一种基于云服务的数据通信方法、装置及系统与流程
本发明涉及云服务技术领域，具体涉及一种基于云服务的数据通信方法、装置及系统。
背景技术：
随着科技的发展，早期的人工监测已经基本被淘汰，传统的做法就是派人到各个监测区域手持检测设备进行监测，并将获取的数据录入到相关的系统，这种监测方法效率低、成本高，而且用户不能够实时获取到所需的数据。
随着计算机技术和无线传感器网络技术的发展，对大范围区域内的无线监测提供了可能的方法和手段。无线传感器网络是由大量无线传感器节点以自组织模式构成的网络，它具有传感器节点密度高、网络拓扑变化频繁以及节点功率、计算能力和数据存储能力有限等特点，使得无线传感器网络在环境监测军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域有着广泛的应用前景。然而，现有的无线传感器网络因传感器节点的能量有限，依然存在较多的缺陷。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明提供一种基于云服务的数据通信方法、装置及系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明第一方面实施例提供了一种基于云服务的数据通信方法，该方法包括：
云服务模块通过无线通信模块从无线传感器网络监测模块接收并存储采集的数据；
所述云服务模块接收由本地设备模块中的用户终端发送的包含密钥和身份标识的身份认证请求；
所述云服务模块根据所述身份认证请求对所述用户终端进行认证，在认证成功后与所述用户终端建立通信连接，其中当所述云服务模块在其数据库中查找到所述身份标识以及验证所述密钥正确时，判定认证成功；
所述云服务模块将接收的所述采集的数据与预存的标准数据进行比对，以确定所述采集的数据是否发生异常，在所述采集的数据发生异常时，所述云服务模块将异常的数据发送至与其建立通信的用户终端；
其中，所述无线传感器网络监测模块包括单个汇聚节点、多个传感器节点以及多个簇头，每个传感器节点选择距离最近的簇头加入簇，所述云服务模块与所述汇聚节点进行数据通信；所述传感器节点负责进行数据的采集，所述簇头负责收集簇内各传感器节点采集的数据，每个簇头根据到汇聚节点的距离选择直接通信或者间接通信的模式与所述汇聚节点通信，所述直接通信为簇头直接将收集的所述采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为簇头将接收的所述采集的数据发送至下一跳节点，以由下一跳节点转发所述采集的数据，直至该采集的数据发送至汇聚节点。
在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，在对所述用户终端进行验证成功之后，所述方法还包括：
所述云服务模块检测所述用户终端发送身份认证请求的次数，当发送身份认证请求的次数大于预设阈值时，拒绝与所述用户终端建立连接。
在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，在对所述用户终端进行验证成功之后，所述方法还包括：
所述云服务模块响应用户终端的访问请求，提供存储的数据的操作界面给所述用户终端；
所述云服务模块响应所述用户终端基于所述操作界面的操作。
本发明第二方面实施例提供了一种基于云服务的数据通信装置，该装置包括：
接收子模块，其与无线通信模块通信，用于通过无线通信模块从无线传感器网络监测模块接收采集的数据，还用于接收由本地设备模块中的用户终端发送的身份认证请求；
存储子模块，用于存储所述采集的数据；
验证子模块，用于根据所述身份认证请求对所述用户终端进行验证，其中当所述验证子模块在数据库中查找到所述身份标识以及验证所述密钥正确时，判定认证成功；
控制子模块，用于在验证子模块对所述用户终端验证成功后，控制发送子模块与所述用户终端建立通信连接；
处理子模块，用于将所述采集的数据与预存的标准数据进行比对，以确定所述采集的数据是否发生异常；
发送子模块，用于在所述采集的数据发生异常时，将异常的数据发送至与其建立通信的用户终端；
其中，所述无线传感器网络监测模块包括单个汇聚节点、多个传感器节点以及多个簇头，每个传感器节点选择距离最近的簇头加入簇，所述云服务模块与所述汇聚节点进行数据通信；所述传感器节点负责进行数据的采集，所述簇头负责收集簇内各传感器节点采集的数据，簇头与汇聚节点之间的距离未超过设定的距离上限时，传感器节点选择直接通信的模式；否则，簇头选择间接通信的模式，所述直接通信为簇头直接将收集的所述采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为簇头将接收的所述采集的数据发送至下一跳节点，以由下一跳节点转发所述采集的数据，直至该采集的数据发送至汇聚节点。
