CN1863109A - 支持ip协议的无线传感器网络*** - Google Patents

Abstract

本发明的一种支持IP协议的无线传感器网络***，其设置有普通的无线传感器节点，以及计算能力和功率较强的中心节点；所述网络***设置为多层分级网络结构，其下层由普通无线传感器节点构成多个簇，其中心节点负责协调簇内各传感器节点、对信息进行汇聚并向网关传送信息；上层由能对普通节点的信息进行处理并相互通信的中心节点构成，上层网络用于连接距离较远的低层簇；中心节点通过网络的网关与外部网络互连，将处理后的传感器信息交付骨干网并传递给远程用户，网关上运行IPv4或IPv6协议或IPv4/IPv6双协议。本发明的网络***减少了通信开销和普通节点的传输功率，从而简化了网络的设计。

Description

支持IP协议的无线传感器网络***

技术领域

本发明涉及一种利用IP(Internet protocol，因特网协议)技术与无线传感器网络相结合所形成的新的组网方案，尤其涉及的是一种新的无线传感器网络细网方案，能监测环境并能利用IP技术与Internet网络连接，为远程用户提供数据服务的***。

背景技术

因特网协议IP(Intenet Protocol)是将internet网连在一起的是网络层协议，其工作是提供一种从源端到目的端传输数据报的最佳尝试方法，不管这些机器是否在同一个网络中，或者其间是否有其他网络。传统的IP，即IPv4(IP version 4)定义IP地址的长度为32位，Internet上每个主机都分配了一个(或多个)32位的IP地址。32位的地址在DARPA时代的互联网络看来还是足够使用的。但是在80年代早期，即使是最有远见的TCP/IP开发者们也没有预料到互联网会有后来的***性的增长。自从1992年以来，特别是WWW服务普及之后，网络节点的数目开始以几何级数增长。在IPv4面临的一系列问题中，IP地址即将耗尽无疑是最为严重的，有预测表明，以目前Internet发展速度计算，所有IPv4地址将在2005～2010年间分配完毕。为了彻底解决IPv4存在的问题，IETF从1995年开始，着手研究开发下一代IP协议，即IPv6。IPv6具有长达128位的地址空间，可以彻底解决IPv4地址不足的问题，除此之外，IPv6还采用分级地址模式、高效IP包头、服务质量、主机地址自动配置、认证和加密等许多技术。

但随着普适计算的提出，人们希望无论任何时间、任何地点、使用任何的通讯工具或终端设备都能完成自己所做的事情，真正实现“无处不在的计算”理念。显然，即使是IPv6网络也难以做到这一点。

无线传感器网络是随着微机电***(MEMS：Micro-Electro-MechanicalSystems)、低功耗高集成度电子器件及无线通信技术的快速发展，低成本、低功耗、微体积、多功能的无线传感器节点设备的出现而形成的区别于传统意义网络的新型网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式***对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。

在理想的无线传感器网络中，一组功能有限的传感器节点协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点。由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。传感器网络的节点数量和密度很高，可能达到每平方米几十个节点的密度。

为无线传感器网络提出的体系结构有：星型结构、网状结构、星网混合结构和分层结构。星状网拓扑结构是一个单跳***；网状拓扑结构是多跳***；后来提出的星网混合结构力求兼具星状网的简洁和低功耗以及网状网的长传输距离和自愈性等优点；分层网络结构主要考虑了网络中设备的种类和能力，将网络分为不同的通信层次服务于不同的通信目标。

但是上面简介的网络并没有提出有效地接入Internet网络的方法，因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种支持IP协议的无线传感器网络***，提出一种将IP技术与无线传感器网络结合，形成功能强大、业务更加完善、实用的新型支持IP技术的无线传感器网络组网***，使需要大量IP地址的无线传感器网络能利用IP技术与Internet网络连接，为远程用户提供所需要的服务。

本发明的技术方案如下：

一种支持IP协议的无线传感器网络***，其中，在所述网络***中设置有普通的无线传感器节点，用于感知环境、数据采样和数据传送；以及计算能力和功率较强的中心节点，用于控制其网络范围内的普通节点工作，实时收集数据并与上一层网络通信；

