基于無線傳感器網絡的智慧城市數據分析

王 華

（河南工業貿易職業學院信息工程學院 河南 鄭州 450012）

1 引言

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

2 無線傳感器網絡及其相關技術

在檢測區域中，大量的傳感器節點會周期性地接收信息，并將信息傳遞給網絡節點。各個用戶獲取信息的方式是通過網絡傳輸，將匯聚節點的數據進行傳遞的。用戶在獲得采集的數據、等待數據傳輸過程中，可能會遇到一些問題，主要有網絡故障、網絡延遲、無效數據以及網絡節點能耗較大等，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

隨著無線傳感器網絡的發展，在無線傳感器網絡的傳輸中，多種多媒體數據存在于網絡中，例如：文字、圖片、音頻、視頻等。因為無線傳感器節點自身的特點，對以上多媒體數據傳輸時，要考慮到網絡吞吐量、傳輸速率、延遲時間等問題。為了保證數據傳輸的有效性、安全性、可靠性，在網絡能耗與應用層時效性方面，要選擇最優路徑，傳輸層需要根據網絡層和MAC層的通信狀態協調數據傳輸，確保數據完整。因此，不同的層需要根據不同的需求選擇合理的QoS機制。

2.2 數據融合技術

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

2.3 網絡安全機制

有線傳感器網絡的主要工作是采集數據，很容易被外界其他對象所干擾。同時，也容易在數據采集和數據傳輸過程中造成數據串擾。正因為如此，采集的數據很容易被黑客竊聽、截取，甚至修改數據路徑。如果數據遭到修改，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，無線傳感器網絡的安全機制建設就尤為重要。

3 無線信號功率計算

連續時間信號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。

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

檢測環境的數據主要是由各個節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據保存并實現轉換，處理模塊把轉換為數字信號的數據進行存儲和轉發。處理模塊是由處理器和內存組成的，是節點邏輯處理和具體操作的中心。處理完成的數據由通信模塊通過無線傳感器通道負責發送給其他節點。通信模塊是各個節點的交互點。

4 無線傳感器網絡拓撲分析

無線網絡拓撲結構主要有3種形式：星形網絡、網狀網絡和混合網絡。

（1）星形網絡的拓撲結構是單跳結構。所有傳感器節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絡。由于無線傳感器網絡規模龐大，節點與基站以一跳的形式進行通信時，數據傳輸需要非常大的功率。節點的能量非常有限，這使得節點的能量很快耗盡。因此，在無線傳感器網絡中不宜采用單星形網絡拓撲結構。

（2）網狀網絡拓撲是一種多跳結構，所有的傳感器節點都可以相互通信。通過算法，節點可以找到一條或多條合理的數據傳輸路徑。在數據傳輸過程中，多跳網狀網絡的拓撲結構容易被節點動態改變，從而產生環路，因此路由協議并不完全適合傳感器網絡的應用。

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

5 無線局域網的組成

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

（1）終端節點：主要是對家用電器（包括電視、空調、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）擴展節點：該技術在無線局域網中經常用到。無線通信模塊都有最大傳輸距離，一旦電氣設備中節點距離過大，超出了最大傳輸距離，會造成傳輸不穩定、傳輸失敗等情況的出現，這時就需要在兩者之間架設擴展設備，起到中繼作用。

（3）中心節點：在無線局域網中，需要一個管理者對所有終端節點和擴展節點進行管理，并接受主機模塊的統一管理。一般的流程為：用戶向主機模塊發出指令，主機模塊將接收到的指令傳達給中心節點，通過無線局域網，傳輸給終端節點和擴展節點。在終端節點執行完相應指令并得到結果時，將結果傳輸給中心節點。最后，中心節點再將所有接收數據傳輸給主機模塊。

（4）主機模塊：主機模塊向所有中心節點發出指令，中心節點向終端節點和擴展節點傳輸數據并運算數據，將得到的結果再逆向傳輸給中心節點，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控，通過GSM網絡發送回遠程PC監控終端或用戶的智能手機終端。無線局域網的正常運行，是通過主機模塊來管理實現的[3]。

6 智慧城市智慧水平評價

城市運營的數字化不僅帶來了系統優化，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，要充分發揮智能城市的評價體系在城市建設中的重要作用，具有創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展提供更為有利的、客觀的標準。

7 實驗和驗證

Web網絡服務是一種被動訪問的服務程序，一直處于偵聽狀態，即只有接收到互聯網中其他主機發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送連接請求，此請求是按照HTTP協議格式打包成一個數據包。當服務器接收到客戶端的訪問請求時，同樣會以HTTP協議格式解包，然后解析客戶端的意圖。服務器得知客戶端的意圖后，會對數據進行分類處理、數據處理等操作，處理完成后將結果以HTTP格式打包并裝入緩沖區，最后該數據包通過網絡傳輸給客戶端。瀏覽器通過HTTP協議格式解包，解析數據，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、瀏覽各個節點采集、處理完成的數據，這些數據是存放在遠程服務器數據庫中的。數據庫可以對數據進行有效的管理，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，并盡可能采集監測區域的數據。因此，我們將網絡運行生命周期和總數據流作為評價算法性能的兩個重要指標[4]。

8 結語

智慧城市是由戰略、社會、經濟、支持、空間等幾個要素構成的，這些要素相互關聯、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、生活等主要領域，創造更加符合現代人發展需要的城市生活環境和物質條件，促進城市全面發展。從技術發展角度看，智慧城市建設要求以移動技術為代表的物聯網、云計算等新一代信息技術應用，實現全面感知、無所不在的互聯互通以及無處不在的計算和融合應用。從社會發展的角度看，智慧城市需要在知識社會環境下實現可持續創新。