專利名稱：支持ip協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用IP(Internet protocol，因特網(wǎng)協(xié)議)技術與無線傳感器網(wǎng)絡相結合所形成的新的組網(wǎng)方案，尤其涉及的是一種新的無線傳感器網(wǎng)絡細網(wǎng)方案，能監(jiān)測環(huán)境并能利用IP技術與Internet網(wǎng)絡連接，為遠程用戶提供數(shù)據(jù)服務的系統(tǒng)。
背景技術：
因特網(wǎng)協(xié)議IP(Intenet Protocol)是將internet網(wǎng)連在一起的是網(wǎng)絡層協(xié)議，其工作是提供一種從源端到目的端傳輸數(shù)據(jù)報的最佳嘗試方法，不管這些機器是否在同一個網(wǎng)絡中，或者其間是否有其他網(wǎng)絡。傳統(tǒng)的IP，即IPv4(IP version 4)定義IP地址的長度為32位，Internet上每個主機都分配了一個(或多個)32位的IP地址。32位的地址在DARPA時代的互聯(lián)網(wǎng)絡看來還是足夠使用的。但是在80年代早期，即使是最有遠見的TCP/IP開發(fā)者們也沒有預料到互聯(lián)網(wǎng)會有后來的爆炸性的增長。自從1992年以來，特別是WWW服務普及之后，網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)目開始以幾何級數(shù)增長。在IPv4面臨的一系列問題中，IP地址即將耗盡無疑是最為嚴重的，有預測表明，以目前Internet發(fā)展速度計算，所有IPv4地址將在2005～2010年間分配完畢。為了徹底解決IPv4存在的問題，IETF從1995年開始，著手研究開發(fā)下一代IP協(xié)議，即IPv6。IPv6具有長達128位的地址空間，可以徹底解決IPv4地址不足的問題，除此之外，IPv6還采用分級地址模式、高效IP包頭、服務質量、主機地址自動配置、認證和加密等許多技術。
但隨著普適計算的提出，人們希望無論任何時間、任何地點、使用任何的通訊工具或終端設備都能完成自己所做的事情，真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。顯然，即使是IPv6網(wǎng)絡也難以做到這一點。
無線傳感器網(wǎng)絡是隨著微機電系統(tǒng)(MEMSMicro-Electro-MechanicalSystems)、低功耗高集成度電子器件及無線通信技術的快速發(fā)展，低成本、低功耗、微體積、多功能的無線傳感器節(jié)點設備的出現(xiàn)而形成的區(qū)別于傳統(tǒng)意義網(wǎng)絡的新型網(wǎng)絡。它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。
在理想的無線傳感器網(wǎng)絡中，一組功能有限的傳感器節(jié)點協(xié)作地完成大的感知任務是傳感器網(wǎng)絡的重要特點。由于傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的微型化，每個節(jié)點的通信和傳感半徑很有限，一般為十幾米范圍之內(nèi)，而且為了節(jié)能，傳感器節(jié)點大部分時間處于睡眠狀態(tài)，所以往往通過鋪設大量的傳感器節(jié)點來保證網(wǎng)絡的質量。傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)量和密度很高，可能達到每平方米幾十個節(jié)點的密度。
為無線傳感器網(wǎng)絡提出的體系結構有星型結構、網(wǎng)狀結構、星網(wǎng)混合結構和分層結構。星狀網(wǎng)拓撲結構是一個單跳系統(tǒng)；網(wǎng)狀拓撲結構是多跳系統(tǒng)；后來提出的星網(wǎng)混合結構力求兼具星狀網(wǎng)的簡潔和低功耗以及網(wǎng)狀網(wǎng)的長傳輸距離和自愈性等優(yōu)點；分層網(wǎng)絡結構主要考慮了網(wǎng)絡中設備的種類和能力，將網(wǎng)絡分為不同的通信層次服務于不同的通信目標。
但是上面簡介的網(wǎng)絡并沒有提出有效地接入Internet網(wǎng)絡的方法，因此，現(xiàn)有技術還有待于改進和發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，提出一種將IP技術與無線傳感器網(wǎng)絡結合，形成功能強大、業(yè)務更加完善、實用的新型支持IP技術的無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)系統(tǒng)，使需要大量IP地址的無線傳感器網(wǎng)絡能利用IP技術與Internet網(wǎng)絡連接，為遠程用戶提供所需要的服務。
