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结合云和传感器的智能城市

摘要：在当前全球信息通信技术的背景下，越来越多的更加强大的设备（如智能手机、传感器，家用电器，射频识别设备，等等）加入了互联网，显著影响了全球的通信量(数据共享、语音、多媒体等)，并且铺垫着一个(或多或少)由智能设备组成的世界，或者说是物联网（IOT）理论中的“物”。可以聚合异构资源并根据事物的属性进行抽象化，从而使事物成为一个服务范式，甚至是更好的“物联网云”。在未来的互联网项目，传感器网络将承担更加重要的角色，尤其是对于搭建超智能城市来说，智能传感器将成为复杂的未来ICT世界的外围设备的重要元素。然而，由于在“设备”上存在差异，智能传感器在通信技术、传感特性和细化等能力方面是非常多样化的。本文打算设计无处不在的基础设施，使新一代服务与周围的环境相互作用，从而创造新的情景化和地理感知的机会。架构方案是基于传感器网络支持的标准规范并利用Contiki操作系统完成物联网的搭建。智能城市场景假定为参考场景。

关键词：物联网；传感器网络；云计算；智能城市

1. 介绍

由目前的ICT趋势(未来互联网)来看，传感和驱动资源不仅仅是简单的端点，它们也可以加入云中来，但它们应该以相同的方式处理通常用在更传统的云栈:抽象、虚拟化和分组的云栈中的计算和存储资源。此外，通过增加传感器和致动器进行组合，在情景化和地理感知方面出现了新的机会。遵循(虚拟化的)计算资源(“基础架构即服务”-IaaS）和存储资源（“数据即服务”）的命名约定，我们可以用短语定义这种方法--“传感和驱动就是服务”(SAaaS)。除非能够提供固定的基础设施，否则由此产生的方案是高度动态的，因为它还可能涉及到不稳定的移动设备。因此，一个可行的计划来解决这些问题是适当地借助于志愿者贡献的可以作为潜在方法的模型。

一个值得注意的关于结合传感环境和云处理的观点是物联网（IOT），底层的物理实物可以根据其特征进行抽象。事实上，基础设置轮廓下的工作台就相当于一个抽象被实现，什么是“物”，指的就是物理实物(例如：文档、汽车产品、零件、等等)，这些实物可以被发现，被选择和被分配。事物/对象变的相通，也可以存储他们所处的环境的信息。它们也成为一个与环境进行交互的门。根据Gartner公司一项最近的报告显示，到2020年将会有300亿台设备连接到互联网。通过这种方式，我们可以假设的场景有很多，一个生态系统，一个通用设备群和传感器网络(SNs)相互连接的互联网。这就是为什么自然会思考可能的方式和解决方案来面对一个无所不包的挑战，也许这种地理上的生态系统分布式传感器和致动器可能被发明，根据他们所提供的功能选择，与之交互，甚至可能寻求合作。

这个场景设想，从许多不同的角度，沿着几个研究趋势(未来的互联网，物联网)，机构和政府花费了巨大的努力，已经确认这样一个主题作为战略。这也是符合技术趋势的，即：确定个人和移动云是最热门话题2012[1]。计算，存储，传感等因此成为大的蓝图方面的互补，全面的从传感/驱动的角度来看需要优化协调他们的交互，从而创建一个普遍的基础设施与周围的环境进行交互。

以消费者为中心的移动传感器和计算设备是一个在网络边缘的新兴类别的设备，如智能手机和车载传感器等。这些设备在社会范围内将燃料的发展物联网传感数据反馈给互联网，个人与集体传感和计算设备共享数据和提取信息来测量地图共同感兴趣的现象。

今天，越来越多的人可以创建并通过互联网分享和记录内容。通过使用传感器(如相机、运动传感器，和GPS等)内置到移动设备中并且和web服务聚合以分析组合信息，一个新的集体能力产生了——人们可以参与感知和分析他们的生活，甚至是以前看不见的各个方面。这种趋势，通常命名为参与式感知或移动聚集感知，主要关心的是数据收集，处理和解释。这实质上强调用户和社区组织通过社交网络的参与，记录他们生活的不同方面。

在这样一个背景下，为发现机制和工具和选择的虚拟传感器和致动器功能性和非功能性属性表达的特定(QoS / SLA)的限制，行动在考虑可持续发展和能源能源效率问题(电池供电)设备和SNs，是必需的。

其他问题需要解决异构相关资源mashup，即：如何协调各种传感、驱动、计算、存储资源非盈利性的传感与现有的云公共/私有云计算和存储。前面提到的目标被认为是什么作为两个独立的解决方案，作为SAaaS云可能提供自己的独立的服务，可以是捣碎，和一个mashup提供者可能混搭资源不必涉及志愿者SAaaS云。

