传感器网络技术:【原】传感器网络的云计算技术

2021/11/10 17:25 · 传感器知识资讯 ·  · 传感器网络技术:【原】传感器网络的云计算技术已关闭评论
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传感器网络技术:【原】传感器网络的云计算技术展开全文无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,它将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在了一起。无线传感器网络在越来越多的领域表现出广阔的应用前景。云计算

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传感器网络技术:【原】传感器网络的云计算技术

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无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术,它将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在了一起。无线传感器网络在越来越多的领域表现出广阔的应用前景。
云计算是一种灵活的 IT 资源组织和提供方式。支持分布式存储和并行处理, 其数据处理框架以本地计算方式处理大部分数据而无须大量远程传输这些数据。
云传感器
云传感器集成了测量感知、网络传输和云端组件。它的特点是将传感组件和联网组件集成到一起,传感器采集的数据直接上传到云平台,用户直接从云平台使用数据,节省中间传输处理电路的成本。
优势一:使用简单,通电后用户就可以通过电脑或手机直接读取传感器测量的数据;
优势二:云计算,云传感器实时联网,云平台可以利用实时的传感器数据进行大数据处理,大数据处理的结果也可以反馈给云传感器。最直接的应用就是实现传感器的在线动态标定,利用大数据消除局部测量误差;
优势三:方便客户快速二次开发,省去复杂的云建设,节省成本。
基于云计算的无线传感网
1、体系结构
基于云计算的无线传感网体系结构如图所示。一组特殊节点分布于无线传感网(WSN)区域,称为云节点。云节点具有比传感器更丰富的资源,有两个功能。一方面,这些节点组成云, 是云的一部分; 另一方面,它们还可与传感器进行通信,收集附件传感器的数据, 也称为汇聚触点( point sink) 。传感器将感知数据发送到某一个汇聚触点( 以多跳方式) , 汇聚点再将数据存储到云中。把数据发往同一个汇聚触点的传感器组成一个组,为了与 WSN中簇的概念相区分, 这种组为分区( zone) 。对传感器而言,整个云表现为一个虚拟汇聚节点( virtual sink) 。
2、分区传感器组织
传感器按照某种规则归属于一个分区。例如,传感器可以加入到距离最近的汇聚触点所代表的分区。每个分区中的传感器可以是相同类型或不同类型, 它们构成本地无线传感网,且独立于其他分区。所有本地无线传感网通过云连接成一个整体。分区中传感器可以采用平面结构或层次结构进行组织。
多层 WMSN 结构中,同种传感器被组织在同一个层次, 构成一个 WSN; 低层 WSN 通过中心节点连接到高层, 高层的中心节点为低层转发数据。同时,高层的中心节点也可以对转发的数据进行处理,从而调度本层传感器的活动, 如休眠或激活等。与传感器一直处于激活状态相比,这种工作方式减少了传感器能量消耗。但另一方面使传感器软件的设计、维护变得更复杂。此外,中心节点要处理和转发大量数据, 其能量消耗将更快。
在基于云的体系结构上, 分区传感器的另一种组织方式如图所示。同种传感器各自组成一个 WSN, 并将它们的数据发送到汇聚触点( 若同类传感器无法直接通信, 也可借助不同类型传感器作网关) 。每种类型的传感器构成一个逻辑上独立但物理区域重叠的 WSN, 这些 WSN 连接到同一个汇集触点。数据处理软件部署在云中( 不仅仅是这些 WSN 所连接的汇集触点) 。收集各类感知数据并处理后,云可以( 通过汇聚触点) 调度每个独立 WSN 中的传感器以合理方式运行。与基于簇的单层结构相比,这种组织方式在分区中实现,独立 WSN的规模更小,传输效率更高,且控制信息仍具有全网视角。
3、云组织
云节点组成云时需要考虑下列问题: a) 云节点如何部署在 WSN 区域中; b) 云节点之间如何通信; c) 节点如何组织成云; d) 汇聚触点收集的数据如何存储到云中,在云中处理。
