چکیده
بیشتر برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا مانند پارکینگ‌های هوشمند، مدیریت مواد زائد و مدیریت تراکم ترافیک برای شهرهای هوشمند توسعه یافته‌اند. این برنامه‌های کاربردی از میلیاردها سنسور استفاده می‌کنند که به نوبه خود مقدار زیادی داده در دسته‌بندی داده‌های بزرگ تولید می‌کنند. برای استفاده از داده‌های بزرگ در برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا / شهر هوشمند نیاز به یک چارچوب مناسب وجود دارد که از طریق آن سنسور مورد نیاز می‌تواند به راحتی جستجو و استفاده شود. برای ابزارهای بارگذاری ارتباطات موجود (ETL) و دیگر مکانیزم‌های جستجو برای سنسورها، فرض می‌شود که موقعیت سنسور بنا به معیارهای مورد نظر از طریق هستی‌شناسی یا دیگر تکنیک‌های مناسب جستجو می‌شود. با این حال، همکاری موثری برای بازیابی داده‌های حسگر و دردسترس قرار دادن فرمت مورد نیاز برای ثبت در جستجو مورد نیاز است. در این مقاله، یک پروتکل لایه‌بندی توزیع شده (CLCP) برای واحدهای داده‌ها و پشتیبانی آن‌ها برای پرس و جو براساس جستجو برای برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا تجزیه و تحلیل می‌شود.
مقدمه
مفهوم اینترنت اشیا با ظهور فن‌آوری RFID آغاز شد با حمایت دیگر فن‌آوری‌ها مانند شبکه حسگر بی‌سیم (WSN)، محرک‌ها، گوشی‌های هوشمند، شبکه‌های اجتماعی و دیگران به سرعت در حال رشد است[1]. استفاده از اینترنت اشیا بسیار رشد کرده است و هنوز هم در بخش‌های مختلفی از قبیل پردازش مواد غذایی، کشاورزی، پارکینگ هوشمند، مدیریت مواد زائد و غیره در حال رشد است [2]، [3]. شبکه WSN نقش مهمی در رشد اینترنت اشیا به‌عنوان سخت‌افزار ارزان و قوی ایفا می‌کند عمر باتری و افزایش یافته است [4]، [5]، [6]، [7]. این سنسورها به‌طور گسترده‌ای برای برنامه‌های مختلف مستقر شده‌اند و حجم عظیمی از داده‌ها را که باعنوان داده‌های بزرگ شناخته می‌شوند تولید می‌کنند. برنامه‌های کاربردی که از این داده‌های بزرگ استفاده می‌کنند نیاز به تجزیه و تحلیل درستی استفاده از اطلاعات دارند. این برنامه‌های کاربردی نیاز به یک میان‌افزار برای پردازش درخواست خود با رویکرد SOA دارند. به منظور تسهیل این امر، معماری اینترنت اشیا با چهار لایه همانگونه که در شکل 1 نشان داده شده طراحی شده است. لایه کاربرد لایه‌ای است که تمام برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا که در آن در حال اجرا هستند می‌توانند با لایه سرویس تعامل برقرار کنند در غیر این صورت باعنوان میان‌افزار نامیده می‌شوند. برنامه‌های کاربردی می‌توانند لایه سنجش را از طریق میان‌افزار پرس و جو کنند و اطلاعات مورد نیاز برای برنامه‌های خود را به دست آوردند. لایه سرویس، رابط کاربری مستقل از دستگاه و پلت‌فرم برای برنامه‌های کاربردی جهت پرس و جو داده‌های حسگر فراهم می‌کند. لایه شبکه با اتصال سنسورها و انتقال کارآمد و مناسب داده‌ها از سنسورها در لایه سنجش برای نگهداری داده‌ها در لایه سرویس سروکار دارد.
برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا / شهر هوشمند برای استفاده از این داده‌ها نیاز به یک چارچوب مناسب دارند که در آن سنسور مورد نیاز می‌تواند به راحتی جستجو و ایجاد شود. برنامه کاربردی در سطح سیستم در لایه سرویس برای استخراج اطلاعات از سنسورها و ذخیره در مخازن به عنوان ابزار بارگذاری (ETL) اجرا می‌شود [8]. این ابزار و دیگر ابزار مشابه فرض می‌کنند که یک پورت استاندارد وجود دارد که از طریق آن می‌توانند سنسور را بنا به معیارهای مورد نظر از طریق هستی‌شناسی یا دیگر تکنیک‌های مناسب جستجو کنند. بسیاری از کارهای تحقیقاتی برای توسعه این ابزار به لایه سرویس و برنامه کاربردی تمرکز دارند. با این حال، همکاری کافی با بازیابی کارآمد داده‌های سنسور و دسترسی به ابزار ETL در لایه سرویس برای عملیات بیشتر وجود ندارد. علاوه بر این، لایه حسگر در برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا که از فناوری WSN استفاده می‌کنند محدود به عرضه انرژی با توجه به ظرفیت باتری و پهنای باند ارتباطی هستند. بسیاری از تحقیقات گذشته برای به حداقل رساندن انرژی مورد نیاز و بهبود توان عملیاتی در شبکه گیرنده بی‌سیم صورت گرفته است. در میان موارد دیگر، تجمع داده یکی از روش‌های کلیدی استفاده شده توسط بسیاری از پروتکل‌های مسیریابی برای به حداقل رساندن انتقال داده است. علاوه براین، پرس و جو براساس بازیابی داده‌ها، توسط لایه سرویس به کار برده می‌شود و نیاز به جمع‌آوری داده‌ها در شبکه برای عملکرد کارآمد دارد. برای تجمع کارآمد داده‌ها با توجه به پرس و جو ایجاد شده توسط لایه سرویس نیاز به ارتباطات متقابل بین لایه کاربرد و لایه شبکه از گره‌های سنسور وجود دارد. پروتکل لایه‌بندی توزیع شده موجود (CLCP) [9] تنها از ارتباطات لایه برای رسیدگی به شکست شبکه استفاده می‌کند. در این مقاله، علاقه مندیم تا مناسب بودن CLCP در WSN برای پرس و جو کارآمد جهت جمع‌آوری داده‌ها برای به حداقل رساندن انرژی سنسور را بحث کنیم.