所述网络***设置为多层分级网络结构，其下层由普通无线传感器节点构成多个簇，其中心节点负责协调簇内各传感器节点、对信息进行汇聚并向网关传送信息，并在中心节点上运行IPv4或者IPv6协议或IPv4/IPv6双协议；上层由能对普通节点的信息进行处理并相互通信的中心节点构成，上层网络用于连接距离较远的低层簇；

中心节点通过网络的网关与外部网络互连，将处理后的传感器信息交付骨干网并传递给远程用户，网关上运行IPv4或IPv6协议或IPv4/IPv6双协议。

所述的网络***，其中，所述普通节点包括计算模块、存储单元、近程无线通信模块、传感器接口电路和传感单元；所述普通节点用于采集数据，并发送给各个传感器节点组的中心节点。

所述的网络***，其中，所述中心节点包括计算模块、存储单元、近程无线通信模块和远程通信模块；所述近程无线通信模块负责与普通节点通信；远程通信模块负责与网关或者其它中心节点通信；

所述中心节点提供足够的运算能力和存储资源支持IP协议。

所述的网络***，其中，所述中心节点还包括传感单元。

所述的网络***，其中，所述中心节点的远程通信模块采用有线通信技术。

所述的网络***，其中，所述中心节点的远程通信模块采用无线通信技术，设置有支持GRRS、CDMA或WLAN中的一种或多种无线数据传输模块。

本发明所提供的一种支持IP协议的无线传感器网络***，支持IP协议的无线传感器网络能安全、有效、方便的与Internet网络结合，为远程用户提供功能强大、业务完善的数据服务；采用两层或者多层分簇分级结构，中心节点可以对簇内节点发出的传感器信息进行预处理和汇聚，减少了通信开销和普通节点的传输功率，从而简化了网络的设计；在中心节点上实现IP协议可以避免在每个节点都实现IP协议所带来的复杂化和成本的增加，同时能有效的通过IP协议接入Internet网络；每个簇内有多个中心节点，当一个中心节点失效时，启用备份中心节点，增强了网络的健壮性。

附图说明

图1为本发明的所述支持IP协议的无线传感器网络组网的结构示意图；

图2为本发明的无线传感器网络普通节点硬件结构示意图；

图3为本发明的无线传感器网络支持IP协议的中心节点硬件结构示意图；

图4为本发明的基本节点的软件***示意图；

图5为本发明的支持IP协议的中心节点的软件***示意图。

具体实施方式

以下结合附图，将对本发明的各较佳实施例加以详细描述。

本发明所述的支持IP协议的无线传感器网络***，其网络中存在两种节点设备，一种是普通的无线传感器节点，主要用于感知环境、数据采样和数据传送，这类节点的功耗极小；另一种是计算能力和功率较强的中心节点，可以控制其网络范围内的普通节点工作，实时收集数据并能与上一层网络通信。本发明组网方案采用两层或者多层分级网络结构，如图1所示的。下层由普通无线传感器节点按照某种分簇算法构成多个簇，其中中心节点负责协调簇内各传感器节点、对信息进行汇聚并向网关传送信息，中心节点上运行单IPv4或者单IPv6协议或者IPv4/IPv6双协议。功能较强的中心节点可以对普通节点的信息进行处理，并可以相互通信来构成上层网络，上层网络可以用于连接距离较远的低层簇。网关与外部网络Internet互连，将处理后的传感器信息交付骨干网并传递给远程用户，网关上运行单IPv4协议或者单IPv6协议或者IPv4/IPv6双协议。

对于以上的实施方案，本发明可以出现以下的变体：

随着技术的进步，硬件成本会越来越低，基本节点也可以支持IP协议，即在上面的实施方案中，不再将节点区分为基本节点和中心节点，所有节点都具有相同或相近的硬件、软件结构和功能；

上面的实施方案仅以两层网络结构为例进行了说明，该实施方案可以演变为三层甚至是更多层的实施方案；

上面的实施方案中，每个簇中只有一个中心节点，但并没有排除每个簇中同时具有两个或两上以上的中心节点的可能，每个簇中具有一个以上的中心节点在技术上是可实施的。

下面详细说明支持IP协议的无线传感器网络***的两种节点的硬件组成原理。

普通节点：如图2所示的，普通节点主要由计算模块MCU、存储单元、近程无线通信模块、传感器接口电路和传感单元组成。普通节点的功能是采集人们感兴趣的数据，并将数据发送给各个传感器节点组的中心节点。在结构复杂的无线传感网中，网络边缘叶子节点无需路由功能，非叶子节点还需要有路由功能。无论是叶子节点还是非叶子节点，可以采用一样的硬件设计。