1. 远景和范例

通过这种方式，相比于物联网和网络范例我们的视野更倾向于物联云（CoT）。CoT不仅仅意味着互连和超链接的东西，CoT通过抽象化、虚拟化和事务管理化根据用户的指定的需求和要求并由当事人协商，同意通过特定的SLA协议/程序来提供服务。目的是提供通过索引和查询方法获取到事物的服务，即i.e，异构(传感、驱动，计算、存储和能量资源)资源聚合像语义并且提供给最终用户、开发人员、SaaS提供商等，这是一种叫做TaaS的服务。
在这种情况下，实现这个堆栈所需要背景和支持技术包括以下部分:资源、事物抽象以及虚拟化，通过域适当的语义关系来考虑(主要是传感器、促动器与物联网);志愿者技术机制和分配机制协调;云计算、面向服务的接口和实现(按需适应“弹性”工具);互操作性和联合技术，标准和工具，使异构资源/云混搭;业务逻辑;安全与诚信的政策。
感观信息的获取通常是由独立的管理机构部署自己的监视基础设施和软件体系结构。分享这样的信息是具有战略性意义的，不仅在智能城市中提供先进的服务，而且要可以处理一些可能非常复杂相关数据。这样一个大规模的数据共享领导系统的概念，旨在实现面向任务的集成“系统”，由独立的公共组织以及私人组织提供，提供一个效率更高和更有效的层次。这种应用程序的一个例子就是全球智能计划，涉及到许多政府和城市，更接近于具体的现实[2]。
根据系统集成的概念，物联网允许高水平的互相操作性和一定程度上的灵活性。它使异构设备之间无缝沟通和流动，隐藏了端到端的异步通信服务的复杂性。但是，技术上的复杂度和过多的异步互连网络会限制集成策略。

因此，科学界的研究仍然是必要的。例如，IBM（印度）最近资助一个新的研究项目，该项目是研究智能城市背景下(SENSIT[3])的传感器网络技术。这个项目是专门针对印度降雨监测传感器和洪水预报的低成本的解决方案。
在本文中，我们提出一个新的架构，以提供给互联网用户有能力从不同的异构传感基础设施(SIs) 获得任何类型的数据，以一种统一的方式来暴露。数据配置非常灵活并满足用户要求，这个结果是通过实现一个传感技术和高水平的抽象感知数据获得的。体系结构设计要遵循以下主要目的:

• 供应的数据必须以高反应性和高度一致的可伸缩性来执行。
• 系统必须提供一个快速部署设置新传感器和一个简单的集成感知环境。

满足这些需求，具体的设计策略也就开发出来了。特别是一个层次组织架构组件允许分别管理一个高级别的情报机关，实现抽象的数据和实现客户的请求。此外，系统的强相互作用带有外围传感器已经完成通过能够分析、过滤和聚合感觉信息的决策者。我们的体系结构的数据的抽象层已经发展根据由开放地理空间联盟定义的传感网络启用标准（SWE）[4]。然而，我们的解决方案克服SWE的局限性，只有构思网络使用的传感器层的交互与SIs利用Contiki[5]，一个操作系统为传感器和嵌入式系统设计的。它给了与异类传感器之间的沟通一个统一的平台。
文章剩下的部分组织如下：在接下来的部分我们首先提供一个相关的背景信息的想法。在那之后，“参考场景和建议的体系结构”部分中详细介绍我们提议的框架及其组件。在“实施中的问题”部分介绍实施的细节，而“案例研究:智能城市”部分则讨论一个研究智能城市以及相关服务的发展的案例。最后，是根据本研究得出的关于未来工作的建议。

