基于無線傳感器網(wǎng)絡的智慧城市數(shù)據(jù)分析

王 華

（河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學院信息工程學院 河南 鄭州 450012）

1 引言

在全球可持續(xù)發(fā)展的今天，智慧城市與智慧社會的發(fā)展與之密不可分。時至今日，智能城市的發(fā)展已經(jīng)進入改革階段，包括人們的智能化生活方式、各個行業(yè)的智能化運營以及城市的自動化程度。隨著無線局域網(wǎng)和無線通信技術的發(fā)展，遠程無線監(jiān)控家庭系統(tǒng)將成為智能家庭網(wǎng)絡的主要趨勢。加上嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛應用，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡中各種設備進行管理、信息處理，并通過Web將數(shù)據(jù)傳遞給客戶，在終端軟件顯示結果[1]。

2 無線傳感器網(wǎng)絡及其相關技術

在檢測區(qū)域中，大量的傳感器節(jié)點會周期性地接收信息，并將信息傳遞給網(wǎng)絡節(jié)點。各個用戶獲取信息的方式是通過網(wǎng)絡傳輸，將匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)進行傳遞的。用戶在獲得采集的數(shù)據(jù)、等待數(shù)據(jù)傳輸過程中，可能會遇到一些問題，主要有網(wǎng)絡故障、網(wǎng)絡延遲、無效數(shù)據(jù)以及網(wǎng)絡節(jié)點能耗較大等，而為了解決以上的問題，需要使用以下的相關技術。

2.1 QoS技術

隨著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，在無線傳感器網(wǎng)絡的傳輸中，多種多媒體數(shù)據(jù)存在于網(wǎng)絡中，例如：文字、圖片、音頻、視頻等。因為無線傳感器節(jié)點自身的特點，對以上多媒體數(shù)據(jù)傳輸時，要考慮到網(wǎng)絡吞吐量、傳輸速率、延遲時間等問題。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?、安全性、可靠性，在網(wǎng)絡能耗與應用層時效性方面，要選擇最優(yōu)路徑，傳輸層需要根據(jù)網(wǎng)絡層和MAC層的通信狀態(tài)協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)完整。因此，不同的層需要根據(jù)不同的需求選擇合理的QoS機制。

2.2 數(shù)據(jù)融合技術

在無線傳感器網(wǎng)絡中，傳感器節(jié)點存在大量的冗余數(shù)據(jù)信息，這是由于在大量傳感器進行數(shù)據(jù)采集時，檢測區(qū)域密集，傳感器在接收數(shù)據(jù)時產(chǎn)生了大部分重復數(shù)據(jù)，既增加了節(jié)點的能耗，也影響了數(shù)據(jù)的正常傳輸。對于終端及用戶來說，數(shù)據(jù)本身是沒有意義的，只看最后的結果，所以，大量的重復數(shù)據(jù)給無線傳感器網(wǎng)絡造成了相當大的負擔[2]。

2.3 網(wǎng)絡安全機制

有線傳感器網(wǎng)絡的主要工作是采集數(shù)據(jù)，很容易被外界其他對象所干擾。同時，也容易在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸過程中造成數(shù)據(jù)串擾。正因為如此，采集的數(shù)據(jù)很容易被黑客竊聽、截取，甚至修改數(shù)據(jù)路徑。如果數(shù)據(jù)遭到修改，結果必然會不準確，這使得用戶在判斷和查看結果時容易做出錯誤判斷，所以，無線傳感器網(wǎng)絡的安全機制建設就尤為重要。

3 無線信號功率計算

連續(xù)時間信號f(t)的能量E和功率P定義為：

離散時間信號f(k)的能量E和功率P定義為：

如果0＜E＜∞，P=0這個信號叫能量信號。如果0＜P＜∞，這個信號被稱為功率信號。功率受限信號，即平均功率大于零且有限的信號。

無線傳感器網(wǎng)絡基本由源節(jié)點和匯聚節(jié)點兩種節(jié)點組成。這兩種節(jié)點方式構成了無線傳感器網(wǎng)絡，承擔著計算、存儲、通信、傳感或執(zhí)行的任務。傳感器節(jié)點設備的選擇應根據(jù)具體的應用環(huán)境和實際要求，如電池的使用壽命、節(jié)點的大小、外殼的機械強度、耐腐蝕性等。

