基于无线传感网络和云计算的发布订阅系统及方法

摘要

本发明涉及基于无线传感网络和云计算的发布订阅系统及方法，该系统包括WSNs端、用户端、桥接端和云端，桥接端包括多条由管道和滤波器组成的滤波器链，能有效缓存从WSNs端传来的数据，并减少数据中的噪声；云端应用的服务包括IaaS和SaaS，IaaS中有三层结构，即发布层、交互层和订阅层，发布层连接滤波器链，接收WSNs端传送的发布信息，订阅层相连云端SaaS中的应用软件，收集用户的订阅信息和用户账号信息，交互层连接发布层和订阅层，接收并匹配发布信息和订阅信息。本发明能有效避免发布信息和订阅信息的混乱，能自动将发布信息和订阅信息进行匹配，能将云端和WSNs进行合理的衔接，能有效去除发布信息的噪声，能实时地将数据传送给用户，提高数据准确性和实时性。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感网络和云计算，特别是涉及基于无线传感网络和云计算的发布订阅系统及方法。

背景技术

无线传感网络（WSNs）将传感器技术、通信技术、计算机技术结合在一起，能够在复杂环境中采集大量信息，并实现传输和处理，传感器网络最初是应用在军事方面，随着无线传感器网络技术的逐步发展，它的应用越来越广，从军事防御普及到社会的各个领域，也引起了国内外学者的广泛关注和研究。然而，随着其应用面越来越广，其自身低能量，低通信能力和低数据处理能力的特点使其发展遇到了瓶颈。

云计算是一种基于互联网的计算方式，通过这种方式，共享的软硬件资源和信息可以按需提供给计算机和其他设备。因为它具有海量存储能力、强大的数据处理能力以及按需服务等特点，受到广泛关注，而这些特点恰好能给无线传感网络提供一定解决方案，两者的结合能在一定程度上解决诸如数据存储、数据处理等方面的问题。

云计算包括以下几个层次的服务：基础设施即服务（IaaS），平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）。基础设施即服务（IaaS）为客户提供的服务是对所有设施的利用，包括处理、存储、网络和其它基本的计算资源，软件即服务（SaaS）提供给客户的服务是运营商运行在云计算基础设施上的应用程序，用户可以在各种设备上通过搜客户端界面访问。然而，现有的IaaS没有设定分区，无法很好的解决发布信息和订阅信息数据量庞大的问题，无法合理的将无线传感网络和云端进行衔接；另外，现有的无线传感网络端是直接将发布数据传送至云端，传送的数据难免会有噪声，这必然会导致在云端存储的数据的准确性降低；再者，现有的IaaS无法对订阅信息和发布信息进行匹配，用户在订阅数据时还需进行一定程度的筛选，操作麻烦。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种便于用户使用、能有效避免发布信息和订阅信息混乱的基于无线传感网络和云计算的发布订阅系统及方法，该系统能自动将发布信息和订阅信息进行匹配，能将云端和无线传感网络端进行合理的衔接，能有效去除发布信息的噪声，提高数据准确性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于无线传感网络和云计算的发布订阅系统，它包括无线传感网络端、多个用户端和云端，无线传感网络端和多个用户端分别通过网络连接云端，云端应用的服务包括基础设施即服务和软件即服务，无线传感网络端包括多个由大量传感节点组成的无线传感网络。在无线传感网络端和云端之间还设有桥接端，桥接端包括多条由管道和滤波器组成的滤波器链，管道负责缓存从无线传感网络端传来的数据，滤波器用于去除混杂在数据中的噪声；所述的基础设施即服务包括发布层、交互层和订阅层，发布层与多条滤波器链相连，负责接收无线传感网络端传送的数据，订阅层与云端的应用软件相连，负责收集用户的订阅信息和用户账号信息，交互层分别连接发布层和订阅层，负责接收发布层的发布信息和订阅层的订阅信息，并对两种信息进行匹配。