在本发明第二方面实施例的一种能够实现的方式中，所述验证子模块在对所述用户终端进行验证成功之后，所述验证子模块还用于：
检测所述用户终端发送身份认证请求的次数，当发送身份认证请求的次数大于预设阈值时，拒绝与所述用户终端建立连接。
在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，所述验证子模块在对所述用户终端进行验证成功之后，所述控制子模块响应用户终端的访问请求，控制所述发送子模块提供存储的数据的操作界面给所述用户终端；
所述控制子模块响应所述用户终端基于所述操作界面的操作。
本发明的第三方面实施例提供一种基于云服务的数据通信系统，所述系统包括用于执行如上所述基于云服务的数据通信方法的云服务模块、无线通信模块、本地设备模块以及无线传感器网络监测模块。
其中，所述本地设备模块中包括至少一个用户终端，各个所述用户终端之间通过zigbee或者wifi进行组网和通信。
其中，所述用户终端包括安卓设备、ios设备、个人计算机、嵌入式板卡以及页面客户端中的至少一种。
本发明上述实施例基于无线传感器网络技术，实现了数据的无线通信和对数据的实时处理，无需布线，节省人力物力；通过云服务模块与用户终端的交互，可以更有效地更实时地将用户所需的数据呈现给用户；通过对用户终端进行身份认证，实现了数据隐私的保护。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1是本发明一个示例性实施例的一种基于云服务的数据通信方法的流程示意图；
图2是本发明一个示例性实施例的一种基于云服务的数据通信装置的结构示意框图；
图3是本发明一个示例性实施例的一种基于云服务的数据通信系统的结构示意框图。
附图标记：
接收子模块1、存储子模块2、验证子模块3、控制子模块4、处理子模块5、发送子模块6、云服务模块10、无线通信模块20、本地设备模块30、无线传感器网络监测模块40。
具体实施方式
结合以下实施例对本发明作进一步描述。
参见图1，本发明第一方面实施例提供了一种基于云服务的数据通信方法，该方法包括：
本发明第一方面实施例提供了一种基于云服务的数据通信方法，该方法包括：
s01云服务模块通过无线通信模块从无线传感器网络监测模块接收并存储采集的数据；其中，所述无线传感器网络监测模块包括单个汇聚节点、多个传感器节点以及多个簇头，每个传感器节点选择距离最近的簇头加入簇，所述云服务模块与所述汇聚节点进行数据通信；所述传感器节点负责进行数据的采集，所述簇头负责收集簇内各传感器节点采集的数据，每个簇头根据到汇聚节点的距离选择直接通信或者间接通信的模式与所述汇聚节点通信，所述直接通信为簇头直接将收集的所述采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为簇头将接收的所述采集的数据发送至下一跳节点，以由下一跳节点转发所述采集的数据，直至该采集的数据发送至汇聚节点。
s02所述云服务模块接收由本地设备模块中的用户终端发送的包含密钥和身份标识的身份认证请求。
s03所述云服务模块根据所述身份认证请求对所述用户终端进行认证，在认证成功后与所述用户终端建立通信连接，其中当所述云服务模块在其数据库中查找到所述身份标识以及验证所述密钥正确时，判定认证成功。
s04所述云服务模块将接收的所述采集的数据与预存的标准数据进行比对，以确定所述采集的数据是否发生异常，在所述采集的数据发生异常时，所述云服务模块将异常的数据发送至与其建立通信的用户终端。
在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，在对所述用户终端进行验证成功之后，所述方法还包括：
所述云服务模块检测所述用户终端发送身份认证请求的次数，当发送身份认证请求的次数大于预设阈值时，拒绝与所述用户终端建立连接。
在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，在对所述用户终端进行验证成功之后，所述方法还包括：
所述云服务模块响应用户终端的访问请求，提供存储的数据的操作界面给所述用户终端；