檢測環(huán)境的數(shù)據(jù)主要是由各個節(jié)點通過無線傳感器模塊來獲取的，無線傳感器模塊把采集到的數(shù)據(jù)保存并實現(xiàn)轉換，處理模塊把轉換為數(shù)字信號的數(shù)據(jù)進行存儲和轉發(fā)。處理模塊是由處理器和內(nèi)存組成的，是節(jié)點邏輯處理和具體操作的中心。處理完成的數(shù)據(jù)由通信模塊通過無線傳感器通道負責發(fā)送給其他節(jié)點。通信模塊是各個節(jié)點的交互點。

4 無線傳感器網(wǎng)絡拓撲分析

無線網(wǎng)絡拓撲結構主要有3種形式：星形網(wǎng)絡、網(wǎng)狀網(wǎng)絡和混合網(wǎng)絡。

（1）星形網(wǎng)絡的拓撲結構是單跳結構。所有傳感器節(jié)點以一跳方式與基站通信。顯然，這種方法不適用于無線傳感器網(wǎng)絡。由于無線傳感器網(wǎng)絡規(guī)模龐大，節(jié)點與基站以一跳的形式進行通信時，數(shù)據(jù)傳輸需要非常大的功率。節(jié)點的能量非常有限，這使得節(jié)點的能量很快耗盡。因此，在無線傳感器網(wǎng)絡中不宜采用單星形網(wǎng)絡拓撲結構。

（2）網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲是一種多跳結構，所有的傳感器節(jié)點都可以相互通信。通過算法，節(jié)點可以找到一條或多條合理的數(shù)據(jù)傳輸路徑。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡的拓撲結構容易被節(jié)點動態(tài)改變，從而產(chǎn)生環(huán)路，因此路由協(xié)議并不完全適合傳感器網(wǎng)絡的應用。

（3）基于以上兩種網(wǎng)絡結構的特點，混合網(wǎng)絡結構更適合無線傳感器網(wǎng)絡結構。對于用戶來說，整個網(wǎng)絡要易于管理，混合網(wǎng)絡結構正好具有網(wǎng)絡層次結構簡單等特點。同時，網(wǎng)絡也要易于維護，因為網(wǎng)絡結構簡單，網(wǎng)絡中的各節(jié)點更容易控制，同時具有網(wǎng)絡故障的自修復能力，這樣的網(wǎng)絡結構更適合無線傳感器在智能化中的應用。

5 無線局域網(wǎng)的組成

無線局域網(wǎng)的組成主要包括：主機模塊、主節(jié)點、終端節(jié)點和擴展節(jié)點。下面對各組成部分的相關功能分別進行介紹。

（1）終端節(jié)點：主要是對家用電器（包括電視、空調(diào)、攝像頭、路由器、熱水器、臺燈等）的功能控制，也包括何種傳感器。

（2）擴展節(jié)點：該技術在無線局域網(wǎng)中經(jīng)常用到。無線通信模塊都有最大傳輸距離，一旦電氣設備中節(jié)點距離過大，超出了最大傳輸距離，會造成傳輸不穩(wěn)定、傳輸失敗等情況的出現(xiàn)，這時就需要在兩者之間架設擴展設備，起到中繼作用。

（3）中心節(jié)點：在無線局域網(wǎng)中，需要一個管理者對所有終端節(jié)點和擴展節(jié)點進行管理，并接受主機模塊的統(tǒng)一管理。一般的流程為：用戶向主機模塊發(fā)出指令，主機模塊將接收到的指令傳達給中心節(jié)點，通過無線局域網(wǎng)，傳輸給終端節(jié)點和擴展節(jié)點。在終端節(jié)點執(zhí)行完相應指令并得到結果時，將結果傳輸給中心節(jié)點。最后，中心節(jié)點再將所有接收數(shù)據(jù)傳輸給主機模塊。

