傳感器網絡的云計算技術

無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取和處理技術，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。無線傳感器網絡在越來越多的領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、網絡傳輸和云端組件。它的特點是將傳感組件和聯網組件集成到一起，傳感器采集的數據直接上傳到云平臺，用戶直接從云平臺使用數據，節省中間傳輸處理電路的成本。

優勢一：使用簡單，通電后用戶就可以通過電腦或手機直接讀取傳感器測量的數據；

優勢二：云計算，云傳感器實時聯網，云平臺可以利用實時的傳感器數據進行大數據處理，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現傳感器的在線動態標定，利用大數據消除局部測量誤差；

優勢三：方便客戶快速二次開發，省去復雜的云建設，節省成本。

基于云計算的無線傳感網

1、體系結構

基于云計算的無線傳感網體系結構如圖所示。一組特殊節點分布于無線傳感網（WSN）區域，稱為云節點。云節點具有比傳感器更豐富的資源，有兩個功能。一方面，這些節點組成云， 是云的一部分; 另一方面，它們還可與傳感器進行通信，收集附件傳感器的數據， 也稱為匯聚觸點( point sink) 。傳感器將感知數據發送到某一個匯聚觸點( 以多跳方式) ， 匯聚點再將數據存儲到云中。把數據發往同一個匯聚觸點的傳感器組成一個組，為了與 WSN中簇的概念相區分， 這種組為分區( zone) 。對傳感器而言，整個云表現為一個虛擬匯聚節點( virtual sink) 。

 2、分區傳感器組織

傳感器按照某種規則歸屬于一個分區。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。每個分區中的傳感器可以是相同類型或不同類型， 它們構成本地無線傳感網，且獨立于其他分區。所有本地無線傳感網通過云連接成一個整體。分區中傳感器可以采用平面結構或層次結構進行組織。

多層 WMSN 結構中，同種傳感器被組織在同一個層次， 構成一個 WSN; 低層 WSN 通過中心節點連接到高層， 高層的中心節點為低層轉發數據。同時，高層的中心節點也可以對轉發的數據進行處理，從而調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，中心節點要處理和轉發大量數據， 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 WSN， 并將它們的數據發送到匯聚觸點( 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關) 。每種類型的傳感器構成一個邏輯上獨立但物理區域重疊的 WSN， 這些 WSN 連接到同一個匯集觸點。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) 。收集各類感知數據并處理后，云可以( 通過匯聚觸點) 調度每個獨立 WSN 中的傳感器以合理方式運行。與基于簇的單層結構相比，這種組織方式在分區中實現，獨立 WSN的規模更小，傳輸效率更高，且控制信息仍具有全網視角。

3、云組織

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

云節點( 匯聚觸點) 位置的選擇依賴于無線傳感網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絡中的數據傳輸操作最小化，可采用復雜算法進行位置選擇。但由于 WSN 的動態特性( 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，一種簡單的方法是使每個匯聚觸點負責大體相等數量的傳感器的數據收集。

云節點必須相互通信以構成云。云節點需要合理部署在WSN 區域中，工作在可管理的環境下， 因此可能存在網絡基礎設施。若存在有線網絡， 節點可使用 VPN 等方式進行安全通信; 若存在移動通信網絡( 如 2． 5 G、3 G、LTE 等) ， 云節點也可以用這些網絡實現互連。但無線傳感網通常部署在無基礎設施的環境中， 自組織無線網絡是唯一可利用的通信方式。例如，可給云節點配置 IEEE 802． 11 協議棧，組成 Ad hoc 網絡。

傳感器數據上傳云端 

無線標準發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，在需要時又可以隨時取用。人們認識到了物聯網可能帶來的好處。 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品。

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

1、通過網線連接

這是最簡單的方式，它誕生于上世紀七八十年代，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，負責處理搜集到的數據，隨后再通過有線網絡將數據上傳。另外，該處理器還可以修改或更新傳感器的某些功能。不過這種方式的限制性較大，因為不可能每個地方都有網線。

2、通過手機網絡連接

手機網絡緊隨有線網絡誕生，并在上世紀八十年代初期有了初步的發展。該網絡也順理成章的成為了第一種得到廣泛使用的無線網絡。不過它的槽點也不少，首先，想要連接移動基站，傳感器還是要通過網線連接手機或者在手機中植入專門的基帶（成本很高）；其次，上行無線發射機需要很大的功率支持；最后，流量費會讓人很肉疼。

3、通過遠程無線網絡連接

早在1947年，監管部門就開放了許多免許可的無線頻段，不過在當時那個年代這玩意根本無人問津，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無線標準使用。

上文提到過的網狀網絡也使用這些頻段，該網絡由許多小型低功耗的無線設備組成，這些無線設備彼此高度相連，可將來自邊緣區域的傳感器數據匯集到一個集合點，而這些集合點都與云端相連。這樣就保證了無線網絡的覆蓋范圍。

4、通過無線路由器連接

我們熟知的802.11 Wi-Fi標準誕生于1997年，該標準使用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，它們主要應用于工業和基礎設施領域。只要插上網線，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最主要的通道。

隨著智能手機上Wi-Fi功能的出現，能直連路由器的傳感器也誕生了。這就意味著只要在路由器信號覆蓋范圍之內，傳感器就可以隨時連接互聯網，省去了連接移動基站的復雜過程。

5、通過手機連接

在現實生活中，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，許多應用場景下并不需要遠渡重洋傳輸數據，無線耳機就是其中一例。

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，不過至今它還在繼續發揮自己的光和熱。

近日，技術人員們拿出了全新的低功耗藍牙技術（BLE），該技術功耗低，很適合速率較低或占空比較低的簡單傳感器。該技術為小型傳感器的發展提供了強大的動力，那些原本需要無線網或手機網絡的傳感器（如各類智能手環），現在可以直接與手機互動。

最近，技術人員還為傳統的Wi-Fi路由器加入了藍牙功能。這樣一來，搭載BLE技術的傳感器就可以直接通過路由器與云端相連，省去了連接手機這個環節。

隨著各類無線標準的不斷壯大，我們可以用更多的方式來推動物聯網的發展了。