CN101018236A - 基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络技术，更具体说，涉及一种以网络为中心的基于多协议通信嵌入式模块结构的传感器网络控制系统。为了解决目前传感器网络存在的弊端和缺点，本发明设计了一种基于自适应、自诊断、自维护、自管理的传感器网络体系结构，这种结构主要是基于本人的发明技术“多功能协议通讯嵌入式模块网络控制平台”技术之上。这种体系结构内，融合了当代先进的网络技术，以及先进的微结构软件技术，形成下一代传感控制系统先进的“微结构传感控制一体化”计算模式，实现传感器网络新的运行方式、新的组网方式、新的结构方式、新的理论方式。使传感器网络在许多领域内代替计算机网络的功能有望实现。

Description

基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络

一、技术领域：

本发明涉及一种基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络技术，更具体说，涉及一种以网络为中心的基于多协议通信嵌入式模块结构的传感器网络控制系统。

二、背景技术：

当今，在国内外现有传感器网络领域，基本上都处于发展的初期，传统的传感器是基于模拟信号的，其输入、输出都大多采用4-20ma、0-10v、0-5v、1-5v、2-10v等标准模拟电流、电压信号进行传感器电测信号传输，大部分传感器的使用都沿用单个处理，传感器基本只用于控制系统的信号输入，作为一个前端信息的来源，从属于控制系统本身，不能单独作为一个系统使用，后来，随着技术的发展，出现了智能传感器，智能传感器本身就具有了控制系统的一些功能，因此这些智能传感器可以部分的作为一个控制系统使用。使传感器的技术发展达到了一定的高度，具有了控制系统的智能，使传感器运用得到更大的拓展，深入到工业控制、自动化领域大多数方面，而技术的进一步的发展，中小规模集成电路以及计算机芯片设计与制造技术、软件技术、网络技术的飞速发展。智能传感器逐渐具有了网络智能，成为了网络智能化的新型传感器，也就是说传感器告别了单个使用的状态，进入了互相关联使用的网络化时代。

这样传感器网络的概念应运而生，从此传感器领域的技术进入了一个新的发展时期。

而在此之前，传统的传感器有诸多弊端：

1、本身使用的是模拟电量信号，经过变送器变换，在传输过程中经常受到各方面的干扰，而且传感的电量本身具有粗糙的度量指标，其精度和重复性都受到一定的限制，修正也比较困难。尽管很多的传感器技术工作者进行了大量的研究工作，也难以改变本身模拟量固有的，易受多重干扰的缺陷，为了弥补这些缺陷，对传感器本身和传感信号的传输电缆都进行了大量的技术保证工作，进行了各种防干扰的技术措施和各种精度措施，屏蔽措施，这样就使传感器的造价大幅度的提高，造成了今天各种变送器、转换器……的价格昂贵，使整个的控制系统成本加大。

2、在工业控制计算机系统、PLC可编程控制器系、单片机智能控制系统等当今普遍采用的控制装置内，采取集中机柜式、集中机箱式和控制盒式安装，传感器的安装则是分布在各数据采集点，执行器的安装也分布在各控制输出执行点，而这些集中控制柜、箱、盒与传感器、执行器的联系则是以各种控制信号电缆，传感器、变送器屏蔽电缆建立连接关系，这样的安装结构造成现场控制电缆的复杂，信息往返重复传输的增多，安装建设的成本增高，维修、检修处理不方便，总体的成本费用较高。

3、今天传统的传感器和一般的智能变送器，也不能适应今天高度发展的网络控制技术的要求，因为今天的工业控制与自动化控制，已经进入了网络化控制时代，远程遥测、遥视，远程控制、网络控制，这些新的控制要求提出了对传感器附带网络传输功能的需求。而当今控制系统的成本一般来说是比较高的，而为了降低这种比较高的控制成本，唯一的出路是缩减控制系统过多的配置部分加强传感器部分的智能处理与网络处理部分，使一个单独的传感器本身能够承担一个简单的控制系统的功能要求，这样就大大的降低了测量控制系统的基本成本，提高了传感器本身的性能价格比。

4、当今各种控制系统，由于控制资源的高度集中，使控制的危险性增大，一个小小的电路故障失效可能造成整个系统的瘫痪与崩溃，因而使系统可靠性、稳定性、安全性以及自由度降低。由于现场信息往返传输较多，容易受到各种现场工业干扰，也促使系统的可靠性降低，故障率增多，系统可用性减小。

而采用传感网络控制平台系统，采取本地化的分布式、置(埋)入式就近传感控制部位安装，传感器本体与控制器本体一体化或者近距离的安装，控制器应用节点模块置入执行器本体，进行就地执行处理，所有的网络节点合理的分布嵌入式在本地应用处理各需要处理点，由于这种特殊的分布式、置入式安装合理的，本地处理，传感器和控制器的捆绑、执行器和控制器的捆绑、并采用最先进的片上系统芯片(SOC)的集成，使得系统做到小型化、微型化、器件化使得控制模块节点更贴近控制客体、结合控制客体、配合控制客体，从而为更高级的机电一体融合奠定基础，使机电控制向着先进、合理、简单方向改进。这是当前网络化智能控制对当今控制系统的必然要求，和先决条件。

而且这种控制的分散和本地化处理，使得传感控制风险分散、传感控制危险分散，一个局部的部位的损坏只会使这个部位的控制对象停止工作，而整个系统仍然安全运行，整个系统不会造成崩溃，因为传感控制节点模块之间，只有网络信息和各种控制信息交换，而没有复杂的电的信号关联连接和信号接口、信号匹配，各传感网络模块节点之间是进行着独立的本地化处理，各模块之间不存在电的传输干扰、传输衰减、阻抗匹配、阻抗变换等复杂的电路处理工作，简单的网络连接，信号交换使得传感器网络控制系统的效率得到很好的提高。

以上这些弊端提高了工业控制测量、测控以及仪器、仪表等行业的基本成本，限制了传感器本身的更广泛的应用，不能满足国民经济在低层信息采集传输方面的低成本廉价要求和灵活性简单化要求，因此传感器网络领域内，必须有一个较大的技术进步，而这种技术进步必然的就落在了开发与研究新型的、智能型的、自适应的、低成本的、简单化的优质传感器网络之上。

以上所述就是当前国内外传感器与传感器网络目前的发展现状与技术上的缺陷与弊端，也是新的传感控制要求需要改变的现实。

目前在国内外传感器网络的发展技术潮流上，有三种主要的技术发展方向。

第一种是基于IEEE1451.X传感器网络标准的技术发展方向的，依靠无线网、光纤网、局域网络和INTERNET网络传输的传感器网络。

第二种是基于路由、多跳、自组织、自适应、自管理有线和无线传输方式的AD-HOC自由性大型传感器网络。

第三种基于TCP/IP的新型通用节点型传感器网络。

(一)目前IEEE1451.X的国内外相关技术现状：

IEEE1451.X传感器网络标准是智能传感器接口模块标准。它提供了将传感器和变送器连接到网络的接口标准，主要用以实现传感器的标准化、网络化。IEEE1451标准采用通用的A/D或D/A转换装置作为传感器的I/O接口，将各种传感器模拟量转换成标准规定格式的数据，连同一个小存储器——传感器电子数据表TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)，与标准规定的处理器目标模型——网络适配器NCAP(Network Capable Application Process)连接。如此，数据可以按网络规定的协议接入网络。

