傳感器網(wǎng)絡(luò)的云計算技術(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:云計算,云傳感器實時聯(lián)網(wǎng),云平臺可以利用實時的傳感器數(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。
基于云計算的無線傳感網(wǎng)
1、體系結(jié)構(gòu)
基于云計算的無線傳感網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖所示。一組特殊節(jié)點分布于無線傳感網(wǎng)(WSN)區(qū)域,稱為云節(jié)點。云節(jié)點具有比傳感器更豐富的資源,有兩個功能。一方面,這些節(jié)點組成云, 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( point sink) 。傳感器將感知數(shù)據(jù)發(fā)送到某一個匯聚觸點( 以多跳方式) , 匯聚點再將數(shù)據(jù)存儲到云中。把數(shù)據(jù)發(fā)往同一個匯聚觸點的傳感器組成一個組,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,整個云表現(xiàn)為一個虛擬匯聚節(jié)點( virtual sink) 。
2、分區(qū)傳感器組織
傳感器按照某種規(guī)則歸屬于一個分區(qū)。例如,傳感器可以加入到距離最近的匯聚觸點所代表的分區(qū)。每個分區(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層次, 構(gòu)成一個 WSN; 低層 WSN 通過中心節(jié)點連接到高層, 高層的中心節(jié)點為低層轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。同時,高層的中心節(jié)點也可以對轉(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、維護(hù)變得更復(fù)雜。此外,中心節(jié)點要處理和轉(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 WSN, 并將它們的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚觸點( 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)成一個邏輯上獨立但物理區(qū)域重疊的 WSN, 這些 WSN 連接到同一個匯集觸點。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) 。收集各類感知數(shù)據(jù)并處理后,云可以( 通過匯聚觸點) 調(diào)度每個獨立 WSN 中的傳感器以合理方式運行。與基于簇的單層結(jié)構(gòu)相比,這種組織方式在分區(qū)中實現(xiàn),獨立 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)點組成云時需要考慮下列問題: a) 云節(jié)點如何部署在 WSN 區(qū)域中; b) 云節(jié)點之間如何通信; c) 節(jié)點如何組織成云; d) 匯聚觸點收集的數(shù)據(jù)如何存儲到云中,在云中處理。
云節(jié)點( 匯聚觸點) 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,匯聚觸點位置可以使整個網(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⒙酚勺兓?、?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匯聚觸點負(fù)責(zé)大體相等數(shù)量的傳感器的數(shù)據(jù)收集。
云節(jié)點必須相互通信以構(gòu)成云。云節(jié)點需要合理部署在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)點也可以用這些網(wǎng)絡(luò)實現(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,在需要時又可以隨時取用。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,因為不可能每個地方都有網(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)時那個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值。2003年,902-928 MHz和2400-2483 MHz兩個頻段又成了新寵,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)匯集到一個集合點,而這些集合點都與云端相連。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)實生活中,有許多時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)融合云計算技術(shù),使傳感器的數(shù)據(jù)處理技術(shù)跟上了一個層面,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。
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