一种物联网系统架构及数据通信方法与流程

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及一种物联网系统架构及数据通信方法。

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。

物联网(iot，theinternetofthings)是在互联网基础上的延伸和拓展，物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网的关键技术有射频识别(rfid，radiofrequencyidentification)、传感网、m2m、两化融合等。物联网将各种信息传感设备，如无线传感器网络(wsn，wirelesssensornetwork)节点、rfid装置、红外感应器、移动手机、pda、全球定位系统(gps，globalpositioningsystem)、激光扫描器等各种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。在现代社会中，物联网的应用相当广泛。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提供一种物联网系统架构及数据通信方法。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

本发明的第一方面实施例提供了一种物联网系统架构，包括：

云服务器层、通信层、本地设备层以及无线传感器网络层，其中：

所述云服务器层中通过所述通信层与所述本地设备层以及无线传感器网络层进行数据通信；

所述本地设备层中包括至少一个智能终端，各个所述智能终端之间通过zigbee或者wifi进行组网和通信；

其中，所述无线传感器网络层包括多个负责采集数据的传感器节点和负责汇聚各传感器节点采集的数据的汇聚节点，所述云服务器层与所述汇聚节点进行数据通信；传感器节点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，所述直接通信为传感器节点直接将采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为传感器节点将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。

其中，所述智能终端包括安卓设备、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。

在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，所述云服务器层包括采用mysql的数据存储服务器和数据传输服务器。

本发明第二方面实施例提供了一种应用如上所述的物联网系统架构的一种数据通信方法，该方法包括：

云服务器层通过通信层从无线传感器网络层接收并存储采集的数据；

所述云服务器层接收由本地设备层中的智能终端发送的身份认证请求；

所述云服务器层根据所述身份认证请求对所述智能终端进行验证，在验证成功后，与所述智能终端建立通信连接；

所述云服务器层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，所述云服务器层将异常的数据发送至与其建立通信的智能终端；

其中，所述无线传感器网络层包括多个负责采集数据的传感器节点和负责汇聚各传感器节点采集的数据的汇聚节点，所述云服务器层与所述汇聚节点进行数据通信；传感器节点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，所述直接通信为传感器节点直接将采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为传感器节点将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实施方式中，所述身份认证请求包括证书，所述云服务器层对所述证书进行验证，若所述证书正确，则判定验证成功。

在本发明第二方面实施例的另一种实施方式中，所述身份认证请求包括密钥，所述云服务器层对所述密钥进行验证，若所述密钥正确，则判定验证成功。

在本发明第二方面实施例的一种能够实现的方式中，在对所述智能终端进行验证成功之后，所述方法还包括：

所述云服务器层检测所述智能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，拒绝与所述智能终端建立连接。

在本发明第二方面实施例的一种能够实现的方式中，在对所述智能终端进行验证成功之后，所述方法还包括：

所述云服务器层响应智能终端的访问请求，提供存储的数据的操作界面给所述智能终端；

所述云服务器层响应所述智能终端基于所述操作界面的操作。

本发明的有益效果为：基于无线传感器网络和物联网技术，实现了数据的无线通信和对数据的实时监测和处理，无需布线，节省人力物力；通过云服务器层与智能终端的交互，可以更有效地更实时地将用户所需的数据呈现给用户；通过对智能终端进行身份认证，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物联网系统架构的结构示意框图；

图2是本发明一个示例性实施例的数据通信方法的流程示意图。

附图标记：

云服务器层1、通信层2、本地设备层3、无线传感器网络层4。

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，本发明的第一方面实施例提供了一种物联网系统架构，包括：

云服务器层1、通信层2、本地设备层3以及无线传感器网络层4，其中：

所述云服务器层1中通过所述通信层2与所述本地设备层3以及无线传感器网络层4进行数据通信；

所述本地设备层3中包括至少一个智能终端，各个所述智能终端之间通过zigbee或者wifi进行组网和通信；

其中，所述无线传感器网络层4包括多个负责采集数据的传感器节点和负责汇聚各传感器节点采集的数据的汇聚节点，所述云服务器层1与所述汇聚节点进行数据通信；传感器节点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，所述直接通信为传感器节点直接将采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为传感器节点将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。