云节点( 汇聚触点) 位置的选择依赖于无线传感网中传感器的分布状况。理想情况下,汇聚触点位置可以使整个网络中的数据传输操作最小化,可采用复杂算法进行位置选择。但由于 WSN 的动态特性( 拓扑变化、路由变化、数据生成位置和模式多样等) , 理想目标很难达到。在传感器均匀分布的情况下,一种简单的方法是使每个汇聚触点负责大体相等数量的传感器的数据收集。
云节点必须相互通信以构成云。云节点需要合理部署在WSN 区域中,工作在可管理的环境下, 因此可能存在网络基础设施。若存在有线网络, 节点可使用 VPN 等方式进行安全通信; 若存在移动通信网络( 如 2. 5 G、3 G、LTE 等) , 云节点也可以用这些网络实现互连。但无线传感网通常部署在无基础设施的环境中, 自组织无线网络是唯一可利用的通信方式。例如,可给云节点配置 IEEE 802. 11 协议栈,组成 Ad hoc 网络。
传感器数据上传云端
无线标准发生了翻天覆地的变化, 传感器可以将大量的数据同步到云端,在需要时又可以随时取用。人们认识到了物联网可能带来的好处。 我们会见到各种各样的解决方案,不过最后能活下来的还是那些更有用也更具性价比的产品。
通过无线连接,我们可以在多台设备上访问云空间, 下面是几种将传感器数据同步到云端的方式。
1、通过网线连接
这是最简单的方式,它诞生于上世纪七八十年代,也是所有无线连接方式的鼻祖。传感器中会搭载一枚微处理器,负责处理搜集到的数据,随后再通过有线网络将数据上传。另外,该处理器还可以修改或更新传感器的某些功能。不过这种方式的限制性较大,因为不可能每个地方都有网线。
2、通过手机网络连接
手机网络紧随有线网络诞生,并在上世纪八十年代初期有了初步的发展。该网络也顺理成章的成为了第一种得到广泛使用的无线网络。不过它的槽点也不少,首先,想要连接移动基站,传感器还是要通过网线连接手机或者在手机中植入专门的基带(成本很高);其次,上行无线发射机需要很大的功率支持;最后,流量费会让人很肉疼。
3、通过远程无线网络连接
早在1947年,监管部门就开放了许多免许可的无线频段,不过在当时那个年代这玩意根本无人问津,直到上世纪九十年代手机出现,人们才真正意识到它们的价值。2003年,902-928 MHz和2400-2483 MHz两个频段又成了新宠,供最新的IEEE 802.15.4无线标准使用。
上文提到过的网状网络也使用这些频段,该网络由许多小型低功耗的无线设备组成,这些无线设备彼此高度相连,可将来自边缘区域的传感器数据汇集到一个集合点,而这些集合点都与云端相连。这样就保证了无线网络的覆盖范围。
4、通过无线路由器连接
我们熟知的802.11 Wi-Fi标准诞生于1997年,该标准使用2400-2483 MHz和5130-5835 MHz频段。这两个频段对普通人的无线生活影响至深,在家里,公司或公共场所,这类路由器都随处可见。
另外,还有一部分路由器较为专业,它们主要应用于工业和基础设施领域。只要插上网线,路由器就能连接到云端,事实上,在生活中无线路由器是人们享受云服务最主要的通道。
随着智能手机上Wi-Fi功能的出现,能直连路由器的传感器也诞生了。这就意味着只要在路由器信号覆盖范围之内,传感器就可以随时连接互联网,省去了连接移动基站的复杂过程。
5、通过手机连接
在现实生活中,有许多时候传感器并不需要连接无线路由器,手机就能搞定一切。这样,用户还能直接与传感器互动,获取他们所需的信息。另外,许多应用场景下并不需要远渡重洋传输数据,无线耳机就是其中一例。
这些数据传输可由蓝牙完成,它与Wi-Fi相同,均工作在2400-2483 MHz频段。该标准于1998年诞生,2003年它成了802.15.4标准的一部分,不过至今它还在继续发挥自己的光和热。
近日,技术人员们拿出了全新的低功耗蓝牙技术(BLE),该技术功耗低,很适合速率较低或占空比较低的简单传感器。该技术为小型传感器的发展提供了强大的动力,那些原本需要无线网或手机网络的传感器(如各类智能手环),现在可以直接与手机互动。
最近,技术人员还为传统的Wi-Fi路由器加入了蓝牙功能。这样一来,搭载BLE技术的传感器就可以直接通过路由器与云端相连,省去了连接手机这个环节。
随着各类无线标准的不断壮大,我们可以用更多的方式来推动物联网的发展了。
随着物联网的发展,传感器网络融合云计算技术,使传感器的数据处理技术跟上了一个层面,所获得的信息将大大增加,多种功能进一步集成以致于融合,是必然的发展趋势,这也将从侧面促进传感器技术的发展。
传感器网络技术:【原】传感器网络的云计算技术  第2张