1. 相关工作

在传感器技术领域，虚拟化已经实现无缝互操作的目标，提出了和来自不同传感器节点平台可伸缩性通过统一的管理软件厂商，与应用程序之间的抽象层的逻辑和传感器驱动器[6]（也在物联网背景上下文[7，8]）。虚拟化还可以通过执行形成虚拟的传感器网络，实现多用途的协作和资源有效利用，这可能涉及到动态基础设施不同的传感器子集。软件抽象层用于解决互操作性和可管理性问题[9]，并允许传感器动态重新配置无线传感器网络，对于任何目的[10]中的节点，和传感器数据的组合[11]。
关于的描述和实现框架为有效的表征，注释和传感器数据处理，OGC瑞典文的目标[12]倡议是Web服务接口的定义和数据编码传感器发现和访问WWW，能够接收请求。在另一方面，W3C语义传感器网络集团旨在扩展这个语法级别的互操作性语义水平(CSIRO(13、14))。
重要研究传感、驱动和物联网指向有效的语义注释传感器数据。在[15]中，提出了一种方法，使传感器数据和元数据的公开访问的链接开放数据云存储。同样，在[16]一个被称为SensorMasher的基础设施在网络上提供了非技术用户访问和操作传感器数据的能力，而在[19]不同的本体和语义模型给出了传感器数据表示，如相扑、Ontosensor和镜头。一个详细调查现有的传感器本体在[20]是可用的。SENSEIa，也是欧洲FP7项目之下从2008年到2010年推出来处理的这些方面。一些伟大的工业如Ericssonb自己定位在SmartCities显示这是下一个挑战。
一个有前途的研究领域的物联网(21、22)目标在啮合网络化环境中，其中节点也可能在语义上被标记为物理界项目。虽然云中的资源克服某些约束的智能在物联网情况下是有用的设备，缺乏环境敏感在云中扩大弹性资源之间的差距和移动设备。在[23]有多个桥接方法。但绑定需要处理在云中[24]之间的映射物联网和虚拟环境中的物理环境 ，就像[7]中描述的那样。形成云的传感器和其他移动设备给出现有技术开发的相似之处比如动态服务[25]的面积。服务注册中心作为元数据的存储库有关服务。他们可以在架构上集中式或分布式signaturebased，信息检索的关键字，基于语义为基础，基于上下文和质量[26]。服务监视和跟踪设施设计为了解决固有的不可靠服务的本质，不能认为“永远”，在一个位置mobile-powered的可能离线再次出现在其他地方，可用性的一些服务可能以不可预知的方式稳步摇摆。
在文献中，一些作品与问题在涉及智能城市方面进行了广泛处理。 [27]的亮点就是作者如何在未来的城市将需要收集的数据形成很多城市的传感器，如智能水电气，GPS设备，楼宇传感器，气象传感器，等等。其中许多是低成本的传感器，具有高水平的噪音和不可靠的通讯设备。基于为获得高品质的服务的核心思想，就得从从这样的廉价的传感器的相关性以及从多个传感器感测的数据来分析复杂的算法。在韩国，有几个计划从无处不在的市（U-市）移动到UEco城，这是设计从城市环境影响为出发点。例如，文献[28]提出一个平台，为城市管理服务，包括方便，卫生，安全和舒适。也是“智慧城市”和“数字城市”的区别文献，在[29]中详细介绍。
了解智能城市可能从中受益传感器网络技术，Hernandez-Munoz等。[30]提出了一个扩展的框架，称为无处不在的传感器网络利用SWE[31]SIP协议。一个主要问题就是SIP协议是有关网络的约束。通常情况下，网络管理员限制互联网通信使用防火墙策略，SIP患有这种限制(甚至更如果网络地址(NAT)存在)。
[32]的作者提出了一个解决方案，利用XMPP协议部署层面的解决方案，可以将这样一个问题解决。事实上，它能够克服防火墙和NATs锁定。有趣的研究论文Contiki相关传感器的微型操作系统。设计者Contiki正在考虑如何使可互操作的SNs使用IPv6[33]，以及如何有效地存储数据内部传感器[34]。特别是，作者[34]引入了一个小的数据库，称为羚羊。这篇文章显示了当前互联网(部分地区使用的协议和添加功能)中传感器正变得更小。不过在我们看来抽象的传感技术应该与底层无关。
感知数据定义了一个抽象的问题，还确定了表征[35]。本文的焦点是在评估人们异常的机制规则。例如，在处理空间对象，分析了距离的概念，邻接，和控制。他们甚至引入了上下文的数据表示不同的动力学。此外，介绍了全局模型与动态没有考虑到如何完成互操作性全局视图。这个决定的制造商应该评估几个输入数据，但是它不清楚如何解决这样一个问题(即可伸缩性问题)。

1. 参考场景和建议的体系结构

我们的主要目标是要设计一个创新的结构，能够在添加新的传感能力时几乎不需要修改配置，提取遥感数据，赋予全球系统的高反应活性和高水平可伸缩性。意识到这一点，我们需要通过使用一个基于集群的方法来管理每个系统，如图1所示，最初在[36]中讨论过。我们假设映射系统网站上这可能是不同的规模。在智能城市的场景中，一个网站可以是一个建筑、一个工厂、城市道路或整个城市。每一个网站是一个自治系统(AS)，客户和服务相互作用。AS有自己的SIs(数据生产者)和客户端感兴趣的数据读取(数据消费者)。SI可以是单个传感器也可能是一个完整的多次转发的无线SN。他们可能可移动，因此可以在不同的云端时间连接。SIs收集的数据到一个站点(例如，SIAi在站点A)存储在一个数据库(DB)管理器在本地关系数据库，以提供一个高效的检索数据内部客户(在这个例子中，ClientAi)。这个数据库可以不受地域限制并且分散，为了分享和存储信息智能方法和对用户透明的方式[37]。它甚至可以包括传感器本身。然而，相同的数据可以让客户用在其他网站，如网站B和C(参见图1)，也提供这样一个外部客户服务以不浪费服务性能，DB Manager发布的感知数据是基于全球的分布式列式数据库(如Cassandra[38])，这些数据可以从所有网站访问。

当一个客户端请求数据，根据授权规则和现有网站协议，数据库管理器校验客户端请求是否可以在一个网站中满足或

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