傳感器采集的數(shù)據(jù)直接上傳到云平臺，用戶直接從云平臺使用數(shù)據(jù)，節(jié)省中間傳輸處理電路的成本。

優(yōu)勢一：使用簡單，通電后用戶就可以通過電腦或手機(jī)直接讀取傳感器測量的數(shù)據(jù)；

優(yōu)勢二：云計(jì)算，云傳感器實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，云平臺可以利用實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，大數(shù)據(jù)處理的結(jié)果也可以反饋給云傳感器。最直接的應(yīng)用就是實(shí)現(xiàn)傳感器的在線動態(tài)標(biāo)定，利用大數(shù)據(jù)消除局部測量誤差；

優(yōu)勢三：方便客戶快速二次開發(fā)，省去復(fù)雜的云建設(shè)，節(jié)省成本。

基于云計(jì)算的無線傳感網(wǎng)

1、體系結(jié)構(gòu)

基于云計(jì)算的無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖所示。一組特殊節(jié)點(diǎn)分布于無線傳感網(wǎng)（WSN）區(qū)域，稱為云節(jié)點(diǎn)。云節(jié)點(diǎn)具有比傳感器更豐富的資源，有兩個(gè)功能。一方面，這些節(jié)點(diǎn)組成云， 是云的一部分; 另一方面，它們還可與傳感器進(jìn)行通信，收集附件傳感器的數(shù)據(jù)， 也稱為匯聚觸點(diǎn)( point sink) 。傳感器將感知數(shù)據(jù)發(fā)送到某一個(gè)匯聚觸點(diǎn)( 以多跳方式) ， 匯聚點(diǎn)再將數(shù)據(jù)存儲到云中。把數(shù)據(jù)發(fā)往同一個(gè)匯聚觸點(diǎn)的傳感器組成一個(gè)組，為了與 WSN中簇的概念相區(qū)分， 這種組為分區(qū)( zone) 。對傳感器而言，整個(gè)云表現(xiàn)為一個(gè)虛擬匯聚節(jié)點(diǎn)( virtual sink) 。

 2、分區(qū)傳感器組織

傳感器按照某種規(guī)則歸屬于一個(gè)分區(qū)。例如，傳感器可以加入到距離最近的匯聚觸點(diǎn)所代表的分區(qū)。每個(gè)分區(qū)中的傳感器可以是相同類型或不同類型， 它們構(gòu)成本地?zé)o線傳感網(wǎng)，且獨(dú)立于其他分區(qū)。所有本地?zé)o線傳感網(wǎng)通過云連接成一個(gè)整體。分區(qū)中傳感器可以采用平面結(jié)構(gòu)或?qū)哟谓Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組織。

多層 WMSN 結(jié)構(gòu)中，同種傳感器被組織在同一個(gè)層次， 構(gòu)成一個(gè) WSN; 低層 WSN 通過中心節(jié)點(diǎn)連接到高層， 高層的中心節(jié)點(diǎn)為低層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。同時(shí)，高層的中心節(jié)點(diǎn)也可以對轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而調(diào)度本層傳感器的活動， 如休眠或激活等。與傳感器一直處于激活狀態(tài)相比，這種工作方式減少了傳感器能量消耗。但另一方面使傳感器軟件的設(shè)計(jì)、維護(hù)變得更復(fù)雜。此外，中心節(jié)點(diǎn)要處理和轉(zhuǎn)發(fā)大量數(shù)據(jù)， 其能量消耗將更快。

