基于物联网的数据通信方法、装置及系统与流程
本发明涉及物联网技术领域，具体涉及基于物联网的数据通信方法、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。
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，本发明提供基于物联网的数据通信方法、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基于物联网的数据通信方法，该方法包括：
云服务器模块通过无线通信模块从无线传感器网络模块接收并存储采集的数据；
所述云服务器模块接收由本地设备模块中的智能终端发送的身份认证请求；
所述云服务器模块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，所述云服务器模块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，所述云服务器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实施方式中，所述身份认证请求包括证书，所述云服务器模块对所述证书进行验证，若所述证书正确，则判定验证成功。
在本发明第一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，所述云服务器模块对所述密钥进行验证，若所述密钥正确，则判定验证成功。
在本发明第一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：
所述云服务器模块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。
在本发明第一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：
所述云服务器模块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；
所述云服务器模块响应所述智能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基于物联网的数据通信装置，该装置包括：
接收单元，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模块接收采集的数据，还用于接收由本地设备模块中的智能终端发送的身份认证请求；
存储单元，用于存储所述采集的数据；
验证单元，用于根据所述身份认证请求对所述智能终端进行验证；
控制单元，用于在验证单元对所述智能终端验证成功后，控制发送单元与所述智能终端建立通信连接；
处理单元，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；
发送单元，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智能终端；
其中，所述无线传感器网络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，所述云服务器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。
在本发明第二方面实施例的一种能够实现的方式中，所述验证单元在对所述智能终端进行验证成功之后，所述验证单元还用于：
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。
在本发明第一方面实施例的一种能够实现的方式中，所述验证单元在对所述智能终端进行验证成功之后，所述控制单元响应智能终端的访问请求，控制所述发送单元提供存储的数据的操作界面给所述智能终端；
所述控制单元响应所述智能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基于物联网的数据通信系统，所述系统包括用于执行如上所述基于物联网的数据通信方法的云服务器模块、无线通信模块、本地设备模块以及无线传感器网络模块。
其中，所述本地设备模块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。
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；通过云服务器模块与智能终端的交互，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基于物联网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基于物联网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基于物联网的数据通信系统的结构示意框图。
附图标记：
接收单元1、存储单元2、验证单元3、控制单元4、处理单元5、发送单元6、云服务器模块10、无线通信模块20、本地设备模块30、无线传感器网络模块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基于物联网的数据通信方法，该方法包括：
s01云服务器模块通过无线通信模块从无线传感器网络模块接收并存储采集的数据。其中，所述无线传感器网络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，所述云服务器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所述云服务器模块接收由本地设备模块中的智能终端发送的身份认证请求。
s03所述云服务器模块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，所述云服务器模块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，所述云服务器模块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，所述云服务器模块将异常的数据发送至与其建立通信的智能终端。
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：
所述云服务器模块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。
在本发明第一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：
所述云服务器模块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；
所述云服务器模块响应所述智能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基于物联网的数据通信装置，该装置包括：
接收单元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模块接收采集的数据，还用于接收由本地设备模块中的智能终端发送的身份认证请求；
存储单元2，用于存储所述采集的数据；
验证单元3，用于根据所述身份认证请求对所述智能终端进行验证；