基于无线传感网络和云计算的发布订阅方法，它包括一个无线传感网络端与云端交互的步骤和一个用户端与云端交互的步骤；

无线传感网络端与云端交互包括如下子步骤：

S11：不同的传感节点感知周围环境，得到相应的传感数据；

S12：传感数据以一固定发布信息模型的方式发送给滤波器链，滤波器链对传送的数据进行噪声处理；

S13：发布层接收传送过来的发布信息，并将该发布信息传送给交互层。

用户端与云端交互包括如下子步骤：

S21：用户在运行于云端的应用软件上注册个人信息； 

S22：用户以一固定订阅信息模型的方式向云端的基础设施即服务的订阅层发送订阅信息；

S23：订阅层将订阅信息传送给交互层；

S24：交互层通过匹配算法将发布信息和订阅信息进行匹配，若匹配成功，则将该发布信息传送给相应的软件及用户；若匹配不成功，则将发布信息和订阅信息传送到另一个由云端提供的基础设施即服务，等待下一次匹配。

所述的发布信息模型为：

P<格式，ID，大小，时间，值，周期>；

其中，格式表示传感数据的类型；ID表示数据的源传感器；大小表示数据的文件大小；时间表示数据被传感器捕获时的时间；值表示相应数据的内容；周期表示数据的生命周期。

所述的订阅信息模型为：

S<格式，ID范围，大小范围，时间范围，值范围，应用ID，客户ID，周期>；

其中，格式表示传感数据的类型；ID范围表示数据的源传感器范围；大小范围表示数据的文件大小范围；时间范围表示数据被传感器捕获时的时间范围；值范围表示相应数据的内容范围；应用ID表示云端软件即服务提供的具体应用软件的ID号，客户ID表示客户在注册个人信息时的ID号，周期表示数据的生命周期。

所述的匹配算法为： 

S241：检查订阅信息和发布信息中的“格式”一项，若格式相同，则进行S242；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一由云端提供的基础设施即服务中存储；

S242：检查订阅信息和发布信息中的“ID”一项，若ID相同，则进行S243；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一由云端提供的基础设施即服务中存储；

S243：检查订阅信息和发布信息中的“大小”一项，若大小相同，则进行S244；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一由云端提供的基础设施即服务中存储；

S244：检查订阅信息和发布信息中的“时间”一项，若时间相同，则进行S245；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一由云端提供的基础设施即服务中存储；

S245：检查订阅信息和发布信息中的“值”一项，若值相同，则将该发布信息通过订阅信息中的“应用ID”一项发送给相应的应用，该应用再通过“客户ID”一项发送给相应的客户；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一由云端提供的基础设施即服务中存储。 

本发明的有益效果是：

（1）   基础设施即服务设置为三层结构，即使发布信息和订阅信息的数据量很庞大，也能使云端和无线传感网络端、云端和用户端合理的进行数据衔接；

（2）   设有交互层，能自动的将发布信息和订阅信息进行匹配，免去了用户筛选数据和处理数据的过程，用户使用更方便；

（3）   设有桥接端，在云端接收无线传感网络端传送的数据时，先进行滤波处理，减少了数据中的噪声，提高了数据的准确度，且能有效的缓存庞大的发布数据；

（4）   有固定的发布信息模型和订阅信息模型，有效避免了发布信息和订阅信息的混乱。 

附图说明

图1为本发明的结构框图；

图2为本发明基础设施即服务的三层结构图；

图3为无线传感网络端和云端交互的流程图；

图4为用户端与云端交互的流程图；

图5为发布信息模型的排列顺序；

图6为订阅信息模型的排列顺序。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、图2所示，基于无线传感网络和云计算的发布订阅系统，它包括无线传感网络端、多个用户端和云端，无线传感网络端和多个用户端分别通过网络连接云端，云端应用的服务包括基础设施即服务（IaaS）和软件即服务（SaaS），无线传感网络端包括多个由大量传感节点组成的无线传感网络（如WSN1），无线传感网络负责收集复杂环境中的各种传感数据,包括温度、湿度、地理位置、气压、图片等。在无线传感网络端和云端之间还设有桥接端，桥接端包括多条由管道和滤波器（Filt）组成的滤波器链，管道负责缓存从无线传感网络端传来的数据，滤波器用于去除混杂在数据中的噪声。基础设施即服务包括发布层、交互层和订阅层，发布层与多条滤波器链相连，负责接收无线传感网络端传送的数据，订阅层与云端的应用软件相连(应用软件运行在云端)，负责收集用户的订阅信息和用户账号信息，交互层分别连接发布层和订阅层，负责接收发布层的发布信息和订阅层的订阅信息，并对两种信息进行匹配。

