物联网大规模远程控制关键技术研究

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3.0 高德中 2024-11-19 17 4 1.23MB 65 页 15积分

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物联网大规模远程控制关键技术研究

摘要

随着微电子、移动通信、计算机网络、传感器等技术的发展，以及物联网成为

学术界研究热点，产业界发展重点，越来越多基于传感器的物联网原型应用出现

在人们面前。物联网数据和设备管理是其中的重要部分，因此也是物联网技术研

究的重点之一。目前，针对该问题有三类解决方法：第一类是通过在传感器网络

中增加对传感数据的分布式处理能力来解决；第二类是通过集中式流数据管理系

统管理来自传感器的流数据；第三类是整合上述两类方法的混合式解决方案。

本文主要做了下面几个方面的工作：

1）概述了上述三类解决方法，分析了它们在可扩展性、异构性和流数据

复杂操作三方面问题上的处理方法。

2）提出了一种层次化、分布式混合式解决方案，该方案采用适配模式解

决数据异构问题。文章还描述了基于 Apache 开源项目 Chukwa 的原型

系统 ChukwaX 的相关实现细节。

3）针对 ChukwaX，设计了异构物联网设备控制的“集中式 FOCC”机

制和“中心锁”机制。

4）通过对原型系统的一系列实验证明：所提出的解决方案和相关机制

可以有效解决物联网异构设备网络接入问题，并具有良好的可扩展

性。

关键词：物联网传感数据管理传感设备远程控制 Chukwa 软件

ChukwaX 系统中心锁集中式 FOCC

ABSTRACT

Along with the development of microelectronics, mobile, network, sensor etc, and

Internet of Things has become the hot area both in academia and industry, more and

more IoT prototype application based sensors appears. So sensor and data management

has become a very active research domain. We can distinguish three classes of solutions

in this area, which we will explore in this thesis. The first is sensor networks which

provide distributed processing of sensor data. The second is data stream management

systems which are centralized system that deal with stream data flowing from sensors.

And finally, some hybrid approaches have also recently appeared which aim to integrate

these two different types of solutions.

The main work in this paper is as follows:

1) Provides an overview of these groups of proposals and discusses their

approach to deal with issues such as scalability of sensing systems,

heterogeneity of sensors and processing complex operations on sensor data

stream.

2) We present a hybrid sensor data management model and show the

prototype implementation inspired by previous works and new

technologies.

3) We adopt Centre Locking and Centralized FOCC mechanisms in the

prototype implementation ChukwaX to handle issues by concurrency

control and management.

4) Serials of experiments on the prototype system and heterogeneous devices

control mechanism demonstrate the correctness and availability of the

model and the prototype.

Key Words ：Internet of Things, Sensor Data Management, Sensor

Management, Chukwa, ChukwaX, Centre Locking, Centralized FOCC

目  录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪　论..................................................................................................................1
§ 1.1 课题研究背景与意义.......................................................................................1
§ 1.2 相关工作...........................................................................................................1
§ 1.2.1 物联网传感数据管理技术.....................................................................1
§ 1.2.2 物联网事务数据管理技术...................................................................19
§ 1.3 研究思路.........................................................................................................21
§ 1.4 论文组织结构.................................................................................................22
第二章 物联网异构数据接入系统—ChukwaX............................................................24
§ 2.1 ChukwaX 系统介绍........................................................................................24
§ 2.2 ChukwaX 原型系统实现................................................................................27
§ 2.2.1 关键技术简介.......................................................................................27
§ 2.2.2 总体设计...............................................................................................30
§ 2.2.3 接口设计...............................................................................................37
§ 2.2.4 数据结构设计.......................................................................................39
§ 2.2.5 系统操作说明.......................................................................................40
第三章 基于 ChukwaX 的物联网异构数据接入模型..................................................43
§ 3.1 传感系统层.....................................................................................................43
§ 3.2 传感系统接入代理层.....................................................................................44
§ 3.2.1 传感系统注册服务模块.......................................................................45
§ 3.2.2 Adaptor 管理模块.................................................................................46
§ 3.2.3 Adaptor..................................................................................................46
§ 3.2.4 链路聚合模块.......................................................................................47
§ 3.2.5 小结.......................................................................................................48
§ 3.3 数据汇集服务层.............................................................................................48
§ 3.3.1 数据接收模块.......................................................................................49
§ 3.3.2 链路分解模块.......................................................................................50
§ 3.3.3 应用接入器模块...................................................................................51
第四章 基于 ChukwaX 的物联网异构设备控制机制..................................................52
§ 4.1 中心锁.............................................................................................................55
§ 4.2 集中式 FOCC..................................................................................................56
第五章 实验与结果分析................................................................................................58
§ 5.1 异构传感系统接入.........................................................................................58
§ 5.2 动态链接管理.................................................................................................59
§ 5.3 系统可扩展性.................................................................................................59
§ 5.4 系统时间代价.................................................................................................60
§ 5.5 中心锁有效性实验.........................................................................................61
§ 5.6 集中式 FOCC 有效性实验.............................................................................62
§ 5.7 时间开销实验.................................................................................................63