采用上述IEEE1451.X标准实现传感器网络化的同时，无线通信技术被引入原有传感器以实现无线化也是传感器当前的技术热点，是今后传感器发展的一个重要方向。IEEE1451.4、IEEE1451.5完善了这方面的技术规范，定义了一个完整的无线网络通信的传感器网络技术发展轮廓。也是今后智能传感器网络发展的主要方向。目前在国内外一些研究单位、大型传感器公司正在、或者已经在这方面投入了大量的人力、物力，遵循IEEE1451.X标准规范发展自定义传感器网络产品，一般研究水平均处在初期的开发阶段。

主要研究内容有：

1、热插拔传感器

2、变送器电子数据表单

3、最大的兼容、简单的使用传感器网络。

4、更加有效的系统设置和管理

5、更快的自动化系统设置；

6、改善的自诊断修理功能；

7、减少传感器修理和更换产生的故障时间；

8、改善传感器数据管理、记录和存储总量控制

9、标准数据的自动采用

以上这些研究内容是为了解决热插拔传感器更快的系统自动设置。没有这项技术，设置和组合一个测量系统就会要求对每个通道用于操作多种传感器测量参数。对于成百上千个传感器的应用来说，这既浪费时间也增加费用。数据的正确录入更是关键，因为数据录入错误或传感器连接到错误的输入通道都会导致不正确的测试数据。热拔插传感器消除了手动过程，而可以自动上载所需的信息进入测量系统并检查每个传感器是否正确连到通道上。

这对于大型传感器应用测试系统是非常明显的，热插拔传感器可应用在任意涉及到模拟传感器联到系统接口的地方操作。不论它是简单的数字仪表读出器还是具有自我配置和操作的智能传感器节点网，IEEE1451.X都能提供简单、低廉的技术，以简化传感器的连接和使用。

同时IEEE组织又针对无线传感网建立了传感器互联标准，具体的协议标准为IEEE802.15.4，这种标准致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的都较低的、低速率无线连接技术。802.15.4无线发射/接收机及网络被Motorola、Philips、Eaton、Invensys和Honeywell等公司极力推崇。同时，也吸引了其他标准化组织的注意。IEEE1451标准工作组已考虑在IEEE802.15.4标准基础上实现抗干扰的、实用的传感器网络(Sensor Networks)。

IEEE802.15.4传感器无线互联标准，可以低成本的用于大型传感器监测网络的建立，其具体的实现方式也涵盖了Ad-hoc无中心新型网络方式，以及网络互联接入点方式。

(二)基于路由、多跳、自组织、自适应、自管理无线传输方式的AD-HOC自由型大型传感器网络。目前的技术现状：

目前国内外其主要研究的方面有：

1、自组织的路由算法，和多跳的路由表发送与接收。

2、信道接入技术、节能技术、微型化技术、嵌入式微小型操作系统也是国内外主要研究的方向和内容。

3、国内外不少公司在研究方向也集中在传感器网络节点方向能量有效性，实时性，区域性，可扩展性，自适应性，容错性等方面。

自适应、自组织无线传感网以数据，应用为中心，其高密度大范围分布的网络节点大部分静止。并且，由于相邻节点或区域之间数据融合的存在，特别是能量的限制，使自适应、自组织无线传感网与传统网络有很大的不同。无线传感网的路由算法要求具有能量有效性、实时性、区域性、可扩展性、自适应性、容错性等特点。因此，国内外很多公司都集中在这个方向进行集中研究

常见的自适应无线传感网，依据节点在网络中与数据汇聚点的数据通信方式，可以分为三类：直接通信，平面型，聚类路由协议。直接通信路由协议是指节点直接与数据汇聚点通信，只适用于小型的网络，当节点数及区域半径增加时，能量消耗及相互间干扰都很大，网络寿命会很短；平面型路由协议中的节点都是平等的，因此是一种多跳协议，其网络汇聚点周围的节点由于数据通信量大，寿命很短，因而影响了整个网络的生存时间。而聚类路由协议具有易扩展，易管理，可以做到能量有效等优点。而在这个研究内容方面国外的很多公司包括霍尼威尔，罗斯蒙特都对此进行集中研究。

第三种是基于TCP/IP协议新型传感器网络。

(三)基于TCP/IP协议的通用节点型传感器网络。以Internet为代表的网络技术的出现以及它与其他高新科技的相互结合，不仅已开始将智能互联网产品带入现代生活，而且也为测量与传感器技术带来了前所未有的发展空间和机遇。以Internet为代表的计算机网络的迅速发展及相关技术的日益完善，突破了传统通信方式的时空限制和地域障碍，使更大范围内的通信变得十分容易，这就为传感测控网络的普遍建立和广泛应用铺平了道路。把TCP/IP协议作为一种嵌入式的应用，嵌入到现场传感器中，使信号的收、发都以TCP/IP方式进行，传感器充当着网络中独立结点的角色，信息可跨越网络传输至所及的任何领域，使实时、动态(包括远程)的在线测量成为可能。这样的测试系统既能节约大量现场布线、扩大系统所及的地域范围，同时也给系统的扩充和维护带来了极大的便利。

以上的传感器网络三大先进的主要发展技术潮流正方兴未艾的向前发展。

本发明项目传感器网络技术遵循上述三大传感器网络技术发展技术方向，在本人具有发明专利的“基于多协议嵌入式模块结构网络控制平台”技术基础之上，吸收和改进目前上述三大类传感器网络潮流中的先进技术模式，创新性的开发研制新一代智能传感器网络产品。

三、发明内容：

本发明要解决的技术问题：

如上所述目前传感器产品普遍存在着下述的弊端和缺陷：

1、传感器产品本身产生的是模拟电量信号，这种信号过变送器变换，在传输过程中经常受到各方面的干扰，而且传感的电量本身具有粗糙的度量指标，其精度和重复性都受到一定的限制，修正也比较困难。尽管很多的传感器技术工作者进行了大量的研究工作，也难以改变本身模拟量固有的，易受多重于扰的缺陷，为了弥补这些缺陷，对传感器本身和传感信号的传输电缆都进行了大量的技术保证工作，进行了各种防干扰的技术措施和各种精度措施，屏蔽措施，这样就使传感器的造价大幅度的提高，造成了今天各种变送器、转换器……的价格昂贵，使整个的控制系统成本加大。

2、在工业控制计算机系统、PLC可编程控制器系、单片机智能控制系统等当今普遍采用的控制装置内，采取集中机柜式、集中机箱式和控制盒式安装，传感器的安装则是分布在各数据采集点，执行器的安装也分布在各控制输出执行点，而这些集中控制柜、箱、盒与传感器、执行器的联系则是以各种控制信号电缆，传感器、变送器屏蔽电缆建立连接关系，这样的安装结构造成现场控制电缆的复杂，信息往返重复传输的增多，安装建设的成本增高，维修、检修处理不方便，总体的成本费用较高。

3、今天传统的传感器和一般的智能变送器，也不能适应今天高度发展的网络控制技术的要求，因为今天的工业控制与自动化控制，已经进入了网络化控制时代，远程遥测、遥视，远程控制、网络控制，这些新的控制要求提出了对传感器附带网络传输功能的需求，而当今控制系统的成本一般来说是比较高的，而为了降低这种比较高的控制成本，唯一的出路是缩减控制系统过多的配置部分加强传感器部分的智能处理与网络处理部分，使一个单独的传感器本身能够承担一个简单的控制系统的功能要求，这样就大大的降低了测量控制系统的基本成本，提高了传感器本身的性能价格比。

4、当今各种控制系统，由于控制资源的高度集中，使控制的危险性增大，一个小小的电路故障失效可能造成整个系统的瘫痪与崩溃，因而使系统可靠性、稳定性、安全性以及自由度降低。由于现场信息往返传输较多，容易受到各种现场工业干扰，也促使系统的可靠性降低，故障率增多，系统可用性减小。

