CN102202427A - 无线自组织网状网络*** - Google Patents

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CN102202427A CN2011101027192A CN201110102719A CN102202427A CN 102202427 A CN102202427 A CN 102202427A CN 2011101027192 A CN2011101027192 A CN 2011101027192A CN 201110102719 A CN201110102719 A CN 201110102719A CN 102202427 A CN102202427 A CN 102202427A
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逯利军
钱培专
曹晶
林强
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Abstract

本发明涉及一种无线自组织网状网络***,其包括无线网状网络节点群、集中器和监控中心,集中器连接于所述的无线网状网络节点群和监控中心之间,所述的无线网状网络节点群包括多个无线网状网络节点通讯装置,各无线网状网络节点通讯装置均直接或通过其它无线网状网络节点通讯装置间接连接所述的集中器。采用了本发明的无线自组织网状网络***,其无线网状网络节点群具有自组织、自学习能力,无线网状网络节点通讯装置的通讯距离较长,使用寿命较长,从而使该无线自组织网状网络***能被方便地应用于野外恶劣环境、布线困难场合或动态移动物体群场所中,有效地扩展了无线网状网络技术的应用范围,且该***的结构简单,成本低廉,应用范围广泛。

Description

无线自组织网状网络***
技术领域
本发明涉及网络设备领域,特别涉及无线网络通讯***技术领域,具体是指一种无线自组织网状网络***。
背景技术
目前,无线网状网络技术正处于不断发展的阶段,但其主要还是应用于一种公共无线局域网和城域网解决方案。通常的应用方式包括智能仪表、楼宇自动化、商用照明控制、个人医疗设备、资产追踪***及其它应用。上述这些应用方式均需在较好的应用环境下进行,该环境中需电力供应正常,并且这些应用方式可供通信的模块数量也有一定的限制。受限于现有的无线网状网络节点的通讯设备存在功耗高,通讯距离较短,使用寿命较为有限等缺点,现在的无线网状网络技术无法实现超低功耗、高稳定性、强抗干扰能力、且远距离传输的性能。因此,其无法被应用于环境恶劣、电力供应无法到达、常年无法维护的条件下以及动态移动的物体群中,这就对无线网状网络技术的应用范围造成了极大的限制。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点,提供一种能方便地应用于野外的恶劣环境中,且具有自组织、自学习能力,通讯距离较长,使用寿命较长,结构简单,成本低廉,应用范围广泛的无线自组织网状网络***。
为了实现上述的目的,本发明的无线自组织网状网络***具有如下构成:
该***包括无线网状网络节点群、集中器和监控中心,所述的集中器连接于所述的无线网状网络节点群和监控中心之间,所述的无线网状网络节点群包括多个无线网状网络节点通讯装置,所述的各无线网状网络节点通讯装置均直接或通过其它无线网状网络节点通讯装置间接连接所述的集中器。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置包括中央处理模块、存储模块、网络通信接口模块、射频收发模块和电源模块,所述的中央处理模块分别连接所述的存储模块、网络通信接口模块、射频收发模块和电源模块,所述的无线网状网络节点通讯装置通过所述的射频收发模块相互连接,或通过所述的射频收发模块连接所述的集中器。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块包括硬件单元、数据处理单元、应用单元和管理单元,所述的数据处理单元连接于所述的硬件单元和所述的应用单元之间,所述的硬件单元还连接所述的网络通信接口模块和存储模块,所述的管理单元分别连接所述的硬件单元、数据处理单元和应用单元。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置的硬件单元包括硬件驱动子单元和硬件抽象子单元,所述的硬件驱动子单元通过所述的硬件抽象子单元连接所述的数据处理单元,所述的硬件驱动子单元还分别连接所述的网络通信接口模块和存储模块。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置的数据处理单元包括时钟子单元、数据存储子单元和通讯协议子单元,所述的时钟子单元、数据存储子单元和通讯协议子单元均连接于所述的硬件单元和所述的应用单元之间。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块还包括射频单元,所述的射频单元连接于所述的射频收发模块和所述的应用单元之间。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置的射频单元包括射频驱动子单元和射频抽象子单元,所述的射频收发模块依次通过所述的射频驱动子单元和射频抽象子单元连接所述的应用单元。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块为一微处理器。
