基于无线传感器网络的智慧城市数据分析

王 华

（河南工业贸易职业学院信息工程学院 河南 郑州 450012）

1 引言

在全球可持续发展的今天，智慧城市与智慧社会的发展与之密不可分。时至今日，智能城市的发展已经进入改革阶段，包括人们的智能化生活方式、各个行业的智能化运营以及城市的自动化程度。随着无线局域网和无线通信技术的发展，远程无线监控家庭系统将成为智能家庭网络的主要趋势。加上嵌入式系统和无线传感器网络的广泛应用，可以实现对网络中各种设备进行管理、信息处理，并通过Web将数据传递给客户，在终端软件显示结果[1]。

2 无线传感器网络及其相关技术

在检测区域中，大量的传感器节点会周期性地接收信息，并将信息传递给网络节点。各个用户获取信息的方式是通过网络传输，将汇聚节点的数据进行传递的。用户在获得采集的数据、等待数据传输过程中，可能会遇到一些问题，主要有网络故障、网络延迟、无效数据以及网络节点能耗较大等，而为了解决以上的问题，需要使用以下的相关技术。

2.1 QoS技术

随着无线传感器网络的发展，在无线传感器网络的传输中，多种多媒体数据存在于网络中，例如：文字、图片、音频、视频等。因为无线传感器节点自身的特点，对以上多媒体数据传输时，要考虑到网络吞吐量、传输速率、延迟时间等问题。为了保证数据传输的有效性、安全性、可靠性，在网络能耗与应用层时效性方面，要选择最优路径，传输层需要根据网络层和MAC层的通信状态协调数据传输，确保数据完整。因此，不同的层需要根据不同的需求选择合理的QoS机制。

2.2 数据融合技术

在无线传感器网络中，传感器节点存在大量的冗余数据信息，这是由于在大量传感器进行数据采集时，检测区域密集，传感器在接收数据时产生了大部分重复数据，既增加了节点的能耗，也影响了数据的正常传输。对于终端及用户来说，数据本身是没有意义的，只看最后的结果，所以，大量的重复数据给无线传感器网络造成了相当大的负担[2]。

2.3 网络安全机制

有线传感器网络的主要工作是采集数据，很容易被外界其他对象所干扰。同时，也容易在数据采集和数据传输过程中造成数据串扰。正因为如此，采集的数据很容易被黑客窃听、截取，甚至修改数据路径。如果数据遭到修改，结果必然会不准确，这使得用户在判断和查看结果时容易做出错误判断，所以，无线传感器网络的安全机制建设就尤为重要。

3 无线信号功率计算

连续时间信号f(t)的能量E和功率P定义为：

离散时间信号f(k)的能量E和功率P定义为：

如果0＜E＜∞，P=0这个信号叫能量信号。如果0＜P＜∞，这个信号被称为功率信号。功率受限信号，即平均功率大于零且有限的信号。

无线传感器网络基本由源节点和汇聚节点两种节点组成。这两种节点方式构成了无线传感器网络，承担着计算、存储、通信、传感或执行的任务。传感器节点设备的选择应根据具体的应用环境和实际要求，如电池的使用寿命、节点的大小、外壳的机械强度、耐腐蚀性等。

检测环境的数据主要是由各个节点通过无线传感器模块来获取的，无线传感器模块把采集到的数据保存并实现转换，处理模块把转换为数字信号的数据进行存储和转发。处理模块是由处理器和内存组成的，是节点逻辑处理和具体操作的中心。处理完成的数据由通信模块通过无线传感器通道负责发送给其他节点。通信模块是各个节点的交互点。

4 无线传感器网络拓扑分析

无线网络拓扑结构主要有3种形式：星形网络、网状网络和混合网络。

（1）星形网络的拓扑结构是单跳结构。所有传感器节点以一跳方式与基站通信。显然，这种方法不适用于无线传感器网络。由于无线传感器网络规模庞大，节点与基站以一跳的形式进行通信时，数据传输需要非常大的功率。节点的能量非常有限，这使得节点的能量很快耗尽。因此，在无线传感器网络中不宜采用单星形网络拓扑结构。

（2）网状网络拓扑是一种多跳结构，所有的传感器节点都可以相互通信。通过算法，节点可以找到一条或多条合理的数据传输路径。在数据传输过程中，多跳网状网络的拓扑结构容易被节点动态改变，从而产生环路，因此路由协议并不完全适合传感器网络的应用。