以上这些弊端提高了工业控制测量、测控以及仪器、仪表等行业的基本成本，限制了传感器本身的更广泛的应用，不能满足国民经济在低层信息采集传输方面的低成本廉价要求和灵活性简单化要求，因此传感器网络领域内，必须有一个较大的技术进步，而这种技术进步必然的就落在了开发与研究新型的、智能型的、自适应的、低成本的、简单化的优质传感器网络之上。

以上所述就是当前国内外传感器与传感器网络目前的发展现状与技术上的缺陷与弊端，也是新的传感控制要求需要改变的现实。也是本发明要解决的技术问题。

基于以上要解决的技术问题，特提出本项发明要实现的目的和任务：

即在基于多种传送物理介质基础之上，并基于AD-HOC新型、自由型、大型新型的通信网技术之上，同时也基于IEEE1451.X传感器网络标准和IEEE802.15.4传感器无线互联标准。实现传感器网络新的运行方式、新的组网方式、新的结构方式、新的理论方式。

本项目发明创造的目的更具体的描述即：基于IEEE1451.X传感器网络标准之上，重点运用新兴的AD-HOC自由型自适应通信网络技术，并且结合基于TCP/IP协议的新型通用节点型传感器网络的多适用性特点，在一些领域采用基于GE-PON的单芯光纤复用技术，无线信道复用技术，站在传感器网络领域前沿，面向未来传感器网络领域主流发展技术，创造性提出本项目技术发明，完成与推动传感器网络产品朝着多功能化、自适应化、灵巧化与廉价化方向发展，使传感器网络更加普及的运用在各行、各业的信息化过程之中，实现传感器网络代替相当一部分计算机网络的任务。

并且以SOC片上系统芯片为核心结构的传感网络应用节点模块、传感网络资源与配置节点模块、传感网络存贮节点模块、传感网络资源配置节点模块、传感网络通信节点管理模块……基础之上，遵循IEEE1451.X与IEEE802.15.4等标准，运用AD-HOC自适应网络技术，实现这些传感网络节点模块内基本结构单元。这也就是一个“微小型传感平台”系统，在这个微小的传感器与执行一体的“控制传感网络”内，可以做到传感控制资源共享、软件共享、存贮共享、传感网络资源共享、控制数据共享，并且计算节点处理单元协同进行计算处理，从而极大的提高了传感控制资源利用率，提高传感控制的可靠性、安全性和传感控制的鲁棒性，从而使传感控制系统有更好的优良综合性能，形成下一代传感控制系统先进的“微结构控制传感网络一体化”计算模式。

为了实现上述本发明的目的和任务，提出了下列技术方案：

即提出了一种“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”技术。

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其技术内容包括：在这个传感体系结构中，有以SOC片上系统芯片为核心结构的传感网络应用节点模块、传感网络资源与配置节点模块、传感网络存贮节点模块、传感器数据融合模块、传感器数据安全管理模块、传感网络资源配置节点模块、传感网络路由通信节点管理模块……等，这些传感网络节点模块内都固化有自己的软件激活程序、驱动引擎。

其技术内容还包括：改进的动态数据表单注入技术；传感器资源管理模块节点；控制信道与数据信道分离双信道技术；根据由状况的能耗控制方式；传感器网络双模式连结运行方式；改进的传感器网络和系统结构；传感器网络GPRS-GSM-CDMA-3G基站延伸技术：传感器网络系统运行方式和管理模式；传感器网络动态聚类体系管理；传感器网络数据融合管理；

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其特征在于：

传感网络资源与配置节点模块。

这个模块是一个完整的独立的网络处理计算机系统，它有自己的完整的硬件系统，也有完整的软件执行程序，自己的网络连接与通信结构，以及相应的网络通信程序模块软件系统，是一个完整的网络系统处理重要节点，它起到的作用是一个管理、控制、配置中心作用，它不仅具有对所有其它传感网络节点模块进行管理和资源配置的可在线编程的功能，而且还有自己的必要的网络数据存贮载体，容量较大的组件、构件资源库(即事先加载注入的应用程序功能构件、组件、程序模块)及其存贮载体，而且它还有自己本身运行程序的程序指针计数器，以及传感网络管理运行流程指针，同时还具有它所管理的所有硬件传感节点资源、传感网络资源的地址栈、(ID的、IP的、物理的、逻辑的)通过流程处理、中断处理，消息响应，就能选择这些地址栈内所需地址的空间进行访问，就能对传感网络所有的逻辑的、物理的地址进行网络访问，控制、配置，体现“以网络为中心”的管理方式，起到管理本嵌入传感网络系统控制的作用。

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其特征在于：

改进的动态数据表单注入技术：

动态数据表单注入：IEEE1451.X传感器网络标准数据是该技术标准的关键所在，该技术标准的内容为在每一个传感器的内部和外部附加上一个数据存储器，把传感器本身的名称、性质、测量范围、精度、重复性指标、环境参数、生产产家、型号标准、生产序列号……等数据存储在一个数据结构形式之中，这个数据结构就是传感器数据表单(TEDS)，不仅如此，更高级的数据表单还可以把传感器应用的测量函数、调整和校准数据和其它相关的量测数据，注入其中，使系统的每一个传感器节点都能够方便的安装、设置达到即插即用，但是这些数据在目前的基于网络的一般的传感器中是一种固定的一次性写入数据，是只读性质的数据，不能现场在线修改，或者充实，因此这就限制了一个传感器网络节点本身的应用范围，本项目传感器网络创新性的在硬件和软件上进行了改进，能够实现在现场运行过程中实现改变传感节点本身在的性质、测量范围、精度……等性能指标，实现传感器节点本身远程的调整设置，实现传感器节点的重复性运用、灵活性运用。

目前在传感器网络领域内，基本上都采用单一静态表单技术，这样传感器网络的灵活性和自适应性比较差。

而目前国内传感器生产厂家大都没有采用1451.X系列传感器网络标准，基本上沿用传统的模拟传感方式生产一般的传感器产品。

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其特征在于：

控制信道与数据信道分离双信道技术，其技术特征：

改进的控制信道与数据信道分离双信道接入技术：在无线和光纤通讯技术中，信道的复用是比较关键的和重要的技术，本传感器网络信息的传送在无线信道上和有线信道上都要依赖信道复用技术。才得已实现。但在本传感器网络中信息传送数据信道和控制信道如果处在同一时隙中传送，有可能造成错误信息，为了解决这个技术上的难题，有必要在控制策略中对控制信息和数据信息进行的传送重新设计，包括硬件的、软件的，这样使控制信息在一定新的分配的时隙中传送，数据信息在另外一定的时隙中传送，达到信道分离的目的，从而使信息传输的可靠性达到较大的提高，使传感器网络的适用性得到较大的提升。

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其特征在于：

传感器网络数据融合：

如果节点能够归类和融合数据，将减少头开销和通信消耗，通过数据融合、归类减少头开销，这样也能减少通信消耗，节约能量，在有效的供电条件下，传感节点的单位时间能量消耗很小，因而较大的提高了生存的能力。

多传感器数据融合系统中各种传感器的数据可以具有不同的特征，可能是实时的或非实时的、瞬变的或非瞬变的、模糊的或确定的、相互支持和互补的或相互矛盾和竞争的。它与单传感器数据处理或低层次的多传感器数据处理方式相比，后者只是对人脑信息处理的一种低水平模仿，它们不能像多传感器数据融合系统那样可以更大程度地获得被测目标和环境的更深层次的特征信息。多传感器数据融合所处理的多传感器数据融合信息，可以更准确地获得被测目标和环境的信息。多传感器数据融合所处理的多传感器信息具有更复杂的形式，而且可以在不同的信息层次上出现，这些信息层次包括数据层、特征层和决策层。