该无线自组织网状网络***中,所述的无线网状网络节点通讯装置的电源模块为超级电容或电池和/或交直流转换电路。
该无线自组织网状网络***中,所述的集中器包括应用管理模块、应用模块、网络模块和网络接口模块,所述的应用管理模块顺序连接所述的应用模块、网络模块和网络接口模块,所述的网络接口模块分别连接所述的监控中心以及无线网状网络节点群中所述的各直接连接集中器的无线网状网络节点通讯装置。
该无线自组织网状网络***中,所述的应用模块包括宽域网应用单元和网状网络应用单元,所述的网络模块包括宽域网网络单元和网状网络单元,所述的网络接口模块包括射频接口单元和以太网接口单元,所述的应用管理模块顺序通过所述的宽域网应用单元、宽域网网络单元和以太网接口单元连接所述的监控中心,所述的应用管理模块顺序通过所述的网状网络应用单元、网状网络单元和射频接口单元连接各所述的直接连接集中器的无线网状网络节点通讯装置。
该无线自组织网状网络***中,所述的网络模块中的宽域网网络单元和网状网络单元通过基于IP协议通信管道直接连接。
该无线自组织网状网络***中,所述的监控中心包括管理服务器和数据库,所述的数据库连接于所述的管理服务器,所述的管理服务器还连接于所述的集中器的网络接口模块。
采用了该发明的无线自组织网状网络***,由于其包括无线网状网络节点群、集中器和监控中心,集中器连接于所述的无线网状网络节点群和监控中心之间,所述的无线网状网络节点群包括多个无线网状网络节点通讯装置,各无线网状网络节点通讯装置均直接或通过其它无线网状网络节点通讯装置间接连接所述的集中器。其无线网状网络节点群具有自组织、自学习能力,无线网状网络节点通讯装置的通讯距离较长,使用寿命较长,从而使该无线自组织网状网络***能被方便地应用于野外恶劣环境、布线困难场合或动态移动物体群场所中,有效地扩展了无线网状网络技术的应用范围。该无线自组织网状网络***的结构简单,成本低廉,且应用范围广泛。
附图说明
图1为本发明的无线自组织网状网络***的结构示意图。
图2为本发明的无线自组织网状网络***中的无线网状网络节点通讯装置的模块结构示意图。
图3为本发明的无线自组织网状网络***中的无线网状网络节点通讯装置的通讯功能结构示意图。
图4为本发明的无线自组织网状网络***中的集中器的结构示意图。
图5为本发明的无线自组织网状网络***中的节点网络拓扑图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容,特举以下实施例详细说明。
请参阅图1所示,为本发明的无线自组织网状网络***的结构示意图。
在一种实施方式中,该无线自组织网状网络***包括无线网状网络节点群、集中器和监控中心,所述的集中器连接于所述的无线网状网络节点群和监控中心之间,所述的无线网状网络节点群包括多个无线网状网络节点通讯装置,所述的各无线网状网络节点通讯装置均直接或通过其它无线网状网络节点通讯装置间接连接所述的集中器。
其中,如图2所示,所述的无线网状网络节点通讯装置包括中央处理模块、存储模块、网络通信接口模块、射频收发模块和电源模块,所述的中央处理模块分别连接所述的存储模块、网络通信接口模块、射频收发模块和电源模块,所述的无线网状网络节点通讯装置通过所述的射频收发模块相互连接,或通过所述的射频收发模块连接所述的集中器。所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块为一微处理器。所述的无线网状网络节点通讯装置的电源模块为超级电容或电池和/或交直流转换电路。
所述的集中器包括应用管理模块、应用模块、网络模块和网络接口模块,所述的应用管理模块顺序连接所述的应用模块、网络模块和网络接口模块,所述的网络接口模块分别连接所述的监控中心以及无线网状网络节点群中所述的各直接连接集中器的无线网状网络节点通讯装置。
所述的监控中心包括管理服务器和数据库,所述的数据库连接于所述的管理服务器,所述的管理服务器还连接于所述的集中器的网络接口模块。
在一种较优选的实施方式中,所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块包括硬件单元、数据处理单元、应用单元和管理单元,所述的数据处理单元连接于所述的硬件单元和所述的应用单元之间,所述的硬件单元还连接所述的网络通信接口模块和存储模块,所述的管理单元分别连接所述的硬件单元、数据处理单元和应用单元。
所述的集中器的应用模块包括宽域网应用单元和网状网络应用单元,所述的网络模块包括宽域网网络单元和网状网络单元,所述的网络接口模块包括射频接口单元和以太网接口单元,所述的应用管理模块顺序通过所述的宽域网应用单元、宽域网网络单元和以太网接口单元连接所述的监控中心,所述的应用管理模块顺序通过所述的网状网络应用单元、网状网络单元和射频接口单元连接各所述的直接连接集中器的无线网状网络节点通讯装置。