在基于云的體系結(jié)構(gòu)上， 分區(qū)傳感器的另一種組織方式如圖所示。同種傳感器各自組成一個(gè) WSN， 并將它們的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚觸點(diǎn)( 若同類傳感器無法直接通信， 也可借助不同類型傳感器作網(wǎng)關(guān)) 。每種類型的傳感器構(gòu)成一個(gè)邏輯上獨(dú)立但物理區(qū)域重疊的 WSN， 這些 WSN 連接到同一個(gè)匯集觸點(diǎn)。數(shù)據(jù)處理軟件部署在云中( 不僅僅是這些 WSN 所連接的匯集觸點(diǎn)) 。收集各類感知數(shù)據(jù)并處理后，云可以( 通過匯聚觸點(diǎn)) 調(diào)度每個(gè)獨(dú)立 WSN 中的傳感器以合理方式運(yùn)行。與基于簇的單層結(jié)構(gòu)相比，這種組織方式在分區(qū)中實(shí)現(xiàn)，獨(dú)立 WSN的規(guī)模更小，傳輸效率更高，且控制信息仍具有全網(wǎng)視角。

3、云組織

云節(jié)點(diǎn)組成云時(shí)需要考慮下列問題: a) 云節(jié)點(diǎn)如何部署在 WSN 區(qū)域中; b) 云節(jié)點(diǎn)之間如何通信; c) 節(jié)點(diǎn)如何組織成云; d) 匯聚觸點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)如何存儲到云中，在云中處理。

云節(jié)點(diǎn)( 匯聚觸點(diǎn)) 位置的選擇依賴于無線傳感網(wǎng)中傳感器的分布狀況。理想情況下，匯聚觸點(diǎn)位置可以使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸操作最小化，可采用復(fù)雜算法進(jìn)行位置選擇。但由于 WSN 的動態(tài)特性( 拓?fù)渥兓?、路由變化、?shù)據(jù)生成位置和模式多樣等) ， 理想目標(biāo)很難達(dá)到。在傳感器均勻分布的情況下，一種簡單的方法是使每個(gè)匯聚觸點(diǎn)負(fù)責(zé)大體相等數(shù)量的傳感器的數(shù)據(jù)收集。

云節(jié)點(diǎn)必須相互通信以構(gòu)成云。云節(jié)點(diǎn)需要合理部署在WSN 區(qū)域中，工作在可管理的環(huán)境下， 因此可能存在網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。若存在有線網(wǎng)絡(luò)， 節(jié)點(diǎn)可使用 VPN 等方式進(jìn)行安全通信; 若存在移動通信網(wǎng)絡(luò)( 如 2． 5 G、3 G、LTE 等) ， 云節(jié)點(diǎn)也可以用這些網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連。但無線傳感網(wǎng)通常部署在無基礎(chǔ)設(shè)施的環(huán)境中， 自組織無線網(wǎng)絡(luò)是唯一可利用的通信方式。例如，可給云節(jié)點(diǎn)配置 IEEE 802． 11 協(xié)議棧，組成 Ad hoc 網(wǎng)絡(luò)。

傳感器數(shù)據(jù)上傳云端 

無線標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了翻天覆地的變化， 傳感器可以將大量的數(shù)據(jù)同步到云端，在需要時(shí)又可以隨時(shí)取用。人們認(rèn)識到了物聯(lián)網(wǎng)可能帶來的好處。 我們會見到各種各樣的解決方案，不過最后能活下來的還是那些更有用也更具性價(jià)比的產(chǎn)品。

通過無線連接，我們可以在多臺設(shè)備上訪問云空間， 下面是幾種將傳感器數(shù)據(jù)同步到云端的方式。

1、通過網(wǎng)線連接

這是最簡單的方式，它誕生于上世紀(jì)七八十年代，也是所有無線連接方式的鼻祖。傳感器中會搭載一枚微處理器，負(fù)責(zé)處理搜集到的數(shù)據(jù)，隨后再通過有線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳。另外，該處理器還可以修改或更新傳感器的某些功能。不過這種方式的限制性較大，因?yàn)椴豢赡苊總€(gè)地方都有網(wǎng)線。