数据层融合可以直接融合传感器的数据，但是要求这些数据是匹配的，即要求这些传感器是同质的，也即观测得是同一物理量，比如说两个视觉传感器或两个声学传感器。相反，如果这些数据是不匹配的，则不能在数据层进行融合，只能将它们在特征层或决策层进行融合。用于数据层融合的方法有经典的推测和估计理论。数据层融合不存在数据丢失的问题，得到的结果也是最准确的，但对系统通信带宽的要求很高。

特征层数据融合就是多源传感器数据中提取有代表性特征，形成单一的行征向量，然后用模式识别的方法进行处理，最简单的特征层融合的例子就是用脸部特征去描述一个人，漫画就是利用这项技术的原理完成的。用于特征层数据融合的方法有神经网络、聚类算法或者模板法。这种方法对通信带宽的要求较低，但由于数据的丢失使其准确性有所下降。

决策层融合是在每个传感器对对象的位置、属性、身份等作出初步的识别后，再对这些多个识别结果进行融合。用于决策层融合的方法有选举技术、经典推理法、Batesian推理、D-S证据理论。由于对传感器的数据进行了浓缩，这种方法产生的结果相对而言最不准确，但它对通信带宽的要求最低。

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其特征在于：

传感器网络动态聚类体系管理：

通过动态的调整类首，来延长网络生存时间，通过动态的聚类、动态的调整类首，使数据的传输、数据的路由通道更加合理，使传感器节点的能量消耗更少、有效的传输通电时间更少，从而做到传感节点的生命存在周期。

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其特征在于：

传感器网络GPRS-GSM-CDMA-3G基站延伸技术：

GPRS-GSM-CMA-3G基站延伸技术：GPRS-GSM-CMA-3G基站是广泛分布的或即将分布的通讯网络，其分布范围、覆盖范围比较广泛，遍布城乡，因而可以在任何地方、任何地点进行语音和数据通讯，但是尽管如此，也存在着不少的盲区。而本传感器网络对用户来说是分布在所有的可能的地区空间，因而不可避免的要遇到盲区，因此本传感器网络产品根据模块化、组件化特点随时可对GPRS-GSM-CMA-3G基站进行延伸，达到传感器网络的信息传输无处不到，以及无处不在。而在目前传感器网络的国内外其它公司试验性应用方面，还未采用这种基站延伸技术，因而本技术的创新，将使传感器网络将来的使用范围、应用范围、应用空间，应用的覆盖范围和空间都得到了充分的应用扩展。

虽然GSM-GPRS-CMDA-3G基站进行延伸，其它的技术领域也有所运用，但是在传感器网络中，目前还很少见，也很少看到报道。

所述“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其特征在于：

传感器网络双模式连结运行方式：

AD-HOC方式是一种网络自由性大型网络方式，无中心控制，路由连续，这种方式能够在没有基站情况下能够很好的应用，免去和节约了设立基站的费用，网络灵活配置自由，可以运用到很多没有电源而不能广泛使用基站的地区，即使在有电源的地区，也可以节约设立基站的费用。

另一个是接入方式，这种方式能够使传感器网络节点互相访问，同时每一个传感器节点又可以作为其它新的传感器网络节点的接入站，相当于一个基站功能，这样使传感器网络得到无限的延伸，也可以使传感器网络分层次的设置，这样更便于控制和管理以及信息的收集和汇聚。

通过本发明提供的技术方案，本发明具有如下积极效果：

四、本发明创造与现有的传感器产品、数字化传感器产品、网络化传感器产品等现有模拟/数字传感器产品在技术方面的比较

本项发明项目技术与现有的传感器技术的比较：

1、本项目传感器网络产品由于采用了SOC单芯片系统技术、嵌入式软件微构件、微组件技术、而现有的传感器产品和传感器技术是基于模拟电路和模拟量，而没有嵌入式软件智能处理，是以电路和芯片为基础的，因此其产品性价受到一定的制约。

2、本发明又充实了和延伸了GSM-GPRS-CDMA和下一代3G等电信网的功能，使本传感器网络更扩大了应用范围，无需要在计算机网络下面传输，而通过当今最简洁，应用最广泛的电信网(有线的、无线的)传输，从而极大的拓展本传感器网络产品的适用范围，从而带来更大的市场需求。

而目前国内外厂商，科研院所在传感器网络产品的研制开发方面，在已研制成功，并投入有限市场的传感器网络产品来看，大多都只是在局域以太网和TCP/IP等现成的网络为基础，组建传感器网络，然而这种组建方式的缺陷与不足是显而易见的，因为目前广泛运用和构建的以太网为基础的局域网、城域网和因特网其网络覆盖虽然很大，但是大多数仅限于以PC个人计算机为硬件的平台范围，而传感器信息是广泛分布于各种物理领域的各式各样的空间，和工业、农业、社会、环境的各个角落，不可能在所有的每个地方都放置个人计算机，因此就限制了传感器网络的应用，本项目传感器网络产品由于完全脱离个人计算机配置，这样就可适应很多的不同的地方和层次需要，同时本项目又充实了和延伸了GSM-GPRS-CDMA和下一代3G等电信网的功能，使本传感器网络更扩大了应用范围，无需要在计算机网络下面传输，而通过当今最简洁，应用最广泛的电信网(有线的、无线的)传输，从而极大的拓展本传感器网络产品的适用范围，从而带来更大的市场需求，为本项目的市场拓展奠定了坚实的基础。

3、本项目遵循IEEE1451.X标准的重要技术规范，在电子表单基础上，提出了传感器网络的微结构、精组型传感器网络嵌入式操作系统的技术思想和技术实践，这是不同于一般嵌入式系统的嵌入式网络操作系统，它是基于微组件结构、微组件动态组构思想和微组件灵活加载方式，因此在这些创新技术手段和创新改进的基础上，本传感器网络产品的技术性能和产品功能、应用效果都比目前其它网络产品更具有特色。

而当前传感器产品与传感器网络产品大多数还为遵循IEEE1451.X标准的重要技术规范，并且更没有传感器网络的微结构、精组型传感器网络嵌入式操作系统的技术思想和技术实践。

4、本项目采用了路由状况能耗控制方式，使传感器节点在独立使用空间的生存周期大幅度提高，并且在节点内设计了能量收集器，在白天收集一些可利用的物理能量，这样更大幅度的扩张了传感器网络中的节点的生存能力，为用户节省大量的维护更换保养的人力、物力和时间，提高应用效率，节约用户的成本，提升了用户的满意度。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种路由状况能耗控制方式。

5、在本传感器网络技术硬件网络中运用了最近最新出现的LIN协议低成本、高效益方式。

LIN协议是新出现的一种新型低成本串行通信总线，其全称是Local InterconnectNetwork，即局部互联网络。它最开始出现于汽车行业，是为解决汽车智有化网络化的发展要求和降低汽车制造成本的矛盾而提出来的一种串行总线协议，主要用于车门、车灯等需要简单控制但又要求智能控制的场合。它的主要特点是：采用单个主控制器/多从设施通信模式；基于普通UART/SCI接口硬件实现，协议简单；网络传输速率不高，最高可达20kb/s。由于LIN协议的突出特点是协议对硬件的依敕程度低，可以基于普通单片机的通用串口等硬件资源以软件方式实现，成本低廉，因此可广泛应用在传感器网络领域。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种路由状况能耗控制方式。