所述云服务模块响应所述用户终端基于所述操作界面的操作。
如图2所示，本发明第二方面实施例提供了一种基于云服务的数据通信装置，该装置包括：
接收子模块1，其与无线通信模块通信，用于通过无线通信模块从无线传感器网络监测模块接收采集的数据，还用于接收由本地设备模块中的用户终端发送的身份认证请求；
存储子模块2，用于存储所述采集的数据；
验证子模块3，用于根据所述身份认证请求对所述用户终端进行验证，其中当所述验证子模块3在数据库中查找到所述身份标识以及验证所述密钥正确时，判定认证成功；
控制子模块4，用于在验证子模块3对所述用户终端验证成功后，控制发送子模块6与所述用户终端建立通信连接；
处理子模块5，用于将所述采集的数据与预存的标准数据进行比对，以确定所述采集的数据是否发生异常；
发送子模块6，用于在所述采集的数据发生异常时，将异常的数据发送至与其建立通信的用户终端；
其中，所述无线传感器网络监测模块包括单个汇聚节点、多个传感器节点以及多个簇头，每个传感器节点选择距离最近的簇头加入簇，所述云服务模块与所述汇聚节点进行数据通信；所述传感器节点负责进行数据的采集，所述簇头负责收集簇内各传感器节点采集的数据，簇头与汇聚节点之间的距离未超过设定的距离上限时，传感器节点选择直接通信的模式；否则，簇头选择间接通信的模式，所述直接通信为簇头直接将收集的所述采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为簇头将接收的所述采集的数据发送至下一跳节点，以由下一跳节点转发所述采集的数据，直至该采集的数据发送至汇聚节点。
在本发明第二方面实施例的一种能够实现的方式中，所述验证子模块3在对所述用户终端进行验证成功之后，所述验证子模块3还用于：
检测所述用户终端发送身份认证请求的次数，当发送身份认证请求的次数大于预设阈值时，拒绝与所述用户终端建立连接。
在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，所述验证子模块3在对所述用户终端进行验证成功之后，所述控制子模块4响应用户终端的访问请求，控制所述发送子模块6提供存储的数据的操作界面给所述用户终端；
所述控制子模块4响应所述用户终端基于所述操作界面的操作。
如图3所示，本发明的第三方面实施例提供一种基于云服务的数据通信系统，所述系统包括用于执行如上所述基于云服务的数据通信方法的云服务模块10、无线通信模块20、本地设备模块30和无线传感器网络监测模块40。
其中，所述本地设备模块30中包括至少一个用户终端，各个所述用户终端之间通过zigbee或者wifi进行组网和通信。
其中，所述用户终端包括安卓设备、ios设备、个人计算机、嵌入式板卡以及页面客户端中的至少一种。
本发明上述实施例基于无线传感器网络技术，实现了数据的无线通信和对数据的实时处理，无需布线，节省人力物力；通过云服务模块与用户终端的交互，可以更有效地更实时地将用户所需的数据呈现给用户；通过对用户终端进行身份认证，实现了数据隐私的保护。
在上述实施例的基于云服务的数据通信方法、装置和系统中，簇头选择下一跳节点时，具体执行：
(1)每个簇头初始时计算自身的数据传输优势值：
式中，qi表示簇头i的数据传输优势值，d(i,sink)为簇头i到汇聚节点的距离，d(i,k)为簇头i到其第k个邻居簇头的距离，ni为簇头i具有的邻居簇头数目，λ为设定的权重系数，且0<λ<0.5，所述邻居簇头为位于簇头i通信范围内的簇头；
(2)簇头与各邻居簇头进行信息交互，构建邻居簇头列表，获取各邻居簇头的数据传输优势值信息，并存储到邻居簇头列表中相应的位置；在选择下一跳节点时，簇头按照下列公式计算各邻居簇头的权值，并选择权值最大的邻居簇头作为下一跳节点：
式中，wab表示簇头a的邻居簇头b的权值，qab为所述邻居簇头b的数据传输优势值，d(a,b)为簇头a到所述邻居簇头b的距离，eb为所述邻居簇头b的当前剩余能量，emin为预设的最小能量值，vb为已将所述邻居簇头b作为下一跳节点的簇头数量，nb为所述邻居簇头b的邻居簇头数量，ω为设定的调整系数；σ1、σ2为设定的权重系数且σ1+σ2＝1。
本实施例创新性地设定了簇头的数据传输优势值的计算公式，该计算公式基于簇头与周围簇头、汇聚节点之间的位置关系进行数据传输优势值的计算，能够较好地衡量簇头转发数据时的位置优势情况，为后续簇头确定下一跳节点提供基础数据参考，从而有利于提高簇头确定下一跳节点的效率；本实施例基于邻居簇头的能量、位置以及已被其他簇头选作下一跳节点三个因素，创新性地设定了权值的计算公式，该计算公式能够使得能量、位置更具备优势的邻居簇头具有更大的概率来进行数据转发，而且该计算公式设置了衰减系数