在一种进一步优选的实施方式中,所述的无线网状网络节点通讯装置的硬件单元包括硬件驱动子单元和硬件抽象子单元,所述的硬件驱动子单元通过所述的硬件抽象子单元连接所述的数据处理单元,所述的硬件驱动子单元还分别连接所述的网络通信接口模块和存储模块。所述的无线网状网络节点通讯装置的数据处理单元包括时钟子单元、数据存储子单元和通讯协议子单元,所述的时钟子单元、数据存储子单元和通讯协议子单元均连接于所述的硬件单元和所述的应用单元之间。所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块还包括射频单元,所述的射频单元连接于所述的射频收发模块和所述的应用单元之间。所述的无线网状网络节点通讯装置的射频单元包括射频驱动子单元和射频抽象子单元,所述的射频收发模块依次通过所述的射频驱动子单元和射频抽象子单元连接所述的应用单元。
在更为优选的实施方式中,所述的集中器的网络模块中的宽域网网络单元和网状网络单元通过基于IP协议通信管道直接连接。
在本发明的应用中,本发明的无线自组织网状网络***由节点,集中器和网络管理器三部分组成。***的实质是一个双向的IPV6无线通讯网络平台,节点相互之间,节点和集中器,及集中器和网络管理器之间通过此平台进行通讯。
节点部署安装后可自行发现网络并注册到集中器,并根据无线信道不断变化的情况智能地进行路由选择和重选择,组成具有自组织,自愈合,自管理能力的无线网状网络并在此基础上实现双向的接力式数据传送。节点数目覆盖可达上万个,远多于现有技术中的无线网状网络***所能覆盖的节点数量。
1、无线网状网络节点通讯装置
节点通讯装置是内置式的,其具有数据采集,存储,监控和智能性双向无线通信的功能。负责将各种传感器的数据经由临近节点或集中器发送到监控中心,并组成具有自组织,自愈合,自管理能力的无线网状网络。它通过相邻节点的接力传送来完成和集中器的信息互换。通过完全的双向通信可随时按照需要读取数据和发送警报信息,并接收来自监控中心的指令并送到相应的处理单元。
无线网状网络节点通讯装置的功能结构图如图3所示。硬件驱动层负责硬件的接口,如时钟,同步通讯异步通讯等的设置,提供对硬件抽象层服务。硬件抽象层服务将具体的基于特定硬件的功能与上层模块分开,提高软件的可移植性。时钟模块负责各种时钟的设置,时间信号的产生等。数据存储模块负责数据格式的转换,数据的压缩,储存,校验及删除等功能。通讯协议模块负责与传感器等按相应协议进行通讯,应用模块对来自本地的传感器或线状网络(射频端)的数据,指令,警报等作相应的处理。管理平面对各模块进行管理,如模块的注册,设置,升级等。
通讯模块的物理层/数据层基于IEEE 802.15.4g SUN标准,工作在无需许可证的频带。并采用跳频技术进行抗干扰和降低多径效应。最大射频功率可达1W,在无障碍物(LOS)情况下,有效传输距离超过10公里。模块技术指标如下:
工作频段:470-510MHz
数据率:400kbps
扩频技术:FHSS
调制:GFSK
最大射频输出:1W(30dBm)
接收器灵敏度:-90dBm(PER=1%)
工作温度:-40℃至+85℃
工作湿度:0%-95%,非冷凝
射频驱动负责对射频收发器的具体的设置,控制和数据的交还。射频抽象层将数据层功能与具体的射频收发器分开,以增加软件的可移植性。它通过128位-AES编码器对数据进行加密或解密,并进行前向纠错(FEC)编码,32位CRC校验码和白化(Whitening)。链路层(LLC/MAC)采用IEEE802.15.5标准。网络层支持IPV6,并通过路由引擎进行路由的选择。
2、无线网状网络集中器
集中器是独立的节点无线网状网络与外部固定的宽域网之间的通讯桥梁。它的两端是完全独立的,使用不同物理层的网络。其一端与节点通过无线通讯,集中器可连接多达几百个节点。另一端提供标准的以太网接口,通过标准的宽带IP网络,如光纤,GPRS等与监控中心网络管理软件和其它应用软件通讯。
无线网状网络集中器的结构如图4所示,其应用管理层提供基于WEB采用HTTPS的用户接口,用于对各应用模块进行管理。其功能包括模块的设置、自测试、升级、事件/警报的日志审计,用户授权管理等。应用模块包括对数据,警报及事件的管理等。
在宽域网接口一端,宽域网应用模块负责网络参数的设置,如IP,DNS服务器网址等。网络层和网络接口层完全采用IP和以太网标准。
在网状网络接口一端,网状网络应用模块负责对网络的设置,监控和管理,项目诸如节点的注册、授权、网络的状态、路由表等。同时它也负责本身及协调节点的软件升级。集中器网状网络接口支持多个射频以增加带宽和减少时延,由应用模块协调和划分。
集中器另外还提供宽域网和网状网络的IP数据包的直接管道通信,可使基于IP的外部应用软件直接与网络节点通信。
3、无线网状网络监控中心
监控中心运行有一营运中心网络管理服务器。管理服务器为用户提供了一个基于WEB的,功能强大,简易方便的图形用户界面,通过该节目对所有无线网状网络节点和集中器进行有效的管理。它和集中器采用标准的TCP/IP over SSL的通讯协议。监控中心由数据库服务和网络管理服务两部分组成,软件采用客户-服务器模式,客户端只需网络浏览器。
其中,数据库服务部分负责对数据的处理,存储。它同时提供了强大的即时分析,查询功能,并可产生各种报表和警报信息,使营运商可以实时,全面地掌握节点的运行情况,并可通过数据库服务对部分节点进行实时按需查询。数据库服务还提供了标准接口,方便其它应用软件的使用。