本發(fā)明的技術方案如下一種支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中，在所述網(wǎng)絡系統(tǒng)中設置有普通的無線傳感器節(jié)點，用于感知環(huán)境、數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)傳送；以及計算能力和功率較強的中心節(jié)點，用于控制其網(wǎng)絡范圍內(nèi)的普通節(jié)點工作，實時收集數(shù)據(jù)并與上一層網(wǎng)絡通信；所述網(wǎng)絡系統(tǒng)設置為多層分級網(wǎng)絡結構，其下層由普通無線傳感器節(jié)點構成多個簇，其中心節(jié)點負責協(xié)調簇內(nèi)各傳感器節(jié)點、對信息進行匯聚并向網(wǎng)關傳送信息，并在中心節(jié)點上運行IPv4或者IPv6協(xié)議或IPv4/IPv6雙協(xié)議；上層由能對普通節(jié)點的信息進行處理并相互通信的中心節(jié)點構成，上層網(wǎng)絡用于連接距離較遠的低層簇；中心節(jié)點通過網(wǎng)絡的網(wǎng)關與外部網(wǎng)絡互連，將處理后的傳感器信息交付骨干網(wǎng)并傳遞給遠程用戶，網(wǎng)關上運行IPv4或IPv6協(xié)議或IPv4/IPv6雙協(xié)議。
所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中，所述普通節(jié)點包括計算模塊、存儲單元、近程無線通信模塊、傳感器接口電路和傳感單元；所述普通節(jié)點用于采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送給各個傳感器節(jié)點組的中心節(jié)點。
所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中，所述中心節(jié)點包括計算模塊、存儲單元、近程無線通信模塊和遠程通信模塊；所述近程無線通信模塊負責與普通節(jié)點通信；遠程通信模塊負責與網(wǎng)關或者其它中心節(jié)點通信；所述中心節(jié)點提供足夠的運算能力和存儲資源支持IP協(xié)議。
所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中，所述中心節(jié)點還包括傳感單元。
所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中，所述中心節(jié)點的遠程通信模塊采用有線通信技術。
所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其中，所述中心節(jié)點的遠程通信模塊采用無線通信技術，設置有支持GRRS、CDMA或WLAN中的一種或多種無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。
本發(fā)明所提供的一種支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡能安全、有效、方便的與Internet網(wǎng)絡結合，為遠程用戶提供功能強大、業(yè)務完善的數(shù)據(jù)服務；采用兩層或者多層分簇分級結構，中心節(jié)點可以對簇內(nèi)節(jié)點發(fā)出的傳感器信息進行預處理和匯聚，減少了通信開銷和普通節(jié)點的傳輸功率，從而簡化了網(wǎng)絡的設計；在中心節(jié)點上實現(xiàn)IP協(xié)議可以避免在每個節(jié)點都實現(xiàn)IP協(xié)議所帶來的復雜化和成本的增加，同時能有效的通過IP協(xié)議接入Internet網(wǎng)絡；每個簇內(nèi)有多個中心節(jié)點，當一個中心節(jié)點失效時，啟用備份中心節(jié)點，增強了網(wǎng)絡的健壯性。


圖1為本發(fā)明的所述支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)的結構示意圖；圖2為本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡普通節(jié)點硬件結構示意圖；圖3為本發(fā)明的無線傳感器網(wǎng)絡支持IP協(xié)議的中心節(jié)點硬件結構示意圖；圖4為本發(fā)明的基本節(jié)點的軟件系統(tǒng)示意圖；圖5為本發(fā)明的支持IP協(xié)議的中心節(jié)點的軟件系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖，將對本發(fā)明的各較佳實施例加以詳細描述。