第六章总结与展望........................................................................................................65

参考文献.........................................................................................................................66

第六章总结与展望

第一章绪　论

§1.1 课题研究背景与意义

随着信息技术的发展，特别是微型化和无线通信技术的进步，如今的计算设

备变得越来越智能，自治能力越来越强，性能越来越好，体积越来越小，成本也

越来越低，这些特点使它们便于被部署到各个角落从而实现信息泛在。物联网已

经成为我国五大战略产业之一，物联网的核心是感知，因此传感设备是物联网的

重要部分，通过它们可以方便我们监测我们周围发生的物理事件。常见的传感设

备有温度、压力和化学等传感器，GPS 设备，音视频设备，RFID 设备等等；它们

可以是有线的，也可以是无线的；可以单独工作，也可以是其他系统的一部分。

目前，这些传感设备可以在各种应用领域中使用，比如智能医疗、精细农业、环境

监控、城市管理、智慧家庭和工业自动化等等。这些传感设备就像是现实世界与信

息世界之间的皮肤，通过它们采集现实世界中的温度、压强、湿度、位置、声音、图

像等信息。被监测到的事件被应用处理并会做出响应，如启动警报，控制执行器

或应用业务规则等等。所以，物联网环境下，海量数据收集，融合，以及大规模

传感设备管理控制问题的研究很有意义。

§1.2 相关工作

本节将介绍并分析在传感系统数据管理与设备管理问题上已有的研究工作。

这对我们的研究工作有很大参考价值。

§1.2.1 物联网传感数据管理技术

传感器的发展与应用已经给计算机科学的许多研究领域带来了新的挑战和机

遇，如网络、数据库、嵌入式操作系统以及普适计算。特别是大量基于传感器的应

用的出现，处理传感器测量数据带来了一些新的问题，其中有高效节能的信息收

集，流数据声明式查询，传感系统的可扩展性和异构问题。本章讨论互联传感系

统数据管理的相关问题及解决方案。

我们将传感数据管理问题的解决方案分为三类：

无线传感器网络（WSN）

本文所提到的 WSN 指的是由拥有一定能源，存储空间，计算能力并能通过

无线通信方式传送其测量数据（如温度，压强或位置数据）的自治传感器节点组

成的网络。该方案利用传感器节点的计算能力分布式处理数据。

流数据管理系统（DSMS）

DSMS 是评价流数据声明式查询的系统。这里所说的流数据是按时间排序的

长度无限的数据序列。这些数据序列从数据源不断地产生。常见的流数据有网站交

易日志，股票数据和网络流量信息等。DSMS 也可以处理含有传感器采样信息的

- -

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流数据。

混合式方案

为了结合上面两种方案的优点，混合式方案整合了上述两类方案。其目的是

为了获得更好的可扩展性、解决异构问题，并支持对传感数据进行丰富的语义查

询。

§1.2.1.1 WSN 概念

WSN 就是由部署在监测区域内的大量廉价、微型，有一定计算、存储和无线

通信能力的传感器节点组成，节点间通过无线通信方式形成的一个没有固定基础

结构的多跳自组织（ad hoc）网络。其中传感器节点可以测量环境中的物理特性和

监测事件，并把所获得的相关数据发送到一个或多个基站节点。基站节点是传感

器节点与应用之间的接口。如图1-1 所示：

图 1-1 无线传感器网络：传感数据被发送到基站节点

与构建传统网络的目的不同，部署一个 WSN 就是为了在没有固定基础设施

的情况下收集传感数据。路由和收集紧密相连，所以 WSN 这个术语通常被认为是

一个传感数据收集和处理平台。传感器节点所运行的嵌入式操作系统在数据处理

上发挥至关重要的作用，其中一个作用就是提取传感器采集到的数据并能方便地