2、通過手機(jī)網(wǎng)絡(luò)連接

手機(jī)網(wǎng)絡(luò)緊隨有線網(wǎng)絡(luò)誕生，并在上世紀(jì)八十年代初期有了初步的發(fā)展。該網(wǎng)絡(luò)也順理成章的成為了第一種得到廣泛使用的無線網(wǎng)絡(luò)。不過它的槽點(diǎn)也不少，首先，想要連接移動****，傳感器還是要通過網(wǎng)線連接手機(jī)或者在手機(jī)中植入專門的基帶（成本很高）；其次，上行無線****機(jī)需要很大的功率支持；最后，流量費(fèi)會讓人很肉疼。

3、通過遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)連接

早在1947年，監(jiān)管部門就開放了許多免許可的無線頻段，不過在當(dāng)時(shí)那個(gè)年代這玩意根本無人問津，直到上世紀(jì)九十年代手機(jī)出現(xiàn)，人們才真正意識到它們的價(jià)值。2003年，902-928 MHz和2400-2483 MHz兩個(gè)頻段又成了新寵，供最新的IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)使用。

上文提到過的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)也使用這些頻段，該網(wǎng)絡(luò)由許多小型低功耗的無線設(shè)備組成，這些無線設(shè)備彼此高度相連，可將來自邊緣區(qū)域的傳感器數(shù)據(jù)匯集到一個(gè)集合點(diǎn)，而這些集合點(diǎn)都與云端相連。這樣就保證了無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

4、通過無線路由器連接

我們熟知的802.11 Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)誕生于1997年，該標(biāo)準(zhǔn)使用2400-2483 MHz和5130-5835 MHz頻段。這兩個(gè)頻段對普通人的無線生活影響至深，在家里，公司或公共場所，這類路由器都隨處可見。

另外，還有一部分路由器較為專業(yè)，它們主要應(yīng)用于工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域。只要插上網(wǎng)線，路由器就能連接到云端，事實(shí)上，在生活中無線路由器是人們享受云服務(wù)最主要的通道。

隨著智能手機(jī)上Wi-Fi功能的出現(xiàn)，能直連路由器的傳感器也誕生了。這就意味著只要在路由器信號覆蓋范圍之內(nèi)，傳感器就可以隨時(shí)連接互聯(lián)網(wǎng)，省去了連接移動****的復(fù)雜過程。

5、通過手機(jī)連接

在現(xiàn)實(shí)生活中，有許多時(shí)候傳感器并不需要連接無線路由器，手機(jī)就能搞定一切。這樣，用戶還能直接與傳感器互動，獲取他們所需的信息。另外，許多應(yīng)用場景下并不需要遠(yuǎn)渡重洋傳輸數(shù)據(jù)，無線耳機(jī)就是其中一例。

這些數(shù)據(jù)傳輸可由藍(lán)牙完成，它與Wi-Fi相同，均工作在2400-2483 MHz頻段。該標(biāo)準(zhǔn)于1998年誕生，2003年它成了802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一部分，不過至今它還在繼續(xù)發(fā)揮自己的光和熱。

近日，技術(shù)人員們拿出了全新的低功耗藍(lán)牙技術(shù)（BLE），該技術(shù)功耗低，很適合速率較低或占空比較低的簡單傳感器。該技術(shù)為小型傳感器的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動力，那些原本需要無線網(wǎng)或手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的傳感器（如各類智能手環(huán)），現(xiàn)在可以直接與手機(jī)互動。

最近，技術(shù)人員還為傳統(tǒng)的Wi-Fi路由器加入了藍(lán)牙功能。這樣一來，搭載BLE技術(shù)的傳感器就可以直接通過路由器與云端相連，省去了連接手機(jī)這個(gè)環(huán)節(jié)。

隨著各類無線標(biāo)準(zhǔn)的不斷壯大，我們可以用更多的方式來推動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展了。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò)融合云計(jì)算技術(shù)，使傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)跟上了一個(gè)層面，所獲得的信息將大大增加，多種功能進(jìn)一步集成以致于融合，是必然的發(fā)展趨勢，這也將從側(cè)面促進(jìn)傳感器技術(shù)的發(fā)展。