傳感器網(wǎng)絡(luò )的云計算技術(shù)

無(wú)線(xiàn)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(guān)上的物理世界融合在了一起。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在越來(lái)越多的領(lǐng)域表現出廣闊的應用前景。

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， 其數據處理框架以本地計算方式處理大部分數據而無(wú)須大量遠程傳輸這些數據。

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，傳感器采集的數據直接上傳到云平臺，用戶(hù)直接從云平臺使用數據，節省中間傳輸處理電路的成本。

優(yōu)勢一：使用簡(jiǎn)單，通電后用戶(hù)就可以通過(guò)電腦或手機直接讀取傳感器測量的數據；

優(yōu)勢二：云計算，云傳感器實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)，云平臺可以利用實(shí)時(shí)的傳感器數據進(jìn)行大數據處理，大數據處理的結果也可以反饋給云傳感器。最直接的應用就是實(shí)現傳感器的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)標定，利用大數據消除局部測量誤差；

優(yōu)勢三：方便客戶(hù)快速二次開(kāi)發(fā)，省去復雜的云建設，節省成本。

基于云計算的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)

1、體系結構

基于云計算的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)體系結構如圖所示。一組特殊節點(diǎn)分布于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)（WSN）區域，稱(chēng)為云節點(diǎn)。云節點(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據， 也稱(chēng)為匯聚觸點(diǎn)( point sink) 。傳感器將感知數據發(fā)送到某一個(gè)匯聚觸點(diǎn)( 以多跳方式) ， 匯聚點(diǎn)再將數據存儲到云中。把數據發(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中簇的概念相區分， 這種組為分區( zone) 。對傳感器而言，整個(gè)云表現為一個(gè)虛擬匯聚節點(diǎn)( virtual sink) 。

 2、分區傳感器組織

傳感器按照某種規則歸屬于一個(gè)分區。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。每個(gè)分區中的傳感器可以是相同類(lèi)型或不同類(lèi)型， 它們構成本地無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)，且獨立于其他分區。所有本地無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)通過(guò)云連接成一個(gè)整體。分區中傳感器可以采用平面結構或層次結構進(jìn)行組織。

多層 WMSN 結構中，同種傳感器被組織在同一個(gè)層次， 構成一個(gè) WSN; 低層 WSN 通過(guò)中心節點(diǎn)連接到高層， 高層的中心節點(diǎn)為低層轉發(fā)數據。同時(shí)，高層的中心節點(diǎn)也可以對轉發(fā)的數據進(jìn)行處理，從而調度本層傳感器的活動(dòng)， 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計、維護變得更復雜。此外，中心節點(diǎn)要處理和轉發(fā)大量數據， 其能量消耗將更快。

在基于云的體系結構上， 分區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， 并將它們的數據發(fā)送到匯聚觸點(diǎn)( 若同類(lèi)傳感器無(wú)法直接通信， 也可借助不同類(lèi)型傳感器作網(wǎng)關(guān)) 。每種類(lèi)型的傳感器構成一個(gè)邏輯上獨立但物理區域重疊的 WSN， 這些 WSN 連接到同一個(gè)匯集觸點(diǎn)。數據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(lèi)感知數據并處理后，云可以( 通過(guò)匯聚觸點(diǎn)) 調度每個(gè)獨立 WSN 中的傳感器以合理方式運行。與基于簇的單層結構相比，這種組織方式在分區中實(shí)現，獨立 WSN的規模更小，傳輸效率更高，且控制信息仍具有全網(wǎng)視角。

3、云組織

云節點(diǎn)組成云時(shí)需要考慮下列問(wèn)題: a) 云節點(diǎn)如何部署在 WSN 區域中; b) 云節點(diǎn)之間如何通信; c) 節點(diǎn)如何組織成云; d) 匯聚觸點(diǎn)收集的數據如何存儲到云中，在云中處理。