其中，所述智能终端包括安卓设备、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。

在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，所述云服务器层1包括采用mysql的数据存储服务器和数据传输服务器。

如图2所示，本发明第二方面实施例提供了一种应用如上所述的物联网系统架构的数据通信方法，该方法包括：

s01云服务器层通过通信层从无线传感器网络层接收并存储采集的数据。其中，所述无线传感器网络层包括多个负责采集数据的传感器节点和负责汇聚各传感器节点采集的数据的汇聚节点，所述云服务器层与所述汇聚节点进行数据通信；传感器节点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，所述直接通信为传感器节点直接将采集的数据发送至所述汇聚节点，所述间接通信为传感器节点将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所述云服务器层接收由本地设备层中的智能终端发送的身份认证请求。

s03所述云服务器层根据所述身份认证请求对所述智能终端进行验证，在验证成功后，与所述智能终端建立通信连接。在一种实施方式中，所述身份认证请求包括证书，所述云服务器层对所述证书进行验证，若所述证书正确，则判定验证成功。在另一种实施方式中，所述身份认证请求包括密钥，所述云服务器层对所述密钥进行验证，若所述密钥正确，则判定验证成功。

s04所述云服务器层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，所述云服务器层将异常的数据发送至与其建立通信的智能终端。

在一种能够实现的方式中，在对所述智能终端进行验证成功之后，所述方法还包括：

所述云服务器层检测所述智能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，拒绝与所述智能终端建立连接。

在一种能够实现的方式中，在对所述智能终端进行验证成功之后，所述方法还包括：

所述云服务器层响应智能终端的访问请求，提供存储的数据的操作界面给所述智能终端；

所述云服务器层响应所述智能终端基于所述操作界面的操作。

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监测和处理，无需布线，节省人力物力；通过云服务器层与智能终端的交互，可以更有效地更实时地将用户所需的数据呈现给用户；通过对智能终端进行身份认证，实现了数据隐私的保护。

在上述实施例的物联网系统架构及数据通信方法中，所述传感器节点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，包括：

(1)初始时，传感器节点与汇聚节点之间的距离未超过设定的距离阈值时，传感器节点选择直接通信的模式；否则，传感器节点选择间接通信的模式；

(2)预先设定周期δt0，每经过一个周期δt0，所述汇聚节点收集与其直接通信的传感器节点的当前剩余能量，根据所述当前剩余能量计算出对应的平均值eavg，并将eavg信息发送至与其直接通信的传感器节点；所述与其直接通信的传感器节点根据eavg更新距离阈值，若所述与其直接通信的传感器节点与汇聚节点之间的距离超过更新的距离阈值，则所述与其直接通信的传感器节点将通信模式切换为间接通信的模式，并选择一个邻居节点作为继任节点，向所述继任节点发送请求信息，以使所述继任节点的通信模式切换为直接通信的模式；

其中，所述距离阈值的更新公式为：

式中，为与汇聚节点直接通信的传感器节点i更新的距离阈值，dt为所述设定的距离阈值，ei0为所述传感器节点i的初始能量，ei为所述传感器节点i的当前剩余能量，w1为预设的能耗影响因子，w1的取值范围为[0.2，0.3]，ki(dt)为所述传感器节点i在dt范围内的邻居节点数量，ki为所述传感器节点i的邻居节点数量，α1、α2为预设的权重系数，且α1+α2＝1，f(eavg-ei)为判断取值函数，当eavg-ei＞0时，f(eavg-ei)＝1，当eavg-ei≤0时，f(eavg-ei)＝0；

其中，若距离阈值的更新次数达到次数阈值，或者更新的距离阈值低于dt/2时，传感器节点将停止距离阈值的更新。

其中，所述的邻居节点为位于传感器节点通信范围内的其他传感器节点。

本实施例通过传感器节点进行距离阈值的定期更新来改变与其直接通信的传感器节点的通信模式，其中创造性地设定了距离阈值的更新公式。根据该公式可知，距离阈值将随着传感器节点能耗的增多而逐渐减小，距离阈值也受到传感器节点的邻居节点情况以及汇聚节点周围传感器节点的平均剩余能量的影响。本实施例能够促使能量低于平均值的传感器节点及早切换通信模式，能够有效避免与汇聚节点直接通信且相距较远、邻近的邻居节点较多的传感器节点过度消耗能量，通过该传感器节点选择继任节点的机制，能够有效平衡汇聚节点周围传感器节点的负载，减少能量空洞的现象，从而在整体上有助于延长传感器节点的工作周期，提高数据通信的稳定性。