中心节点：如图3所示，支持IP协议的无线传感网的中心节点由传感单元(也可以不带传感单元)、计算模块MCU、存储单元、近程无线通信模块和远程通信模块组成。近程无线通信模块(可以使用IEEE 802.15.4标准)负责与普通节点通信；远程通信模块负责与网关或者其它中心节点通信，远程通信模块可以使用有线通信技术或者无线通信技术例如：GPRS，CDMA，WLAN等无线技术。中心节点的计算能力和功率较强，可以控制其网络范围内的普通节点工作，它具有和普通节点无线通信、数据融合以及和上一层网络的通信能力。中心节点将提供足够的运算能力和存储资源，以支持IP协议。中心节点的远程通信模块可以是有线通信技术，如果采用无线通信技术将支持GRRS、CDMA或WLAN中的一种或多种无线数据传输模块，利用运营商现有的网络实现无线传感网络数据的远程透明传输。中心节点通过网关与Internet网络通信。

本发明所述的支持IP协议的无线传感器网络的两种节点的软件***如图4和图5所示的。

无线传感器网络节点是一个典型的嵌入式***，同时由于无线通信的异步特性和传感器网络节点本身的信息采集等功能又要求***对各种外部事件实时反应，这就决定了无线传感器网络节点同时又是一个实时***。因此，无线传感器网络节点的软件设计必须要满足嵌入式***和实时***双重要求。

软件解决方案也分为基本节点软件***和中心节点软件***。其中基本节点软件***分为四层：网络层、操作***层、数据链路及驱动层，图4是软件***结构图。其中驱动层完成对硬件的抽象；数据链路层的主要用途是为相邻的网络实体之间建立、维持和释放数据链路链接，以及传输数据链路服务数据单元，分为同上层协议软件交互的逻辑链路子层与同物理层软件交互的通信媒介访问控制子层；网络层的主要功能是为源节点和目标节点之间的通信而建立、维持和终止网络链接，以及通过网络连接交换网络服务数据单元，实现点到点结构的网络连接和支持具有不同底层协议的子网的连接；操作***层主要完成面向传感器网络的轻量级嵌入式操作***。

中心节点的软件***相对复杂，如图5所示。相对普通节点的软件结构增加了轻量级IP协议，并且增加了精简TCP/UDP协议还有应用层协议。

Claims (6)

1、一种支持IP协议的无线传感器网络***，其特征在于，在所述网络***中设置有普通的无线传感器节点，用于感知环境、数据采样和数据传送；以及计算能力和功率较强的中心节点，用于控制其网络范围内的普通节点工作，实时收集数据并与上一层网络通信；

所述网络***设置为多层分级网络结构，其下层由普通无线传感器节点构成多个簇，其中心节点负责协调簇内各传感器节点、对信息进行汇聚并向网关传送信息，并在中心节点上运行IPv4或者IPv6协议或IPv4/IPv6双协议；上层由能对普通节点的信息进行处理并相互通信的中心节点构成，上层网络用于连接距离较远的低层簇；

中心节点通过网络的网关与外部网络互连，将处理后的传感器信息交付骨干网并传递给远程用户，网关上运行IPv4或IPv6协议或IPv4/IPv6双协议。

2、根据权利要求1所述的网络***，其特征在于，所述普通节点包括计算模块、存储单元、近程无线通信模块、传感器接口电路和传感单元；所述普通节点用于采集数据，并发送给各个传感器节点组的中心节点。

3、根据权利要求1所述的网络***，其特征在于，所述中心节点包括计算模块、存储单元、近程无线通信模块和远程通信模块；所述近程无线通信模块负责与普通节点通信；远程通信模块负责与网关或者其它中心节点通信；

所述中心节点提供足够的运算能力和存储资源支持IP协议。

4、根据权利要求3所述的网络***，其特征在于，所述中心节点还包括传感单元。

5、根据权利要求4所述的网络***，其特征在于，所述中心节点的远程通信模块采用有线通信技术。

6、根据权利要求4所述的网络***，其特征在于，所述中心节点的远程通信模块采用无线通信技术，设置有支持GRRS、CDMA或WLAN中的一种或多种无线数据传输模块。

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