6、本发明技术采用了基于神经网络预测器的传感器数据证实技术。首先利用神经网络对传感器输出的时间序列建立预测模型，然后利用该模型预测出传感器输出值，并用该值与传感器实际输出值之差判断传感器实际输出的可靠性和有效性，进而减小传感器“软故障”和不同环境噪声对传感器输出数据的影响。同时，为了实现在线应用，采用了遗传算法对神经网络的优化技术。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种路由状况能耗控制方式。

7、数据融合。如果节点能够归类和融合数据，将减少头开销和通信消耗。

数据融合技术是近年来发展起来的一门新兴技术，已广泛应用于军事和非军事等领域。

近年来，无论经在军事领域还是在非军事领域，多传感器数据融合技术都获得了广泛的关注，正在应用于越来越多的领域中。数据融合就是将来自多个传感器或多源的信息在一定准则下加以自动分析、综合以完成所需的决策和估计任务而进行的信息处理过程。数据融合是人类或其他生物系统中普遍存在的一种基本功能。人类通过应用这一能力来把自人体各个传感器(眼、耳、鼻、四肢)的信息(外物、声音、气味、触觉)组合起来并采用先验知识去统计，理解周围环境和正在发生的事件。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种路由状况能耗控制方式。

8、本发明技术采用了多种路由协议，并且是分层的路由协议、SPIN协议、DD协议、LEACH协议、平面型协议采用泛洪的方法进行数据传播，简单地说就是每个节点广播其所收到的数据包，这就带来了网络资源的极大浪费。SPIN协议的特点是通过数据协商，克服泛洪方法的缺点。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种分层的路由协议。

9、采用了传感器网络的安全技术

本项目采用了传感器安全技术，这是传感器网络的一个重要问题。由于采用的是传输信道，传感器网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等安全问题。同时，传感器网络的两个特点使安全问题的解决更为复杂化了，这两个特点是数据在网络中的整合和节点的有限能量和有限处理、存储能力。

采取了传感器网络保密协议(Secure Network Encryption Protocol，WNEP)对节点设立不同安全等级并在通信节点间采用数据鉴权、加密技术等，防止了数据被截获后造成的信息泄露。

本项目发明专利技术采用了上述若干的先进技术，能够达到一个比较大型的传感器网络的实现应用。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种传感器网络保密协议。

9、本项目传感器网络技术考虑到传感器网络本身是ISO网络七层协议规范标准在传感器领域里面的应用，因此必须考虑到在网络所有层次上的所遇到的各种问题，不仅是上层的应用层，而且还应该关注底层的网络层、链路层、物理层，在这些各种层次上以综合设计和应用方面要统一的考虑各种优点和弊端，综合有利因素和不利因素，权衡优点和缺点进行综合的、优化的平衡设计。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种考虑到在网络所有层次上的问题。

10、动态的聚类体系。通过动态的调整类首，来延长网络生存时间。

在传感器AD-HOC自由型网络中，由于自适应的机制，各类簇成员会动态的聚合与分散，相应的各个簇头也应该相应的改变，因此为了适应这种动态的改变状态状况，必须随时随地调整类首来达到相应的传感器网络簇头改变。

而当前传感器产品与传感器网络产品完全还没有这种动态的聚类体系。通过动态的调整类首，来延长网络生存时间的技术方法。

11、本传感器网络产品增加了能量再生与运行过程中的节能。

目前在国内外传感器网络领域内，还没有采用这种技术。

五、附图说明

图1是根据本发明的“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”的结构示意图；

图2是根据本发明的一种传感网络应用节点模块的结构示意图；

图3是根据本发明的另一种传感网络应用节点模块的结构示意图：

图4是根据本发明传感网络应用节点模块和资源与配置节点模块技术要求设计的一种SOC系统芯片内部结构示意图。

六、具体实施方式：

下面结合本发明的系统结构和工作原理，并结合具体实施例描述具体实施方式。

(一)本发明项目技术实现方案

1、系统结构

本项目基于多种物理传输介质网络通信的传感器网络技术遵循上述三大传感器网络技术发展技术方向，在本人具有发明专利的“基于多协议嵌入式模块结构网络控制平台”技术基础之上，吸收和改进目前上述三大类传感器网络潮流的先进技术模式，同时也吸收当今处于前沿的先进实用技术，创新性的开发研制具有新一代智能传感器网络产品。

本项目发明是基于IEEE1451.X传感器网络标准之上，重点运用新兴的AD-HOC自由型自适应通信网络技术，并且结合基于TCP/IP协议的新型通用节点型传感器网络的多适用性特点，在一些领域采用基于GE-PON的单芯光纤复用技术，无线信道复用技术，站在传感器网络领域前沿，面向未来传感器网络领域主流发展技术，创造性提出本项目技术发明，完成与推动传感器网络产品朝着多功能化、自适应化、灵巧化与廉价化方向发展，使传感器网络更加普及的运用在各行、各业的信息化过程之中，实现传感器网络代替相当一部分计算机网络的任务。

设计思想是依据发明专利“基于多协议通讯嵌入式模块结构网络控制平台”的核心内容和技术；这个思想依据的具体实现为：在这个传感体系结构中，有以SOC片上系统芯片为核心结构的传感网络应用节点模块、传感网络资源与配置节点模块、传感网络存贮节点模块、传感器数据融合模块、传感器数据安全管理模块、传感网络资源配置节点模块、传感网络路由通信节点管理模块……等，这些传感网络节点模块内都固化有自己的软件激活程序、驱动引擎，以上作为传感网络运行的基本结构单元。这也就是一个“微小型传感平台”，在这个微小的传感与执行一体的“控制传感网络”内，可以做到传感控制资源共享、软件共享、存贮共享、传感网络资源共享、控制数据共享，并且计算节点处理单元协同进行计算处理，从而极大的提高了传感控制资源利用率，提高传感控制的可靠性、安全性和传感控制的鲁棒性，从而使传感控制系统有更好的优良综合性能，形成下一代传感控制系统先进的“微结构传感与控制网络一体化”计算模式。

本项目发明技术中使用了一些成熟性技术：采用了多种协议通信技术、UWB超宽带、以太网、TCP/IP协议栈、IEEE802.11b、IEEE802.11G、802.11a、……802.15、GSM-CDMA-GPRS-WINMAX等都是比较可靠成熟的技术，并且是国际上广泛认可的可靠的成熟关键技术网络协议栈，其成熟性和可靠性也是不须置疑的。

已攻克的关键性技术是本人发明专利技术：基于多协议嵌入式模块结构网络控制平台的独到的资源管理模块技术；以及创新的传感器网络和系统结构技术。

本项目发明技术实施过程中解决的比较关键的技术是动态的聚类技术。通过动态的调整类首，来延长网络生存时间。数据融合技术。如果节点能够归类和融合数据，将减少头开销和通信消耗。控制信道与数据信道分离双信道接入技术，还有根据路由状况的动态节能技术，尽量减少路由通道的长度，同时采用能量再生与能量节约技术，这样将使本传感网络的通信可靠性传输可靠性得到很大提高。