网络管理服务部分负责对无线网状网络的管理,监控及运行参数的设置等。它可对节点和集中器进行自动、智能的设置,而无需人工干预。网络管理服务可对单个或多个或全体节点和集中器发布接近实时的查询和指令。同时也可以进行设置和显示警报。网络管理服务部分还负责网络***时间的同步。
图5为由无线网状网络监控中心产生的节点网络拓扑图。从图中可以很清楚地看出网络的结构、节点路由以及节点的状况。通过此拓扑图,并配以GPS和GIS,就很容易发现问题所在,如网络是否有瓶颈,是否有孤立的节点等。进而可以采取相应的措施,如增加中继器等,以方便地解决上述问题。
下表是各节点的列表报告示例,显示系列号,节点硬件和软件版本,IP地址,节点状态,所注册的集中器等。
  序列号   IP地址   硬件版本   软件版本   集中器序列号   当前状况
  NJ-100   128.122.4.100   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-101   128.122.4.121   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-102   128.122.4.101   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-104   128.122.4.102   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-105   128.122.4.111   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-106   128.122.4.117   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   工作
  NJ-107   128.122.4.110   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-109   128.122.4.103   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-110   128.122.4.105   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-111   128.122.4.107   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-112   128.122.4.108   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-113   128.122.4.120   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   故障
  NJ-119   128.122.4.113   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
  NJ-121   128.122.4.114   NJ-V8   V1.0.1   NET-CTO2   待命
表1各节点状态报告列表示例
本发明的无线自组织网状网络***具有以下优点:
1、安全性
网络安全是***的重中之重。该无线自组织网状网络***采用多种安全保密技术以确保数据从起始到终点的整个传输过程的安全,以及对数据访问控制的安全。下表详细列出了***安全性的具体实现。
Figure BSA00000480041200081
表2本***安全性能实现方式对照表
2、自组织性
该无线网状网络具有自组织性。节点通讯模块在安装启动后,可自行发现并加入网络。其过程通过监听和定期广播自身来实现。通过监听可了解附近相邻节点的存在,再通过与相邻节点的信息交换获得路由信息。通过定期广播自身使相邻节点知道自身的存在从而达到与相邻节点通讯的目的。
自组织性免除了人工干预,无需手工设置,从而简化了***安装,使***具有极好的可扩展性。
3、可靠性
该自组织无线网状网络***具有自愈和的特性。多个路径的存在,使得单个节点的故障不影响其它节点。节点定期对路径进行评估,并和相邻节点交还信息以保持最佳路径,从而使***可靠性大为提高。在搜寻最短路径时,还充分考虑到信号的强弱,节点的数据流量,及相互通讯的历史等。
4、时间同步
由于各节点和集中器的晶体振荡器的差异而导致的时间上的差异,需要予以纠正以确保数据的有效性。该无线网状网络***定期进行一次纠正。首先由网络管理器同步到时间服务器,再由网络管理器纠正集中器,集中器纠正一级接点,一级接点纠正二级,如此逐级纠正,实现整个***的时间同步。
5、无线软件升级
该无线网状网络节点可实现无线软件升级。软件升级由网络管理服务器发起,将代码发送到集中器,再由集中器发送到一级接点,再由一级接点发送到二级接点,如涟漪效应,实现整个***的软件升级。软件升级也可只对单个或特定的群。