传感器网络技术:传感器网络

传感器网络技术

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传感器网络
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传感器网络,是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络,这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域,如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。
中文名
传感器网络
外文名
Sensor networks
主要包括
感应、通讯、计算
领 域
计算机
目录
1
名词解释
2
原理
3
作用
4
体系结构
5
与物联网
传感器网络名词解释
语音
所谓传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短,一般采用多跳(multi-hop)的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行,也可以通过网关连接到Internet,使用户可以远程访问。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等,能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息,通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成,包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及电源部分。此外,可以选择的其它功能单元包括:定位系统、运动系统以及发电装置等。在传感器网络中,节点通过各种方式大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息,可以实现对任意地点信息在任意时间的采集,处理和分析。一个典型的传感器网络的结构包括分布式传感器节点(群)、sink节点、互联网和用户界面等.传感节点之间可以相互通信,自己组织成网并通过多跳的方式连接至Sink(基站节点),Sink节点收到数据后,通过网关(Gateway)完成和公用Internet网络的连接。整个系统通过任务管理器来管理和控制这个系统。传感器网络的特性使得其有着非常广泛的应用前景,其无处不在的特点使其在不远的未来成为我们生活中不可缺少的一部分。
传感器网络原理
语音
传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外,还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒,小到一粒尘埃。传感器节点的成本也是不定的,从几百美元到几美分,这取决于传感器网络的规模以及单个传感器节点所需的复杂度。传感器节点尺寸与复杂度的限制决定了能量、存储、计算速度与频宽的受限。
[1]
在计算机科学领域,传感器网络是一个研究热点,每年都会召开很多的研讨会和国际会议。
传感器网络作用
语音
传感器网络主要包括三个方面:感应、通讯、计算(硬件、软件、算法)。其中的关键技术主要有无线数据库技术,比如使用在无线传感器网络的查询,和用于和其它传感器通讯的网络技术,特别是多次跳跃路由协议。例如摩托罗拉使用在家庭控制系统中的ZigBee无线协议。传感器网络与传感器传感器网络与传感器是什么关系呢?它究竟是一种传感器呢还是一种网络呢?在回答这个问题之前,我们先来看一下传感器网络中传感节点的系统组成吧。如图1所示,一般可以将传感节点分解为传感模块、微处理器最小系统、无线通信模块、电源模块和增强功能模块5个组成部分,其中增强功能模块为可选配置。
图1 传感器网络中传感节点的系统组成可以把传感模块和电源模块看作传统的传感器,如果再加上微处理器最小系统就可对应于智能传感器,而无线通信模块是为了实现无线通信功能而比传统传感器新增加的功能模块。增强功能模块是可选配置,例如时间同步系统、卫星定位系统、用于移动的机械系统等。从传感节点的系统组成上看,传感器网络可以看作是多个增加了无线通信模块的智能传感器组成的自组织网络。而从功能上看,传感器和传感器网络大致相同,都是用来感知监测环境信息的,不过显然传感器网络具备更高的可靠性。传感器网络的发展传感器网络是怎样发展起来的呢?最早的传感器网络可以追溯到上世纪70年代美军在越战中使用的“热带树”传感器。为了遏制北越在胡志明小道的后勤补给,美军在这条小道上沿途投放了上万个“热带树”传感器,这是一种振动和声响传感器,当北越车队经过时传感器探测到振动和声响即向指挥中心发送感知信号,美军收到信号后即组织轰炸,有资料显示越战期间美军依靠“热带树”的帮助总共炸坏了4万多辆北越运输卡车。“热带树”传感器之间没有通信能力,所以实际上还称不上网络的概念。20世纪80年代以来,美国军方陆续与高校开展传感器网络方面的研究合作,旨在建立能够用于军事用途的自组织的无线传感器网络,这期间在硬件、软件、标准化和产品化等方面取得了一系列的重大进展。2000年,美国加州大学伯克利分校发布了传感器节点专用操作系统TinyOS,后续又推出专用程序设计语言nesC。2001年,伯克利分校又推出Mica系列传感器节点产品。TinyOS和Mica取得了巨大的成功,直到今天它们仍然得到了广泛的应用。2001年,ZigBee联盟成立,并对无线传感器网络的通信协议进行了全面的标准化,后续多家公司发布了多款符合ZigBee协议标准的芯片和产品。传感器网络未来的发展趋势传感器网络未来的发展趋势又如何呢?传感器网络技术诞生至今也不过几十年的时间,最近更是得到了美国之外欧洲、中国和日韩等国的重视和关注,目前其发展前沿也在不断延伸。总体说来,大致可以将其发展趋势划分为两大类:其一是设计用于完成特殊任务的无线传感器网络,例如无线多媒体传感器网络和无线传感执行网络。其二是设计用于特殊应用环境下工作的无线传感器网络,例如水下环境和地下环境。无线多媒体传感器网络(WMSN, Wireless Multimedia Sensor Network)在传感器节点上借助多媒体传感单元将音频、视频、图像等多媒体信息传送到管理节点,能够实现对复杂多变环境的监测。无线传感执行网络(WSAN, Wireless Sensor and Actor Network)在WSN的基础上加入了执行节点(Actor),执行节点根据收集到的监测信息做出决策并执行相关操作,从而在对环境监测的基础上进一步实现对环境的控制。水声无线传感器网络(UW-ASN, Underwater Acoustic Sensor Network)采用水声无线通信技术实现水下传感器节点之间的通信连接,能够完成海洋采样、环境监测、水下开采、辅助航行等任务。
传感器网络体系结构
语音
传感器网络系统通常包括传感器节点(sensor)、汇聚节点(sink node)和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域(sensor field)内部或附近,能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输,在传输过程中监测数据可能被多个节点处理,经过多跳后路由到汇聚节点,最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
[2]
传感器网络与物联网
语音
通过感知识别技术,让物品“开口说话、发布信息”,是融合物理世界和信息世界的重要一环,是物联网区别于其他网络的最独特的部分。物联网的“触手”是位于感知识别层的大量信息生成设备,包括RFID、传感器网络、定位系统等。传感器网络所感知的数据是物联网海量信息的重要来源之一。传感器网络已被视为物联网的重要组成部分,如果将智能传感器的范围扩展到RFID等其他数据采集技术,从技术构成和应用领域来看,泛在传感器网络等同于现在我们提到的物联网。
词条图册
更多图册
参考资料
1.