本發(fā)明所述的支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其網(wǎng)絡中存在兩種節(jié)點設備，一種是普通的無線傳感器節(jié)點，主要用于感知環(huán)境、數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)傳送，這類節(jié)點的功耗極小；另一種是計算能力和功率較強的中心節(jié)點，可以控制其網(wǎng)絡范圍內(nèi)的普通節(jié)點工作，實時收集數(shù)據(jù)并能與上一層網(wǎng)絡通信。本發(fā)明組網(wǎng)方案采用兩層或者多層分級網(wǎng)絡結構，如圖1所示的。下層由普通無線傳感器節(jié)點按照某種分簇算法構成多個簇，其中中心節(jié)點負責協(xié)調簇內(nèi)各傳感器節(jié)點、對信息進行匯聚并向網(wǎng)關傳送信息，中心節(jié)點上運行單IPv4或者單IPv6協(xié)議或者IPv4/IPv6雙協(xié)議。功能較強的中心節(jié)點可以對普通節(jié)點的信息進行處理，并可以相互通信來構成上層網(wǎng)絡，上層網(wǎng)絡可以用于連接距離較遠的低層簇。網(wǎng)關與外部網(wǎng)絡Internet互連，將處理后的傳感器信息交付骨干網(wǎng)并傳遞給遠程用戶，網(wǎng)關上運行單IPv4協(xié)議或者單IPv6協(xié)議或者IPv4/IPv6雙協(xié)議。
對于以上的實施方案，本發(fā)明可以出現(xiàn)以下的變體隨著技術的進步，硬件成本會越來越低，基本節(jié)點也可以支持IP協(xié)議，即在上面的實施方案中，不再將節(jié)點區(qū)分為基本節(jié)點和中心節(jié)點，所有節(jié)點都具有相同或相近的硬件、軟件結構和功能；上面的實施方案僅以兩層網(wǎng)絡結構為例進行了說明，該實施方案可以演變?yōu)槿龑由踔潦歉鄬拥膶嵤┓桨?；上面的實施方案中，每個簇中只有一個中心節(jié)點，但并沒有排除每個簇中同時具有兩個或兩上以上的中心節(jié)點的可能，每個簇中具有一個以上的中心節(jié)點在技術上是可實施的。
下面詳細說明支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的兩種節(jié)點的硬件組成原理。
普通節(jié)點如圖2所示的，普通節(jié)點主要由計算模塊MCU、存儲單元、近程無線通信模塊、傳感器接口電路和傳感單元組成。普通節(jié)點的功能是采集人們感興趣的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個傳感器節(jié)點組的中心節(jié)點。在結構復雜的無線傳感網(wǎng)中，網(wǎng)絡邊緣葉子節(jié)點無需路由功能，非葉子節(jié)點還需要有路由功能。無論是葉子節(jié)點還是非葉子節(jié)點，可以采用一樣的硬件設計。
中心節(jié)點如圖3所示，支持IP協(xié)議的無線傳感網(wǎng)的中心節(jié)點由傳感單元(也可以不帶傳感單元)、計算模塊MCU、存儲單元、近程無線通信模塊和遠程通信模塊組成。近程無線通信模塊(可以使用IEEE 802.15.4標準)負責與普通節(jié)點通信；遠程通信模塊負責與網(wǎng)關或者其它中心節(jié)點通信，遠程通信模塊可以使用有線通信技術或者無線通信技術例如GPRS，CDMA，WLAN等無線技術。中心節(jié)點的計算能力和功率較強，可以控制其網(wǎng)絡范圍內(nèi)的普通節(jié)點工作，它具有和普通節(jié)點無線通信、數(shù)據(jù)融合以及和上一層網(wǎng)絡的通信能力。中心節(jié)點將提供足夠的運算能力和存儲資源，以支持IP協(xié)議。中心節(jié)點的遠程通信模塊可以是有線通信技術，如果采用無線通信技術將支持GRRS、CDMA或WLAN中的一種或多種無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，利用運營商現(xiàn)有的網(wǎng)絡實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的遠程透明傳輸。中心節(jié)點通過網(wǎng)關與Internet網(wǎng)絡通信。
本發(fā)明所述的支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡的兩種節(jié)點的軟件系統(tǒng)如圖4和圖5所示的。
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點是一個典型的嵌入式系統(tǒng)，同時由于無線通信的異步特性和傳感器網(wǎng)絡節(jié)點本身的信息采集等功能又要求系統(tǒng)對各種外部事件實時反應，這就決定了無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點同時又是一個實時系統(tǒng)。因此，無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計必須要滿足嵌入式系統(tǒng)和實時系統(tǒng)雙重要求。
軟件解決方案也分為基本節(jié)點軟件系統(tǒng)和中心節(jié)點軟件系統(tǒng)。其中基本節(jié)點軟件系統(tǒng)分為四層網(wǎng)絡層、操作系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)鏈路及驅動層，圖4是軟件系統(tǒng)結構圖。其中驅動層完成對硬件的抽象；數(shù)據(jù)鏈路層的主要用途是為相鄰的網(wǎng)絡實體之間建立、維持和釋放數(shù)據(jù)鏈路鏈接，以及傳輸數(shù)據(jù)鏈路服務數(shù)據(jù)單元，分為同上層協(xié)議軟件交互的邏輯鏈路子層與同物理層軟件交互的通信媒介訪問控制子層；網(wǎng)絡層的主要功能是為源節(jié)點和目標節(jié)點之間的通信而建立、維持和終止網(wǎng)絡鏈接，以及通過網(wǎng)絡連接交換網(wǎng)絡服務數(shù)據(jù)單元，實現(xiàn)點到點結構的網(wǎng)絡連接和支持具有不同底層協(xié)議的子網(wǎng)的連接；操作系統(tǒng)層主要完成面向傳感器網(wǎng)絡的輕量級嵌入式操作系統(tǒng)。