由于本项目发明技术产品相当部分是基于SOC片载系统，其硬件可靠性和成熟性是可信赖的，是比一般的非SOC芯片系统具有更高的可靠性更好的成熟性。

本项目发明技术吸收了改进了AD-HOC新型无线网自适应、自组织网络技术。

本项目发明技术遵循了IEEE1451.X技术规范，也遵循IEEE802.15.4技术规范。

以上是本发明专利技术具体实施的关键技术和实现依据。

2、工作原理

本项目发明的技术原理：本项目所依据的技术原理是基于具有发明专利技术的“多协议嵌入式模块网络控制系统平台”系统结构和软件体系。其技术原理如下：即在一个具体传感网络环境下，以具有较强网络通信功能的SOC片上系统芯片为核心器件，辅助配置外围器件，以此形成传感器网络节点处理模块，作为传感器网络基本节点单元，并以多种物理学介质连接和多协议通讯软件逻辑连接为纽带，建立以传感网络节点间共享网络资源、网络协作处理为中心，网络节点模块本地化应用程序处理为基础，嵌入式传感器网络操作系统内核和多协议网络通信软件为运行平台，形成一个结构简单，应用透明，标准开放，价格低廉，本地处理，网络连接，资源共享，协同计算，设备内嵌，传感控制执行一体的结构化传感器网络系列产品。

流程原理：这个微传感网络其运行管理工作原理是在系统上电后，资源与配置节点模块的传感网络流程计数指针，指向传感网络流程存贮空间的网络初始化地址，这时资源与配置节点模块执行对传感网络系统初始化，同时各网络节点也开始自身的初始化。接着资源管理配置节点取得“网络系统控制权”，接着它执行一系列预先按应用需求、控制需求、功能需求设置配置的流程，对各传感应用节点模块加载共享资源程序组件、构件，按照“参数简约描述传送”方式设置控制参数、配置网络资源(主要是软件的、系统的)，这一设置参数和配置的过程结束后，网络资源配置节点模块释放对网络系统的控制权，对各应用节点模块发出工作信号，此时，各传感应用节点模块各自进入本地化的固有功能程序和资源模块现场配置的共享资源程序组件运行处理中，各传感应用节点模块各自独立执行处理运行本地固有的应用功能程序，运行配置的程序资源组件、构件以及运行资源配置节点模块刚才设定的网络信息交换、参数交换程序进程，整个传感网络控制系统进入设定的正常确定的分工合作协同控制计算运行状态。这时资源配置模块仍然管理着各种传感网络进程，应答各种网络请求，执行网络请求，监视着各传感应用模块和节点运行状态，程序资源状态，它的程序加载引擎，程序卸在引擎，根据各传感应用节点发出的网络地址映射请求，引导资源库的组件化、构件化模块软件资源在控制传感网络中流动和移动，合理调配、组织，对中间数据和最终结果数据进行管理、融合，但这一切管理流程的执行，不是在取得“传感网络系统控制权”的状态下，而是在网络节点之间对等互联状态下随机进行的实时管理信息交换。它只对上述的实时网络信息交换进行管理组织，资源和配置节点模块并不干预应用节点模块内部程序的执行，而各个传感应用节点模块处理，还是独立的执行着它本身的本地的应用程序的数据采集输入输出与执行，独立的进行着它本身的特定的应用功能控制，只不过这些应用节点在程序运行到需要与其它节点交换信息的时候，或需要共享传感网络资源的时候，或者需要和外都另一“微传感网络”进行通信联络，(通过网间通讯节点模块进行)进行控制与协同时，以及需要从资源数据库加载需要的软件资源应用程序，数据模块、函数运算组件、构件、程序段时，通过“传感网络地址映射”机制(从本地处理内存地址寻址)，才启动本身的网络通讯进程与外界进行信息的交换，共享网络资源。

具体实施例：

1、汽车轮胎压力监测系统主要用于汽车行驶时对轮胎气压进行实时自动监测，对轮胎漏气和低气压进行报警，以保障行车安全。是利用安装在每一个轮胎里的压力传感器来直接测量轮胎气压的，并对各轮胎气压进行显示及监视。当轮胎气压太低或有渗漏时，系统会自动报警。就系统构造而言，其采集的温度压力数量需要通过一种无线方式进行发送和接收，而且该收发电路要安装在轮胎里。

本传感器网络运用于汽车压力监测，可以作为一个独立的网络监测系统使用，代替传统单片机系统和CAN总线控制系统的作用，而且比较简洁、方便、可靠，减少传输线缆，提高监测可靠性和方便性，以及安装的简单，而且提高了整个传感控制系统的运行水平，因为传感器网络监测实现了传感与处理执行一体化，并且减少了很多的数据信息量的传输，避免了传输过程中的其它干扰，(因为在汽车的工作环境内存在有大量的、极强的电磁脉冲，非常容易破坏整个控制系统的工作，造成系统工作的不可靠，造成汽车运行中的危险)

本项目与传感器网络系统主要由安装在汽车轮胎里的压力节点模块，温度节点模块，信号处理单元模块、这些模块都是带有RF发射器的节点模块，安装在汽车驾驶台上的有路由与资源管理模块以及显示节点模块，以上模块组成了一个简单的、高效的传感控制执行一体的传感器网络系统。

2、无人机飞行控制系统

在无人机的飞行过程中，为了实现一定的飞行任务，要对其飞行姿态进行控制，引导，飞机按照一定的航线准确飞行。为了进行姿态控制，就需要获得飞行姿态的实时参数信息以及遥控遥测参数。有了这些信息参数，经过计算机的控制算法计算，实时输出控制粮到执行机构，从而实现控制/导航目的。

目前在无人机飞行控制系统中，垂直陀螺、三轴角速率陀螺输出的是模拟信号，因此飞控计算机必须具有多路模拟信号的高精度采集能力。而磁航向传感器、高度传感器以及与GPS和遥控遥测的等外围单元的数据交换则采用了RS-485、RS-232通讯协议，因此飞控计算机要具有多串口的通行能力。同时系统要求一系列的电平输出/输入接口、航机接收的是频率信号，因此飞控计算机必须将控制参数以频率量的格式输出。以上都是在硬件设计中必须考虑的内容。

从上述无人机飞行控制系统的结构与方式、运行与数据传输、传感器连接、传感器运行方式来看，已经不适应当前信息技术战争所要求的更高、更快、更灵敏的反应，其中之一最显明的缺陷就是采用了在数据传输方式上仍然采用数据速率非常低的RS-485、RS-232通讯协议，这些通讯协议本身的串口能力是非常有限的，而且也容易受到一定程度的干扰。同时目前无人机飞行控制系统这种控制结构与运行方式仍然是采用模拟量的传送，所以在复杂的空域与战争环境中，飞行控制系统比较容易受到对方强烈的电子干扰手段进行破坏，因此有必要对目前无人机飞行控制系统进行一些必要的结构与方式的改造。比如采用本发明技术传感器网络模块方式进行构造，同时采取本发明技术本身的较可靠的运行方式安全的可靠的运行，能够使无人机飞行控制系统整体的抗干扰能力、数据传输能力、反应能力……都得到较大的提升与改进，从而使无人机飞行控制系统技术指标更能适应现代战争、信息战争、电子战争新的更高更强的要求

在设施农业中的应用：设施农业用传感器的品种较多，按其检测参数分数，主要有以下几种：

(1)温度和湿度：作物的生长和温度和湿度有密切关系，塑料大棚的控制参数中，温度和湿度检测、控制是主要参数之一。

(2)土壤干燥度：作物生长需要水份，在设施农业中如何灌水，做到既不影响作物生长又不浪费水资源是至关重要的问题。土壤干燥度的检测，需要用干燥度传感器。目前较广泛采用的干燥度传感器是由负压传感器与陶瓷过滤管组成的。

(3)C02：农作物生长发育离不开光合作用，而光合作用又与C02有关，所以控制C02的浓度，有利于作物的生长发育。

(4)光照度：设施农业中，采用栽培管理自动化系统其光源完全为人工光，而不用太阳光，采用光传感器来检测和控制光照强度，使作物可以得到均匀一致的光照。

(5)土壤养分：土壤养分依赖于施肥，合理施肥不仅可以提高作物产量，而且可以避免过施肥而造成不必要的损失。土壤养分的测定包括土壤有机质、pH值、氮、磷、钾以及交换性钙和镁的检测。土壤养分测定，广泛采用离子、生物传感器。