无线传感器网络的定义
.5联网[引用日期2012-09-01]
2.

无线传感器网络的网络协议栈
.5联网[引用日期2012-09-01]
传感器网络技术:【原】传感器网络的云计算技术  第3张

传感器网络技术:无线传感器网络技术原理及应用 知识点

无线传感器网络技术原理及应用 知识点
1.无线传感器与自组网的区别
  1. 传感器网络是集成了监测、控制以及无线通信的网络系统,节点数目更为庞大(上千甚至上万),节点分布更为密集。

  2. 由于环境的影响和能量的消耗,节点更易出现故障,环境干扰和节点故障容易造成网络拓扑结构的变化,通常情况下,大多数传感器节点是固定不变的。

  3. 传感器节点具有的能量、处理能力、存储能力和通信能力都是十分有限的,传统网络的首要设计是提供高服务质量和高效的带宽利用,其次才是考虑能源;而传感器网络的首要目标是能源的高效利用,这也是传感器网络和传统网络的重要区别之一。

2. 无线传感器网络的特点
  1. 自组织性

  2. 以数据为中心

  3. 应用相关性

  4. 动态性

  5. 网络规模大

  6. 可靠性

3. 网络传感器的性能指标有哪些
  1. 网络的工作寿命。

  2. 网络的覆盖范围。

  3. 网络的搭建成本和难易程度。

  4. 网络的响应时间。

4. 传感器的漂移、重复和迟滞
?重复性?是指在同一工作条件下,出入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特征曲线的不一致性,在数值上用各种测量值正反行程标准偏差最大值的两倍或者三倍满量程yes的百分比来表示。

  