（3）基于以上两种网络结构的特点，混合网络结构更适合无线传感器网络结构。对于用户来说，整个网络要易于管理，混合网络结构正好具有网络层次结构简单等特点。同时，网络也要易于维护，因为网络结构简单，网络中的各节点更容易控制，同时具有网络故障的自修复能力，这样的网络结构更适合无线传感器在智能化中的应用。

5 无线局域网的组成

无线局域网的组成主要包括：主机模块、主节点、终端节点和扩展节点。下面对各组成部分的相关功能分别进行介绍。

（1）终端节点：主要是对家用电器（包括电视、空调、摄像头、路由器、热水器、台灯等）的功能控制，也包括何种传感器。

（2）扩展节点：该技术在无线局域网中经常用到。无线通信模块都有最大传输距离，一旦电气设备中节点距离过大，超出了最大传输距离，会造成传输不稳定、传输失败等情况的出现，这时就需要在两者之间架设扩展设备，起到中继作用。

（3）中心节点：在无线局域网中，需要一个管理者对所有终端节点和扩展节点进行管理，并接受主机模块的统一管理。一般的流程为：用户向主机模块发出指令，主机模块将接收到的指令传达给中心节点，通过无线局域网，传输给终端节点和扩展节点。在终端节点执行完相应指令并得到结果时，将结果传输给中心节点。最后，中心节点再将所有接收数据传输给主机模块。

（4）主机模块：主机模块向所有中心节点发出指令，中心节点向终端节点和扩展节点传输数据并运算数据，将得到的结果再逆向传输给中心节点，最终到达主机模块。同时，主机模块接收来自远程终端的实时监控，通过GSM网络发送回远程PC监控终端或用户的智能手机终端。无线局域网的正常运行，是通过主机模块来管理实现的[3]。

6 智慧城市智慧水平评价

城市运营的数字化不仅带来了系统优化，也为城市精细化管理提供了可能。在综合考虑智能城市的评价体系建设中，应注重指标体系的科学性、合理性、有效性、智能性，这些指标都直接、间接关系到智能城市的有效性。而推动建设智能城市的评价体系，开展智能城市的评价，可以引导和推动智能城市的建设。并且，要充分发挥智能城市的评价体系在城市建设中的重要作用，具有创新性地提出智能城市的分级评价标准，更好地为智能城市的发展提供更为有利的、客观的标准。

7 实验和验证

Web网络服务是一种被动访问的服务程序，一直处于侦听状态，即只有接收到互联网中其他主机发出的请求后才会响应，并通过HTTP客户机向服务器的特定端口发送连接请求，此请求是按照HTTP协议格式打包成一个数据包。当服务器接收到客户端的访问请求时，同样会以HTTP协议格式解包，然后解析客户端的意图。服务器得知客户端的意图后，会对数据进行分类处理、数据处理等操作，处理完成后将结果以HTTP格式打包并装入缓冲区，最后该数据包通过网络传输给客户端。浏览器通过HTTP协议格式解包，解析数据，并在页面展示，等待用户查看。基于Web服务器提供的服务功能，用户可以通过手机访问、浏览各个节点采集、处理完成的数据，这些数据是存放在远程服务器数据库中的。数据库可以对数据进行有效的管理，例如添加、删除、修改、搜索等相关操作。无线传感器网络主要是基于相同的能量，尽量延长其运行生命周期，并尽可能采集监测区域的数据。因此，我们将网络运行生命周期和总数据流作为评价算法性能的两个重要指标[4]。

8 结语

智慧城市是由战略、社会、经济、支持、空间等几个要素构成的，这些要素相互关联、有机复合。因此，要从各个方面全面推进智慧城市的建设与发展。对于智慧城市来说，更重要的是将先进的信息技术巧妙地融入城市的管理、服务、生产、生活等主要领域，创造更加符合现代人发展需要的城市生活环境和物质条件，促进城市全面发展。从技术发展角度看，智慧城市建设要求以移动技术为代表的物联网、云计算等新一代信息技术应用，实现全面感知、无所不在的互联互通以及无处不在的计算和融合应用。从社会发展的角度看，智慧城市需要在知识社会环境下实现可持续创新。