在一个实施例中，初始时，簇头根据与簇内各传感器节点的信息交互，构建簇内传感器节点列表，并按照下列公式计算簇内各传感器节点的簇头竞选值及相应的簇头竞选值平均值，将大于簇头竞选值平均值的簇头竞选值存储到所述簇内传感器节点列表的相应位置：
式中，cij为簇头i的簇内传感器节点j的簇头竞选值，d(i,j)为簇头i与所述簇内传感器节点j的距离，ri为簇头i的通信距离，zi为簇头i通信范围内的传感器节点数量，zj为所述簇内传感器节点j通信范围内的传感器节点数量，ρ1为预设的距离影响因子，ρ2为预设的基于社会关联度的影响因子，ρ1的取值范围为[0.4,0.5]，ρ2的取值范围为[0.3,0.4]；
簇头的当前剩余能量低于0.1emin时，簇头向存储有簇头竞选值的传感器节点发送竞选消息，收到该竞选消息的传感器节点判断自身的当前剩余能量是否大于2emin，若是，则向该簇头发送反馈，该簇头将接收到的第一个反馈对应的传感器节点作为继任簇头，并广播至其簇内的各传感器节点，以由继任簇头负责后续的数据收集任务。
本实施例创造性地设定了簇头的更换机制，该机制中簇头预先计算簇内各传感器节点的簇头竞选值，并将大于簇头竞选值平均值的簇头竞选值存储到所述簇内传感器节点列表的相应位置。通过提前确定可以充当继任簇头的候选传感器节点，有利于避免簇头在轮换时消耗更多的能量。当簇头的能量低于一定水平即难以维持工作时，通过向存储有簇头竞选值的传感器节点发送竞选消息，由收到该竞选消息的传感器节点自行判断能否充当继任簇头，提高了簇头轮换的效率。结合基于簇头竞选值的预先筛选以及后续传感器节点的自行判断机制，进行继任簇头的确定，有利于促使簇头尽可能选择到最佳的继任簇头，从而较好地完成原本由该簇头承担的数据收集和协助转发的任务，同时尽可能地减小该簇头因能量过低不能维持正常工作给数据通信带来的不利影响，保障无线传感器网络运行的稳定性。
在一个实施例中，下一跳节点每隔一个周期δt判断自身的转发能量情况，若满足下列条件，该下一跳节点向其上一跳簇头发送预警消息，促使收到该预警消息的簇头重新选择下一跳节点：
式中，el为下一跳节点l的当前剩余能量，hl为下一跳节点l的当前可用缓存的大小，hmin为设定的最低缓存阈值，f(el-emin)为判断取值函数，当el-emin>0时，f(el-emin)＝1，当el-emin≤0时，f(el-emin)＝0，δ为预设的基于距离的单位数据拥塞延缓因子，g的取值范围为[0.01,0.03]，d0为预设的数据包转发单位距离，dl,avg为下一跳节点l与其所有上一跳簇头的距离的平均值。
本实施例设计了下一跳节点的反馈预警机制，其中创新性地设定了下一跳节点每隔一个周期δt判断自身的转发能量情况的判断条件。该判断条件中确定下一跳节点的缓存情况时，不仅考虑了下一跳节点当前可用的缓存大小，而且考虑了下一跳节点因为与各上一跳簇头存在距离而导致数据拥塞延缓的情况，从而使得对下一跳节点的缓存情况的确定更具鲁棒性和精确性。本实施例中，该下一跳节点在满足该判断条件时向其上一跳簇头发送预警消息，促使收到该预警消息的簇头重新选择下一跳节点，有利于降低下一跳节点因为数据拥塞度过大或者能量不足而丢包的概率，进而提高数据通信的可靠性和效率。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统和终端的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列子模块中实现：专用集成电路、数字信号处理器、数字信号处理系统、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子子模块或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于随机存取存储器、只读内存镜像、带电可擦可编程只读存储器或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储系统、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
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