在一个实施例中，所述选择一个邻居节点作为继任节点，包括：

(1)与汇聚节点直接通信的传感器节点通过与邻居节点的信息交互，将采用间接通信模式的邻居节点作为候选节点，若候选节点数量为0，则该传感器节点放弃继任节点的选择；

(2)当候选节点数量为1时，该传感器节点直接选择对应的候选节点作为继任节点；

(3)当候选节点数量大于1时，该传感器节点计算各候选节点的权值，并选择权值最大的候选节点作为继任节点，所述权值的计算公式为：

式中，hab为与汇聚节点直接通信的传感器节点a的第b个邻居节点的权值，eab为所述第b个邻居节点的当前剩余能量，eab0为所述第b个邻居节点的初始能量，z(eab-eavg)为另一判断取值函数，当eab-eavg≥0时，z(eab-eavg)＝1，当eab-eavg＜0时，z(eab-eavg)＝0；ma为所述传感器节点a的邻居节点数量，mb为所述第b个邻居节点的邻居节点数量，ma∩mb为所述传感器节点a与所述第b个邻居节点共有的邻居节点数量，w1为所述预设的能耗影响因子，w2为预设的社会关联度影响因子，w2的取值范围为[0.3，0.4]。

本实施例创造性地设定了继任节点的选择机制，其中设定了权值的计算公式。通过该权值计算公式，可以有效衡量各个邻居节点的能量优势和位置优势，从而帮助传感器节点尽可能选择到最佳的继任节点，从而较好地完成原本由该传感器节点承担的数据转发的任务。利用该选择机制确定继任节点，有利于较优化地平衡该传感器节点周边节点的负载，且能够在该传感器节点将通信模式切换为间接通信的模式时，尽可能地减小模式转换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，传感器节点选择下一跳节点时，若存在采用直接通信模式的邻居节点，则该传感器节点直接在采用直接通信模式的邻居节点中，选择距离最近的邻居节点作为下一跳节点；

若不存在采用直接通信模式的邻居节点，该传感器节点向相对于其距离汇聚节点更近的邻居节点发送请求，接收到该请求的邻居节点计算自己的转发能力，若转发能力大于预设的转发能力阈值，则该邻居节点向发送所述请求的传感器节点发送包含转发能力的反馈信息，该传感器节点选择转发能力最大的邻居节点作为下一跳节点，所述转发能力按照下列公式计算：

式中，yxj表示接收到传感器节点x请求的第j个邻居节点的转发能力，bxj为所述第j个邻居节点的当前剩余能量，emin为预设的传感器节点维持工作能量所需的最小能量，bxj为所述第j个邻居节点当前为缓存数据包所占用的缓存大小，bxj0为所述第j个邻居节点的初始缓存空间大小，d(x，j)为所述传感器节点x与所述第j个邻居节点的距离，d0为预设的数据包转发单位距离，q为预设的基于距离的单位数据拥塞延缓因子，q的取值范围为[0.01，0.03]。

本实施例创新性地设定了下一跳节点的选择机制，其中首次提出了转发能力的概念及其计算公式。该机制中，接收到传感器节点的请求的邻居节点计算自己的转发能力，根据自己的转发能力与预设的转发能力阈值的比较结果，确定是否去竞选传感器节点的下一跳节点。其中，转发能力的计算公式在考虑邻居节点的缓存大小时，创新性地引入了单位数据拥塞延缓因子，使得对邻居节点的缓存情况的计算更加有鲁棒性。本实施例能够促使传感器节点尽量选择距离较近且缓存效率较高的邻居节点作为下一跳节点，有利于降低下一跳节点因为数据缓存过慢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单元中实现：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单元或其组合。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。