（4）主機模塊：主機模塊向所有中心節(jié)點發(fā)出指令，中心節(jié)點向終端節(jié)點和擴展節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)并運算數(shù)據(jù)，將得到的結果再逆向傳輸給中心節(jié)點，最終到達主機模塊。同時，主機模塊接收來自遠程終端的實時監(jiān)控，通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送回遠程PC監(jiān)控終端或用戶的智能手機終端。無線局域網(wǎng)的正常運行，是通過主機模塊來管理實現(xiàn)的[3]。

6 智慧城市智慧水平評價

城市運營的數(shù)字化不僅帶來了系統(tǒng)優(yōu)化，也為城市精細化管理提供了可能。在綜合考慮智能城市的評價體系建設中，應注重指標體系的科學性、合理性、有效性、智能性，這些指標都直接、間接關系到智能城市的有效性。而推動建設智能城市的評價體系，開展智能城市的評價，可以引導和推動智能城市的建設。并且，要充分發(fā)揮智能城市的評價體系在城市建設中的重要作用，具有創(chuàng)新性地提出智能城市的分級評價標準，更好地為智能城市的發(fā)展提供更為有利的、客觀的標準。

7 實驗和驗證

Web網(wǎng)絡服務是一種被動訪問的服務程序，一直處于偵聽狀態(tài)，即只有接收到互聯(lián)網(wǎng)中其他主機發(fā)出的請求后才會響應，并通過HTTP客戶機向服務器的特定端口發(fā)送連接請求，此請求是按照HTTP協(xié)議格式打包成一個數(shù)據(jù)包。當服務器接收到客戶端的訪問請求時，同樣會以HTTP協(xié)議格式解包，然后解析客戶端的意圖。服務器得知客戶端的意圖后，會對數(shù)據(jù)進行分類處理、數(shù)據(jù)處理等操作，處理完成后將結果以HTTP格式打包并裝入緩沖區(qū)，最后該數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡傳輸給客戶端。瀏覽器通過HTTP協(xié)議格式解包，解析數(shù)據(jù)，并在頁面展示，等待用戶查看?；赪eb服務器提供的服務功能，用戶可以通過手機訪問、瀏覽各個節(jié)點采集、處理完成的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是存放在遠程服務器數(shù)據(jù)庫中的。數(shù)據(jù)庫可以對數(shù)據(jù)進行有效的管理，例如添加、刪除、修改、搜索等相關操作。無線傳感器網(wǎng)絡主要是基于相同的能量，盡量延長其運行生命周期，并盡可能采集監(jiān)測區(qū)域的數(shù)據(jù)。因此，我們將網(wǎng)絡運行生命周期和總數(shù)據(jù)流作為評價算法性能的兩個重要指標[4]。

8 結語

智慧城市是由戰(zhàn)略、社會、經(jīng)濟、支持、空間等幾個要素構成的，這些要素相互關聯(lián)、有機復合。因此，要從各個方面全面推進智慧城市的建設與發(fā)展。對于智慧城市來說，更重要的是將先進的信息技術巧妙地融入城市的管理、服務、生產(chǎn)、生活等主要領域，創(chuàng)造更加符合現(xiàn)代人發(fā)展需要的城市生活環(huán)境和物質(zhì)條件，促進城市全面發(fā)展。從技術發(fā)展角度看，智慧城市建設要求以移動技術為代表的物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術應用，實現(xiàn)全面感知、無所不在的互聯(lián)互通以及無處不在的計算和融合應用。從社會發(fā)展的角度看，智慧城市需要在知識社會環(huán)境下實現(xiàn)可持續(xù)創(chuàng)新。