采用了该发明的无线自组织网状网络***,由于其包括无线网状网络节点群、集中器和监控中心,集中器连接于所述的无线网状网络节点群和监控中心之间,所述的无线网状网络节点群包括多个无线网状网络节点通讯装置,各无线网状网络节点通讯装置均直接或通过其它无线网状网络节点通讯装置间接连接所述的集中器。其无线网状网络节点群具有自组织、自学习能力,无线网状网络节点通讯装置的通讯距离较长,使用寿命较长,从而使该无线自组织网状网络***能被方便地应用于野外恶劣环境、布线困难场合或动态移动物体群场所中,有效地扩展了无线网状网络技术的应用范围。该无线自组织网状网络***的结构简单,成本低廉,且应用范围广泛。
在此说明书中,本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是,很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此,说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (13)

1.一种无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的***包括无线网状网络节点群、集中器和监控中心,所述的集中器连接于所述的无线网状网络节点群和监控中心之间,所述的无线网状网络节点群包括多个无线网状网络节点通讯装置,所述的各无线网状网络节点通讯装置均直接或通过其它无线网状网络节点通讯装置间接连接所述的集中器。
2.根据权利要求1所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置包括中央处理模块、存储模块、网络通信接口模块、射频收发模块和电源模块,所述的中央处理模块分别连接所述的存储模块、网络通信接口模块、射频收发模块和电源模块,所述的无线网状网络节点通讯装置通过所述的射频收发模块相互连接,或通过所述的射频收发模块连接所述的集中器。
3.根据权利要求2所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块包括硬件单元、数据处理单元、应用单元和管理单元,所述的数据处理单元连接于所述的硬件单元和所述的应用单元之间,所述的硬件单元还连接所述的网络通信接口模块和存储模块,所述的管理单元分别连接所述的硬件单元、数据处理单元和应用单元。
4.根据权利要求3所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置的硬件单元包括硬件驱动子单元和硬件抽象子单元,所述的硬件驱动子单元通过所述的硬件抽象子单元连接所述的数据处理单元,所述的硬件驱动子单元还分别连接所述的网络通信接口模块和存储模块。
5.根据权利要求3所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置的数据处理单元包括时钟子单元、数据存储子单元和通讯协议子单元,所述的时钟子单元、数据存储子单元和通讯协议子单元均连接于所述的硬件单元和所述的应用单元之间。
6.根据权利要求3所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块还包括射频单元,所述的射频单元连接于所述的射频收发模块和所述的应用单元之间。
7.根据权利要求6所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置的射频单元包括射频驱动子单元和射频抽象子单元,所述的射频收发模块依次通过所述的射频驱动子单元和射频抽象子单元连接所述的应用单元。
8.根据权利要求3所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置的中央处理模块为一微处理器。
9.根据权利要求2所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的无线网状网络节点通讯装置的电源模块为超级电容或电池和/或交直流转换电路。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的集中器包括应用管理模块、应用模块、网络模块和网络接口模块,所述的应用管理模块顺序连接所述的应用模块、网络模块和网络接口模块,所述的网络接口模块分别连接所述的监控中心以及无线网状网络节点群中所述的各直接连接集中器的无线网状网络节点通讯装置。
11.根据权利要求10所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的应用模块包括宽域网应用单元和网状网络应用单元,所述的网络模块包括宽域网网络单元和网状网络单元,所述的网络接口模块包括射频接口单元和以太网接口单元,所述的应用管理模块顺序通过所述的宽域网应用单元、宽域网网络单元和以太网接口单元连接所述的监控中心,所述的应用管理模块顺序通过所述的网状网络应用单元、网状网络单元和射频接口单元连接各所述的直接连接集中器的无线网状网络节点通讯装置。
12.根据权利要求11所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的网络模块中的宽域网网络单元和网状网络单元通过基于IP协议通信管道直接连接。
13.根据权利要求10所述的无线自组织网状网络***,其特征在于,所述的监控中心包括管理服务器和数据库,所述的数据库连接于所述的管理服务器,所述的管理服务器还连接于所述的集中器的网络接口模块。
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