发送已处理的数据。此外，传感器节点操作系统也可以处理一些基本的查询操作

从全局来看传感器节点与其运行的操作系统仍位于同一个网络层次。不过，传感

器节点操作系统已经超出了本章要讨论的范围，感兴趣的读者可以参看文献[1, 2, 3]。

WSN 的任务是收集和处理传感器所获得的原始数据，然后将其转变为人们所

需要的“信息”。不过，WSN 的特征给我们带来了几个计算机科学领域的问题，

如：网络、操作系统、数据库和分布式系统。

- 2 -

事件

传感器监测环境

基站节点

第六章总结与展望

WSN 除了具有无线自组网的特征外，还有一些独有的特征，特别是考虑到其

资源数量，通信模式和寻址能力。下面就分别介绍一下这些特征：

资源受限

传感器节点体积的数量级从立方毫米到立方厘米不等。尽管已经在微型化技

术方面取得了较大的进步。节点的计算，存储和通信能力仍受到制约。能源是其中

最重要的资源，通常传感器节点配有一个电池，其电量可以保证节点在活跃模式

下连续工作数小时到数天不等；在睡眠模式下连续工作数月到数年不等。因为传

感器节点参与路由，数据处理和自动配置，所以整个传感系统的寿命取决于每一

个独立的节点。因此某些节点失效可能影响整个传感系统的正常工作。

大规模网络：

如今生产成本的降低使得许多应用可以部署大量传感器节点。传感器节点数

量的提高导致可以通过增加冗余提高数据的容错能力和准确程度，不过也增加了

自组织的复杂程度和待处理数据的数量。因此，WSN 的路由协议和数据处理技术

需要解决大规模网络的问题[4]。

以数据为中心的路由：

和传统网络不同，WSN 中的节点可能无法拥有一个全局唯一的地址或者标识

符。基于传感器的应用大多是以数据为中心的[4]。换句话说，这些应用关注的是传

感节点收集到的数据而不是节点本身。比如像“传感器#4424 测量的温度是多少”

这样的查询对应用来说是无效的查询，而如“哪些区域的传感器测量的温度大于

40 摄氏度”这样的查询就合理些。通过传感器节点所测量数据的属性来区分不同

节点，这就是术语以数据为中心的核心思想。

WSN 路由协议

WSN 的路由协议必须能够应对前面所提到的由于其特征所带来的种种限制条

件，特别是节约能源在设计路由协议设时是至关重要的因素。WSN 路由协议的设

计目标是要寻找从传感器节点到基站节点的路径并考虑可以使整个网络寿命最长。

按照网络结构，WSN 路由协议可以分为三类：平坦路由协议，分层路由协议

和地理位置路由协议[5, 6]。在平坦路由协议中，所有节点拥有一样的责任。而分层路

由协议可以使网络形成传感器节点簇，位于簇首的节点（拥有相对较多能源，存

储和通信能力的节点）担负更多的责任。最后，地理位置路由协议把节点的位置

信息作为路由选择的依据之一。

工业界发起的ZigBee 联盟[7]致力于为资源受限设备设计一套标准化的节能路

由协议。它定义了一个支持星形、网状和树状等不同拓扑结构的网络层标准。目前

已经存在经ZigBee 联盟认证的产品，可以预见该标准会被越来越多的厂商采用。

更多网络相关的细节请参考[6]。下一节我们将说明在传感数据处理问题上，路

由协议如何发挥重要作用，特别是在网内数据聚合时。

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摘要：

物联网大规模远程控制关键技术研究摘要随着微电子、移动通信、计算机网络、传感器等技术的发展，以及物联网成为学术界研究热点，产业界发展重点，越来越多基于传感器的物联网原型应用出现在人们面前。物联网数据和设备管理是其中的重要部分，因此也是物联网技术研究的重点之一。目前，针对该问题有三类解决方法：第一类是通过在传感器网络中增加对传感数据的分布式处理能力来解决；第二类是通过集中式流数据管理系统管理来自传感器的流数据；第三类是整合上述两类方法的混合式解决方案。本文主要做了下面几个方面的工作：1）概述了上述三类解决方法，分析了它们在可扩展性、异构性和流数据复杂操作三方面问题上的处理方法。2）提出了一种层次化...

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