基于无线传感网络和云计算的发布订阅方法，它包括一个无线传感网络端与云端交互的步骤和一个用户端与云端交互的步骤；

如图3所示，无线传感网络端与云端交互包括如下子步骤：

S11：不同的传感节点感知周围环境，得到相应的传感数据；

S12：传感数据以一固定发布信息模型的方式发送给滤波器链，滤波器链对传送的数据进行噪声处理；

S13：发布层接收滤波器链传送过来的发布信息，并将该发布信息传送给交互层。

如图4所示，用户端与云端交互包括如下子步骤：

S21：用户在运行于云端的应用软件上注册个人信息； 

S22：用户以一固定订阅信息模型的方式向云端的基础设施即服务的订阅层发送订阅信息；

S23：订阅层将订阅信息传送给交互层；

S24：交互层通过匹配算法将发布信息和订阅信息进行匹配，若匹配成功，则将该发布信息传送给相应的软件及用户；若匹配不成功，则将发布信息和订阅信息传送到另一个由云端提供的基础设施即服务，等待下一次匹配。

为了更好地进行匹配，在传送数据时，设定出向量形式的数据模型。

发布信息模型为：

P<格式，ID，大小，时间，值，周期>。

格式表示传感数据的类型，由于不同的传感器不会的数据时不同的，有的传感器用来捕获声音，有的用来捕获图片，有的用来捕获温度，高度等等，这些不同类的数据其数据格式是不一样的。甚至有的同一类型的传感器捕获的数据也不尽相同，比如不同生产商生产的用于捕获图片的传感器就可能输出不同的图片格式是，有的输出JPEG格式，有的输出BMP，等等。因此，数据模型有必要对其进行分类。在数据模型中，格式就代表了本数据的格式类型。

ID表示数据的源传感器。同一传感器会输出大量的数据，而不同的数据就会拥有同一个源传感器。例如，一个图片传感器的ID是123456，那么所有来自这个传感器的数据的ID 都是1234567。

大小表示数据的文件大小。时间表示数据被传感器捕获时的时间。

值是最重要的标签，它表示相应数据的内容及具体含义，对不同类型的数据，其值的含义也不一样。例如，对于一张图片，其值表示具体的图片含义，可以对需要的图片含义分成等级，在某个等级表示某种含义；对于一份温度数据，其值就表示具体的温度值。

周期表示数据的生命周期。如果一个数据过了这个生命周期还没有被传送给订阅者，则该数据就自动销毁或存储到其他地方。

订阅信息模型为：

S<格式，ID范围，大小范围，时间范围，值范围，应用ID，客户ID，周期>；

其中，格式表示传感数据的类型；ID范围表示数据的源传感器范围；大小范围表示数据的文件大小范围；时间范围表示数据被传感器捕获时的时间范围；值范围表示相应数据的内容范围；应用ID表示SaaS提供的具体应用软件的ID号，客户ID表示客户在注册个人信息时的ID号，周期表示数据的生命周期。

订阅信息模型和发布信息模型类似，其中不同的地方在于订阅信息模型采用了范围的概念。由于订阅者对订阅信息的要求是模糊的，并不那么精确，所以订阅信息的模型采用范围的概念。例如，对于图片传感器，ID号在100000和100500之间的传感器都是JPEG格式的图片传感器，那么对此有需求的订阅者就可以在订阅向量中输入100000-100500，其他的元素类似。

所述的匹配算法为： 

S241：检查订阅信息和发布信息中的“格式”一项，若格式相同，则进行S242；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一IaaS中存储；

S242：检查订阅信息和发布信息中的“ID”一项，若ID相同，则进行S243；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一IaaS中存储；

S243：检查订阅信息和发布信息中的“大小”一项，若大小相同，则进行S244；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一IaaS中存储；

S244：检查订阅信息和发布信息中的“时间”一项，若时间相同，则进行S245；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一IaaS中存储；

S245：检查订阅信息和发布信息中的“值”一项，若值相同，则将该发布信息通过订阅信息中的“应用ID”一项发送给相应的应用，该应用再通过“客户ID”一项发送给相应的客户；若不同，则将该发布信息和订阅信息发送至另一IaaS中存储。

被传送到基础设施即服务中的数据按照其各信息模型中的标签分类，并按照其进入设施的时间以从小到大的顺序排列，如图5和图6所示。