云節點(diǎn)( 匯聚觸點(diǎn)) 位置的選擇依賴(lài)于無(wú)線(xiàn)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 )中的數據傳輸操作最小化，可采用復雜算法進(jìn)行位置選擇。但由于 WSN 的動(dòng)態(tài)特性( 拓撲變化、路由變化、數據生成位置和模式多樣等) ， 理想目標很難達到。在傳感器均勻分布的情況下，一種簡(jiǎn)單的方法是使每個(gè)匯聚觸點(diǎn)負責大體相等數量的傳感器的數據收集。

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

傳感器數據上傳云端 

無(wú)線(xiàn)標準發(fā)生了翻天覆地的變化， 傳感器可以將大量的數據同步到云端，在需要時(shí)又可以隨時(shí)取用。人們認識到了物聯(lián)網(wǎng)可能帶來(lái)的好處。 我們會(huì )見(jiàn)到各種各樣的解決方案，不過(guò)最后能活下來(lái)的還是那些更有用也更具性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品。

通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接，我們可以在多臺設備上訪(fǎng)問(wèn)云空間， 下面是幾種將傳感器數據同步到云端的方式。

1、通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接

這是最簡(jiǎn)單的方式，它誕生于上世紀七八十年代，也是所有無(wú)線(xiàn)連接方式的鼻祖。傳感器中會(huì )搭載一枚微處理器，負責處理搜集到的數據，隨后再通過(guò)有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將數據上傳。另外，該處理器還可以修改或更新傳感器的某些功能。不過(guò)這種方式的限制性較大，因為不可能每個(gè)地方都有網(wǎng)線(xiàn)。

2、通過(guò)手機網(wǎng)絡(luò )連接

手機網(wǎng)絡(luò )緊隨有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )誕生，并在上世紀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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。不過(guò)它的槽點(diǎn)也不少，首先，想要連接移動(dòng)****，傳感器還是要通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)連接手機或者在手機中植入專(zhuān)門(mén)的基帶（成本很高）；其次，上行無(wú)線(xiàn)****機需要很大的功率支持；最后，流量費會(huì )讓人很肉疼。

3、通過(guò)遠程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接

早在1947年，監管部門(mén)就開(kāi)放了許多免許可的無(wú)線(xiàn)頻段，不過(guò)在當時(shí)那個(gè)年代這玩意根本無(wú)人問(wèn)津，直到上世紀九十年代手機出現，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(wú)線(xiàn)標準使用。

上文提到過(guò)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(wú)線(xiàn)設備組成，這些無(wú)線(xiàn)設備彼此高度相連，可將來(lái)自邊緣區域的傳感器數據匯集到一個(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的覆蓋范圍。

4、通過(guò)無(wú)線(xiàn)路由器連接

我們熟知的802.11 Wi-Fi標準誕生于1997年，該標準使用2400-2483 MHz和5130-5835 MHz頻段。這兩個(gè)頻段對普通人的無(wú)線(xiàn)生活影響至深，在家里，公司或公共場(chǎng)所，這類(lèi)路由器都隨處可見(jiàn)。

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

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

5、通過(guò)手機連接

在現實(shí)生活中，有許多時(shí)候傳感器并不需要連接無(wú)線(xiàn)路由器，手機就能搞定一切。這樣，用戶(hù)還能直接與傳感器互動(dòng)，獲取他們所需的信息。另外，許多應用場(chǎng)景下并不需要遠渡重洋傳輸數據，無(wú)線(xiàn)耳機就是其中一例。

這些數據傳輸可由藍牙完成，它與Wi-Fi相同，均工作在2400-2483 MHz頻段。該標準于1998年誕生，2003年它成了802.15.4標準的一部分，不過(guò)至今它還在繼續發(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(jiǎn)單傳感器。該技術(shù)為小型傳感器的發(fā)展提供了強大的動(dòng)力，那些原本需要無(wú)線(xiàn)網(wǎng)或手機網(wǎng)絡(luò )的傳感器（如各類(lèi)智能手環(huán)），現在可以直接與手機互動(dòng)。

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

隨著(zhù)各類(lèi)無(wú)線(xiàn)標準的不斷壯大，我們可以用更多的方式來(lái)推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展了。

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，傳感器網(wǎng)絡(luò )融合云計算技術(shù)，使傳感器的數據處理技術(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，這也將從側面促進(jìn)傳感器技術(shù)的發(fā)展。