中心節(jié)點的軟件系統(tǒng)相對復雜，如圖5所示。相對普通節(jié)點的軟件結構增加了輕量級IP協(xié)議，并且增加了精簡TCP/UDP協(xié)議還有應用層協(xié)議。
權利要求
1.一種支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，在所述網(wǎng)絡系統(tǒng)中設置有普通的無線傳感器節(jié)點，用于感知環(huán)境、數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)傳送；以及計算能力和功率較強的中心節(jié)點，用于控制其網(wǎng)絡范圍內(nèi)的普通節(jié)點工作，實時收集數(shù)據(jù)并與上一層網(wǎng)絡通信；所述網(wǎng)絡系統(tǒng)設置為多層分級網(wǎng)絡結構，其下層由普通無線傳感器節(jié)點構成多個簇，其中心節(jié)點負責協(xié)調簇內(nèi)各傳感器節(jié)點、對信息進行匯聚并向網(wǎng)關傳送信息，并在中心節(jié)點上運行IPv4或者IPv6協(xié)議或IPv4/IPv6雙協(xié)議；上層由能對普通節(jié)點的信息進行處理并相互通信的中心節(jié)點構成，上層網(wǎng)絡用于連接距離較遠的低層簇；中心節(jié)點通過網(wǎng)絡的網(wǎng)關與外部網(wǎng)絡互連，將處理后的傳感器信息交付骨干網(wǎng)并傳遞給遠程用戶，網(wǎng)關上運行IPv4或IPv6協(xié)議或IPv4/IPv6雙協(xié)議。
2.根據(jù)權利要求1所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述普通節(jié)點包括計算模塊、存儲單元、近程無線通信模塊、傳感器接口電路和傳感單元；所述普通節(jié)點用于采集數(shù)據(jù)，并發(fā)送給各個傳感器節(jié)點組的中心節(jié)點。
3.根據(jù)權利要求1所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述中心節(jié)點包括計算模塊、存儲單元、近程無線通信模塊和遠程通信模塊；所述近程無線通信模塊負責與普通節(jié)點通信；遠程通信模塊負責與網(wǎng)關或者其它中心節(jié)點通信；所述中心節(jié)點提供足夠的運算能力和存儲資源支持IP協(xié)議。
4.根據(jù)權利要求3所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述中心節(jié)點還包括傳感單元。
5.根據(jù)權利要求4所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述中心節(jié)點的遠程通信模塊采用有線通信技術。
6.根據(jù)權利要求4所述的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其特征在于，所述中心節(jié)點的遠程通信模塊采用無線通信技術，設置有支持GRRS、CDMA或WLAN中的一種或多種無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。
全文摘要
本發(fā)明的一種支持IP協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其設置有普通的無線傳感器節(jié)點，以及計算能力和功率較強的中心節(jié)點；所述網(wǎng)絡系統(tǒng)設置為多層分級網(wǎng)絡結構，其下層由普通無線傳感器節(jié)點構成多個簇，其中心節(jié)點負責協(xié)調簇內(nèi)各傳感器節(jié)點、對信息進行匯聚并向網(wǎng)關傳送信息；上層由能對普通節(jié)點的信息進行處理并相互通信的中心節(jié)點構成，上層網(wǎng)絡用于連接距離較遠的低層簇；中心節(jié)點通過網(wǎng)絡的網(wǎng)關與外部網(wǎng)絡互連，將處理后的傳感器信息交付骨干網(wǎng)并傳遞給遠程用戶，網(wǎng)關上運行IPv4或IPv6協(xié)議或IPv4/IPv6雙協(xié)議。本發(fā)明的網(wǎng)絡系統(tǒng)減少了通信開銷和普通節(jié)點的傳輸功率，從而簡化了網(wǎng)絡的設計。
文檔編號H04L12/66GK1863109SQ20051006917
公開日2006年11月15日 申請日期2005年5月12日 優(yōu)先權日2005年5月12日
發(fā)明者李立宏, 那成亮, 馬海濤, 徐文龍 申請人:中興通訊股份有限公司