由于设施农业用传感器是在系统中发挥作用，因此传感器的性能必须符合以下要求：

(1)长期稳定性好  农业设施用传感器的使用环境比工业更恶劣，如高温、高湿。因此传感器长期稳定性要更高，需要解决涉及传感器稳定性的关键技术包括材料、工艺等。

(2)能适应系统要求  设施农业的实质是实现人为调节和控制作物生长环境条件，是通过一个闭环系统来实现的。因此传感器的性能都应该与控制系统相适应。尤其是传感器的长距离布点、传感器灵敏度的一致性、传感器的响应时间等，这样才能使系统真正做到快速反应和调控环境的高效工作。

(3)优良的性能价格比由于用量较大，因此必须要求其价格较低廉，否则难以推广。

由于我国农业现代化水平较低，设施农业刚起步，因此为了设施农业的发展，必须从传感器生产过程中挖潜，尽量降低成本，以满足性价比要求。

工厂高效农业工程已列入国家重点工程项目，并已启动实施。21世纪必将全面推广，这既能促进我国农业水平的提高，又能促进传感器与传感器网络产业化自身的发展。

本项目发明专利技术传感器网络试用在上述的农业大田作物环境气象监测与工厂高效农业环境监测中，能够使用本传感器网络的优秀特点。运用本传感器网络多种特殊的、通用的以及特制的传感器网络节点单元，实现大面积的农业大田环境监测，同时也是低成本的农业大田环境监测，适应设施农业和农业大田监测对传感器网络的上述技术要求和技术指标。本传感器网络技术在使用过程中只需在适当的地点安装传感器网络相应节点单元，利用上述的所述的AD-HOC自由型无中心自组织自适应自管理自维护的传感器网络功能与特点，简便而可靠的把农业大田实时的环境参数信息提供给远距离的农业生产工作者，及时掌握大田的各种农业参数信息，应对各种有害的灾害性状态采取相应措施，防灾、减灾。

本发明专利技术，由于其发明的目标为任务之一，就是为了更大范围的普及和运用低成本的、高效的、可靠的、简洁的传感器网络，使之得到广泛的使用，使用的前提条件就是价格低廉，运用简单，效果良好，因此基于上述传感器网络发明技术的传感器网络产品，比较容易的在设施农业中得到较大范围的推广，为我国农业的现代化提供低成本的、高效的传感器技术手段，提高农业的单产水平与现代化人工控制水平。摆脱农业被动的受到大自然影响的落后局面，使农业的实用技术水平、自动监测水平达到一个新的高度，为解决农业的进一步增产的问题提供了良好的手段。

本项目传感器网络产品已经在高速造纸机生产线试用，获得试验用户的好评(有用户报告)。

本项目也在油田分布式钻采设备上，进行传感器网络现场数据网络试用，也取得试验用户的好评(有用户报告)。

1、本传感器网络系统组成结构原理图说明：

如图1所示：本嵌入式本传感器网络平台，是在一个具体的传感网络环境下，以传感网络节点处理模块为基本单元，以物理层有形传输介质(铜线、光纤)无形传输介质(射频、红外、微波)等通信介质连接起来，并且在此之上建立MAC id链路层及相应的链路层ID传输控制，进行该层的帧通信，以及网络层数据包之交换。而在此之上，以路由资源管理与传感通信节点模块的汇聚、交换、路由功能，建立微控制网络(网络)之间网络远程通信包传送、包交换，进而在包发送、网络层通信基础之上建立稳固的面向连接与无连接，包发送、包交换、包路由，建立稳固的传感器网络链路层通信链路。

图1所示的多协议模块结构传感器网络平台，是在一个基本的自由竞争型网段冲突域中，节点的个数适当，因此节点的通信碰撞率较小，几乎忽略不计；另一方面由于改进了通信的信帧结构的简洁小巧，故通信流量也较小，所以在传感网段内通信净空间与净时间都非常充裕，不可能出现网络承载超负荷情况，因此经本传感器网络平台在这种节点较少的竞争型帧冲突域中，不需要对介质访问控制算法进行特殊的设计和改进，对介质访问控制子层(LLC层)算法只需要考虑不同传输介质的特性影响，只需简单考虑介质访问的时间槽限制，使通信效率更高，从而较好的提高了本传感器网络平台的效益，做到了基本链路MAC层的简洁、高效、可靠。

在图1中，需要说明的是路由与资源管理通信节点模块，它是一个简易、简化的能在一定网络范围内作用的，它在本传感器网络内，其用途是本传感器网络在远程通讯、交换、路由方面的作用，它起着本传感器网络“微控制网络”与网外其它网络之间的联系与信息交换，网外控制连接，控制信息交换，INTERNET访问，远程控制访问，远程数据交换等网络信息路由交换作用，使本传感器网络平台能够平滑扩展，积木式叠加，形成一个整体的、大型的、协同计算、共享资源的嵌入式传感与执行网络一体化系统，从而对较复杂的、大型的测控任务也能胜任。它也是一个本传感器网络平台的关键重要节点，是一个网络控制信息汇聚处理，分发的通信中心节点。从而对本传感网络内的资源进行管理与配置。

在图1中所示的传感器网络存贮节点单元，是在本传感网络内，对传感器各节点单元采集的数据进行保管、整理、存贮、分发，起着一个在本传感器网络内一个简单的、小型的传感器信息数据仓库的作用，同时本存贮节能点单元可以在较大范围内进行扩充、替换，从而使本传感器网络模块结构的特征得到进一步的体现，达到本传感器网络与网络节点进一步的开发升级换代，从而使本传感器网络简洁、自由扩充、简单管理、运行可靠、平滑配置与升级，使传感器运用、使用更加简单、更加可靠、更加高效、更加价廉，能够广泛普及与应用。

在图1中传感器网络安全节点单元，是起着在传感器内进行安全监测、信息校验、信息对比、信息判断、信息过滤、信息分类、信息整理等关键保障作用。因为是本传感器网络内，在运行过程中可能产生不少的错误信息，包括人为的、自然的、偶然的、隐患性的各种信息破坏，产生不正确的信息误报，从而造成各种各样的巨大损失，因此必须在本传感器网络内设置本安全管理节点，从而可保证本传感器网络安全可靠的运行。

如图1所示，传感器融合数据节点，是一个在本传感器网络内，数据综合与数据逻辑智能判断以及数据发送判断的一个新型特征传感器网络节点，在这个节点内有专用的数据处理DSP，判断控制CPU，通讯控制专用CPU以及大容量的数据处理存贮器。

如图1所示，具有IEEE802.15.4协议标准传感器网络单元节点，这是一个在本传感器网络内IEEE802.15.4传感器网络互联功能的传感器网络节点，可以在本传感器网络内，实现特殊的其它应用，它可以把具有相同IEEE802.15.4协议标准一组标准的传感器，组成特殊小型的传感器网络，进行专用的传感器网络应用。

如图1所示，具有IEEE802.16通信协议标准的传感器网络单元节点，这是一个新型的应用了INTEL最新推出的WINMAX网络技术实现，大范围、大面积传感数据采集效果的传感器网络节点单元，运用这种单元可以实现成千上万个无线传感器节点单元，在大范围、大面积的传感器网络数据采集功能。

如图1所示，关于UHF与RF射频传感器网络单元节点，它们都是基于无线的小范围内的自由型的，在ISO七层协议的网络层面上和应用层层面上使用AD-HOC网络技术实现传感器节点单元功能的特殊节点。