控制单元4，用于在验证单元3对所述智能终端验证成功后，控制发送单元6与所述智能终端建立通信连接；
处理单元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；
发送单元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智能终端；
其中，所述无线传感器网络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，所述云服务器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。
在本发明第二方面实施例的一种能够实现的方式中，所述验证单元3在对所述智能终端进行验证成功之后，所述验证单元3还用于：
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，所述验证单元3在对所述智能终端进行验证成功之后，所述控制单元4响应智能终端的访问请求，控制所述发送单元6提供存储的数据的操作界面给所述智能终端；
所述控制单元4响应所述智能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基于物联网的数据通信系统，所述系统包括用于执行如上所述基于物联网的数据通信方法的云服务器模块10、无线通信模块20、本地设备模块30以及无线传感器网络模块40。
其中，所述本地设备模块30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。
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；通过云服务器模块与智能终端的交互，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，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，包括：
(1)初始时，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；
(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簇头的当前剩余能量，根据所述当前剩余能量计算出对应的中值pmed，并将pmed信息发送至与其直接通信的簇头；所述与其直接通信的簇头根据pmed更新距离上限，若所述与其直接通信的簇头与汇聚节点之间的距离超过更新的距离上限，则所述与其直接通信的簇头将进入休眠模式，或者将通信模式切换为间接通信的模式；其中，所述距离上限的更新公式为：
式中，
其中，若距离上限的更新次数达到次数阈值，或者更新的距离上限低于sr/2时，簇头将停止距离上限的更新。
其中，所述的邻居簇头为位于簇头通信范围内的其他簇头。
本实施例通过与汇聚节点直接通信的簇头进行距离上限的定期更新，来改变该簇头的通信模式，其中创造性地设定了距离上限的更新公式。根据该公式可知，距离上限将随着簇头能耗的增多而逐渐减小，尤其在簇头能量低于汇聚节点周围簇头的剩余能量中值时减小的程度更大。
本实施例能够促使能量低于中值的簇头及早切换通信模式或者进入休眠模式，通过该簇头进入休眠或者选择继任簇头的机制，能够有效避免与汇聚节点直接通信且相距较远的簇头过度消耗能量，且有效平衡汇聚节点周围簇头的负载，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，所述与其直接通信的簇头将进入休眠模式，或者将通信模式切换为间接通信的模式，具体为：
(1)与汇聚节点直接通信的簇头，与汇聚节点之间的距离超过更新的距离上限时，该簇头与各邻居簇头进行信息交互，获取各邻居簇头的位置信息，若不存在相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头，该簇头将进入休眠模式；
(2)若存在相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头，该簇头将通信模式切换为间接通信的模式，并从距离汇聚节点更近的邻居簇头中选择下一跳节点：
1)若相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头只有1个，则该簇头直接选择该邻居簇头作为下一跳节点；
2)若相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头为多个，则该簇头向所有相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头发送请求信息，选择第一个反馈该请求信息的邻居簇头作为下一跳节点；
其中，邻居簇头接收所述请求信息后，判断自身是否满足下列协助转发条件，若符合，则向发送请求信息的簇头反馈：
式中，pxj表示接收到簇头x请求信息的第j个邻居簇头的当前剩余能量，
本实施例中，簇头根据是否存在相对于其距离汇聚节点更近的邻居簇头，选择时进入休眠模式还是将通信模式切换为间接通信的模式，能够有效避免簇头在能量不足以维持与汇聚节点直接通信时过度消耗能量。其中本实施例在簇头切换为间接通信模式是，创新性地为该簇头设定了下一跳节点的选择机制以及相应的协助转发条件，该机制中，由邻居簇头根据自身的能量和缓存效率情况判断是否满足协助转发条件，进而选择是否向发送请求信息的簇头发送反馈信息，以竞选下一跳节点。该机制能够促使簇头尽量选择能量足够且缓存效率较高的邻居簇头作为下一跳节点，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。另一方面，本实施例相对于由簇头直接判断各邻居簇头的方式，更有利于提高下一跳节点的选择效率，减少簇头选择下一跳节点的能耗。
在一个实施例中，与汇聚节点直接通信的簇头在进入休眠模式之前，在其簇内选择一个权值最大的传感器节点作为继任簇头，所述继任簇头选择直接通信的模式与所述汇聚节点通信，所述权值的计算公式为：
式中，vab为进入休眠模式的簇头a所在簇内第b个传感器节点的权值，pab为所述第b个传感器节点的当前剩余能量，pab0为所述第b个传感器节点的初始能量，h(pab-pmed)为判断取值函数，当pab-pmed≥0时，h(pab-pmed)＝1，当pab-pmed＜0时，h(pab-pmed)＝0；s(a,b)为所述簇头a与所述第b个传感器节点的距离，sr为所述设定的距离上限，za为所述簇头a的邻居节点数量，zb为所述第b个传感器节点的邻居节点数量，za∩zb为所述簇头a与所述第b个传感器节点共有的邻居节点数量，d2为预设的距离影响因子，d3为预设的社会关联度影响因子，d2的取值范围为[0.4,0.5]，d3的取值范围为[0.3,0.4]。
本实施例创造性地设定了继任簇头的选择机制，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。利用该选择机制确定继任簇头，能够尽可能地减小该簇头进入休眠模式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。
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。
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