漂移?由于传感器内部匀速或外界干扰,传感器的输出变化称为漂移。当输入状态为零时的漂移称为零点漂移。传感器无输入(或某一输入值不变)时,每隔一段时间进行读数,其输出偏离零值(或原指示值)。在其他因素不变的情况下,输出随着时间的变化产生的漂移成为时间漂移。随着温度变化产生的漂移成为温度漂移。它表示温度变化时,传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1℃时,输出的最大偏移差与满量程的百分比表示。

迟滞?是指在相同的工作条件下做全測量范围校准时,在同一次校准中对应输入同一输入量的正行程和反行程间的最大偏差。

5. 无线射频电路设计中,需要烤炉哪些问题
  1. 天线设计

  2. 阻抗匹配

  3. 电测兼容

6. 天线的种类有哪些
  1. 内置天线

  2. 导线天线

  3. 外置天线

7. 电源模块中,电池的主要性能指标包括哪些
  1. 标称电压

  2. 内阻

  3. 容量

  4. 放电终止电压

  5. 自放电

  6. 使用温度

8. 画出传感器节点的设计流程图
  

9. 画出节点电路板调试流程图
  

10. 传感器节点S使用分布的算法设计方案(P80)
?

11. 分布式贪婪算法执行时间 (P83)
?

12. 无限传感器网络的能耗指标有哪些 (P85)
?

13. 从源点到汇聚节点的可能路径 (P145)
?

14. 开放式系统互联网络参考模型(OSI)的层次结构示意图 (P93)
?  

15. 无限传感器网络的网络层设计原则 (P103)
  1.?能量有效性是必须要考虑的关键问题。

  2.?多数传感器网络以数据为中心。

  3.?理想的无线传感器网络采用基于属性的寻址方式和位置感知的方式。

  4.?数据聚集仅在不妨碍无线传感器节点的协作效应时是有效的。

  5.?路由协议易于与其它网络(例如 Internet)相结合。

16.?在已知地理位置信息的前提下,使用三角法检测传感器节点故障的检测过程(P235)
?

17.?在未知地理位置信息的前提下,请阐述常用的三种检测策略,并写出详细的步骤 (P236)
?

18.?简述ToA的测距原理
?

19.?简述AoA的测角过程
?

20.?一个使用zigbee技术的智能家居体系架构应包含哪些部分

21.?画出只能家具系统中协调器的工作流程图(P384)
?  

22.?画出智能家居系统中路由器的工作流程图 (P385)
  

23.?Linux下串口编程基本流程 (P405)
?  

24.?车载信息服务系统的整体架构图以及各个模块的作用。

  处理器模块?:?这是整个系统最为核心的部分,要求具备较强的处理能力和计算能力。主要包括CPU、 SDRAM 、NAND Flash。

  音频处理模块?:?这部分主要负责语音输的输入和输出。在语音控制或者录制的过程中,可以对语音信号进行采集,同时可以通过外界车载音响等实现音乐播放等功能。

  电源管理模块?:?作为移动设备对电源的管理是至关重要的,尤其是在停车过程中和汽车共用电瓶电源时,否则可能造成汽车启动故障。

  网络模块和GPS模块?:?通过3G模块可以实现随时随地的获取信息资讯和一些网络服务。通过GPS模块可以实现车辆定位与导航,并根据汽车位置提供local?service。

  摄像头模块?:?通过摄像头模块可以实现辅助倒车等功能。

  蓝牙模块?:?通过蓝牙模块可以实现车载信息娱乐终端与手机相连,完成一些短信阅读及回复等功能。

  交互接口模块?:?这部分硬件主要负责人机的交互,主要包括LCD模块、触摸屏模块、按键。

  FM功能模块?:?广播依然是现在最为流行的车载娱乐方式。

  传感器模块?:结合车内应用,外接了温度传感器来获取车内温度信息,酒精传感器来进行酒驾提醒。

  扩展接口模块?:?为了方便以后拓展,本系统拓展出两条主USB接口,可以连接USB设备,同时拓展了一路从USB接口,可以方便数据传输。同时还拓展了一路TF卡,外接存储接口和一路WIFI模块接口。

  OBD?Ⅱ模块?:?为了实时获取车辆信息又不影响汽车的行车安全,采用OBD模块与汽车ECU进行通信以获取车辆信息。

25.?画出交互式车载短信流程图
?  ?    

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