2、传感器网络通用节点处理模块内部结构原理说明

如图2所示：本节点处理模块采用高集成度的SOC系统芯片作为核心，运行小型传感器网络操作系统内核软件，外围设置本地处理、通信协议栈FLASH扩展存贮空间、配置与参数扩展FLASH存贮空间、动态资源下载扩展FLASH存贮空间、程序运行扩展RAM运行空间，以上组成本地传感器网络应用程序处理结构，执行本地处理的各基本功能。

该模块设置有外部传感器输入变换接口，控制输出执行接口，以及传感网络通讯接口(可对本“微控制网络”内的传感器网络节点模块之间进行通讯，同时也可对本“微控制网络”以外的其他传感网络节点模块进行远程访问和通讯，这些远程访问和通讯是通过传感网络路由通讯与资源管理节点模块进行。)这是一个典型的集成了本体传感器应用的节点模块(即传感器本体和模块本体在一个模块节点上，传感器本体和处理模块一体化放置)。

如图2所示，本传感器网络节点模块内部嵌入可置换的“本体传感器”单元，该单元配置有IEEE1451.X传感器电子表单以及传感器参数。

它是本模块内的一个核心单元，内部附属有A/D转换、D/A转换，信息处理等电路。

如图2所示：本节点也设置了自身的独立的电源管理变换模块，作为内部电源电压变换，同时设置了网络通讯接口冗于备份(即设计了两个互为备份的网络通讯接口)

3、传感器网络AD-HOC节点模块内部组成结构原理说明

如图3所示：它也是以高度集成的系统芯片SOC为核心，在核心系统的周围设计配置了一个整体的扩展FLASH存贮体，在此存贮体中，内含操作系统本地处理通信协议栈扩展FLASH空间，配置与参数扩展FLASH空间，以及系统动态资源下载后扩展FLASH存贮空间，同时设置程序运行扩展RAM空间，本节点模块最大的特点，就是适应机电集成嵌入控制，设计了在模块上集成植入本体传感器的复合立体传感(多种传感信息信号输出)这也就是一个典型的集成植入多种本体传感器系统的专用节点模块(即多种传感器本体和多种模块本体集成在一个节点模块上，并把整个模块植入安装在需要控制的机电装置相应控制部位，减少信息和数据的重复流动，避免干扰和传输错误，而使本地应用处理、功能处理做到更好的稳定性和可靠性。达到简洁、方便、稳定、可靠的就近控制、靠近控制、植入安装，使控制与传感捆绑，控制和输入一体，控制和输出捆绑一体。

如图3所示，本传感器节点模块内设置有AD-HOC路由协商单元，DD路由协议处理单元，LEACH分层路由协议处理单元，这样加强了该传感器节点在网络层与应用层上的各种特殊的功能。

4、传感器网络节点内SOC系统芯片内部结构原理的说明：

如图4所示，传感器网络节点内SOC系统芯片是一个典型的微计算机处理系统，内含高性能中央处理器单元CPU，作为核心系统，运行微小型嵌入式网络操作系统“内核”软件。存贮系统部份有：操作系统本地处理协议栈FLASH存贮体、本地处理RAM运行空间，ROM和RPROM存贮体，组成芯片内存贮空间。其中FLASH存贮器有两部分，分别为1、微小型嵌入式网络操作系统操作系统本地处理与通信协议栈FLASH存贮空间：2、资源组件模块下载后FLASH存贮空间。ROM存贮体为启动与初始化程序存贮与运行空间EPROM为配置与参数存贮空间。RAM为操作系统和本地处理程序以及协议栈程序运行空间。

同时在CPU周围，配置设计必要的系统控制器、存贮访问控制器、通讯访问控制器、系统中断控制器、显示控制器等。

本传感器网络节点内SOC系统芯片具有两种方式的设计配置，即在系统芯片内安排两种配置，一种为内部不带资源下载后FLASH存贮空间。此种芯片只有作为一般应用传感器节点模块的核心组成部分，不能单独自成一个传感器网络节点模块系统。另一种是内部设计集成有资源下载后FLASH存贮体：这种SOC芯片可以独立作为单芯片系统使用，外围不需要配置任何其它附属芯片，只需在模块上增加各种驱动能力的功率器件，以及具有传感输入调整变换的集成器件。从而单独自成一个传感器网络节点模块系统使用。

Claims (1)

1、一种“基于多协议模块结构网络控制平台的自适应传感器网络”其技术内容包括：

改进的动态数据表单注入技术；传感器资源管理与配置节点模块；控制信道与数据信道分离双信道技术；根据由状况的能耗控制方式；传感器网络双模式连结运行方式；改进的传感器网络和系统结构；传感器网络GPRS-GSM-CDMA-3G基站延伸技术；传感器网络系统运行方式和管理模式；传感器网络动态聚类体系管理；传感器网络数据融合管理：

其特征在于：

所述传感网络资源管理与配置节点模块。这个模块是一个完整的独立的网络处理计算机系统，它起到的作用是一个管理、控制、配置中心作用，它不仅具有对所有其它传感网络节点模块进行管理和资源配置的可在线编程的功能，而且还有自己的必要的网络数据存贮载体，容量较大的组件、构件资源库(即事先加载注入的应用程序功能构件、组件、程序模块)及其存贮载体，而且它还有自己本身运行程序的程序指针计数器，以及传感网络管理运行流程指针。

所述改进的动态数据表单注入技术，其特征在于：

动态数据表单注入：能够实现在现场运行过程中实现改变传感节点本身在的性质、测量范围、精度……等性能指标，实现传感器节点本身远程的调整设置，实现传感器节点的重复性运用、灵活性运用。

所述控制信道与数据信道分离双信道技术，其特征在于：

传感器网络控制与数据信息在不同的分配的时隙中传送，使控制信息和数据信息达到互相区别，达到信道分离的目的，从而使信息传输的可靠性达到较大的提高，使本自适应传感器网络的适用性得到较大的提升。

所述传感器网络数据融合，其特征在于：

数据归类和融合数据，减少头开销和通信消耗，通过数据融合，形成多传感器数据融合系统，更大程度地获得被测目标和环境的更深层次的特征信息。而且可以在不同的信息层次上出现，这些信息层次包括数据层、特征层和决策层。

所述传感器网络动态聚类体系管理，其特征在于：

通过动态的调整类首，来延长网络生存时间，通过动态的聚类、动态的调整类首，使数据的传输、数据的路由通道更加合理，使传感器节点的能量消耗更少、有效的传输通电时间更少，从而做到传感节点的生命存在周期。

所述传感器网络GPRS-GSM-CDMA-3G基站延伸技术，其特征在于：

GPRS-GSM-CMA-3G基站延伸技术：即在目前广泛分布的或即将分布的GPRS-GSM-CMA-3G基站边缘，或者盲区，设置自适应通信模块，作为本传感器网络的通信延伸站。

所述传感器网络双模式连结运行方式，其特征在于：

AD-HOC方式是一种网络自由性大型网络方式，无中心控制，路由连续，这种方式能够在没有基站情况下能够很好的应用，免去和节约了设立基站的费用，网络灵活配置自由，可以运用到很多没有电源而不能广泛使用基站的地区，即使在有电源的地区，也可以节约设立基站的费用。

另一个是接入方式，这种方式能够使传感器网络节点互相访问，同时每一个传感器节点又可以作为其它新的传感器网络节点的接入站，相当于一个基站功能，这样使传感器网络得到无限的延伸，也可以使传感器网络分层次的设置，这样更便于控制和管理以及信息的收集和汇聚。

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