پیش زمینه و کارهای مرتبط
در این بخش به اختصار به توضیح روش‌های موجود در جمع‌آوری داده‌ها و ارتباطات متقابل لایه در WSN می‌پردازیم. رویکرد تجمع داده در شبکه‌های حسگر به طور گسترده توسط بسیاری از محققان مورد مطالعه قرار گرفته است [4]، [10]، [11]. مطالعات قبلی نشان می‌دهد که انرژی مورد نیاز برای انتقال یک بیت به اندازه پردازش چند هزار دستورالعمل است [12]. از این رو، جمع‌آوری داده‌ها نقش مهمی در کاهش تعداد انتقال برای گره WSN ایفا می‌کند. تجمع داده‌ها در WSN در لایه برنامه کاربردی گره انجام می‌شود. علاوه براین، رویکرد ارائه شده در [11] برای روش‌های بازیابی داده‌ها مبتنی بر پرس و جو که توسط بسیاری از سیستم‌های ETL برای برنامه‌های کاربردی اینترنت اشیا استفاده شده کارآمد نیست. در این مقاله، ادغام جمع‌آوری داده‌ها در لایه شبکه و بررسی امکان بیشتر کاهش مصرف انرژی پیشنهاد شده است.
پیشنهادی روش CROSS-LAYER برای گردآوری داده‌ها
پروتکل CLCP که در این مقاله مورد بررسی قرار گرفت مشکلات زیر را در بازیابی داده‌های WSN به همراه دارد [9].
• رسیدگی به محیط موقت تلفن‌همراه بدون هر گونه زیرساخت ثابتی.
• تضمین تحمل شکست.
• عمل در لایه نرم‌افزار و شبکه.
با این حال، با مشکل جمع‌آوری داده‌ها سروکار ندارد. درخواست پرس و جو در لایه کاربردی آغاز و عمدتا در لایه شبکه اجرا می‌شود. در طرح پیشنهادی ما پروتکل CLCP بنا به ویژگیهای تجمع با همکاری لایه برنامه کاربردی و شبکه در سراسر عملیات پروتکل اقتباس شده است. در CLCP، روند انتخاب پیش فرض خوشه، براساس CL_factor انجام می‌شود که دو پارامتر انرژی باقی مانده و فاصله متوسط از اعضای خوشه را در نظر می‌گیرد. عضو خوشه با بالاترین CL_factor به‌عنوان سرخوشه انتخاب می‌شود. در روش ما اعضای خوشه براساس پاسخ پرس و جو برای شناسایی گره منابع هدف برای پرس و جو خاص تولید شده توسط رجیستری ETL انتخاب شده‌اند. شکل 2 لایه‌ای را که در آن از CLCP اقتباس شده نشان می‌دهد. روش پیشنهادی ما در مراحل زیر بیان شده است و دارای دو مرحله است.
شبیه سازی
الف) تشکیل خوشه در شبکه:
منطقه شبکه به سلول‌های مبتنی بر اندازه شبکه از نظر ارتفاع و عرض و دامنه ارتباطات تقسیم می‌شود. هر سلول به یک شناسه اختصاص داده شده و به عنوان یک خوشه تشکیل شده است. هر خوشه برخی از اعضای خوشه را برای تشکیل خوشه در بر دارد. سپس عضو خوشه، داده را به سرخوشه می‌فرستد. پس از جمع‌آوری داده‌های دریافت شده، سرخوشه داده را برای همزمانی ارسال می‌کند. روش پیشنهادی انتخاب سرخوشه طرح متفاوتی از طرح‌های موجود است.
نتیجه گیری و کارهای آتی
بر اساس سناریو آزمایش شده، روش CLCP بدون تجمع در کاهش سربار و افزایش توان عملیاتی بهتر از روش‌های دیگر عمل می‌کند. اما، استفاده از انرژی باقی‌مانده برای هر دو روش CLCP مشابه است. مطالعات بیشتر با برخی مجموعه داده‌های دردسترس هوشمند برای آزمودن نتیجه این رویکرد، همراه با گروه‌بندی چندخوشه‌ای قابل انجام است. همچنین ما در حال برنامه‌ریزی برای مطالعه اثر ANهای متعدد در داخل یک خوشه در WSN هستیم.
این مقاله در سال 2016 در نشریه آی تریپل ای و در کنفرانس بین المللی شهرهای هوشمند، توسط گروه دانشکده محاسبات و فناوری اطلاعات منتشر شده و در سایت ای ترجمه جهت دانلود ارائه شده است. در صورت نیاز به دانلود رایگان اصل مقاله انگلیسی و ترجمه آن می توانید به پست دانلود ترجمه مقاله چارچوب چند لایه برای داده های حسگر و تجمیع برنامه های IoT در سایت ای ترجمه مراجعه نمایید.
