CN101488975B - 实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统 - Google Patents
实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101488975B CN101488975B CN2009100291114A CN200910029111A CN101488975B CN 101488975 B CN101488975 B CN 101488975B CN 2009100291114 A CN2009100291114 A CN 2009100291114A CN 200910029111 A CN200910029111 A CN 200910029111A CN 101488975 B CN101488975 B CN 101488975B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- ipv6
- node
- network
- wireless sensor
- sensor network
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 claims description 35
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 35
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 24
- 238000005266 casting Methods 0.000 claims description 12
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 claims description 7
- 230000008447 perception Effects 0.000 claims description 7
- 230000008521 reorganization Effects 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 4
- 241000854291 Dianthus carthusianorum Species 0.000 abstract 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 12
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 3
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 3
- 238000004134 energy conservation Methods 0.000 description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 101000911390 Homo sapiens Coagulation factor VIII Proteins 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000007123 defense Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 102000057593 human F8 Human genes 0.000 description 1
- 230000010365 information processing Effects 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 229940047431 recombinate Drugs 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 230000003442 weekly effect Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Mobile Radio Communication Systems (AREA)
- Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)
Abstract
本发明提供一种实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，该系统中，无线传感器网络中的每个传感器节点拥有唯一的IPv6地址，位于无线传感器网络外部的节点可以通过IPv6 Internet与传感器节点的IPv6地址获取此节点采集的信息数据；该系统设置两类节点：普通传感器节点与网关节点；普通传感器节点用于感知环境、数据采集和数据传输；网关节点用于连接无线传感器网络与IPv6网络，并实现数据的路由转发；所述普通传感器节点分为簇头节点和簇成员节点；簇头节点具有路由转发功能；普通传感器节点将采集的信息数据通过簇头节点路由到网关节点，网关节点再通过IPv6网络将采集的信息数据路由到目的用户。
Description
技术领域
本发明涉及一种无线传感器网络与IPv6网络的互通方式，尤其涉及的是无线传感器网络与IPv6网络的全IP通信系统。
背景技术
在当今信息技术飞速发展的时代，以Internet为代表的信息网络给人们的生活带来了巨大的变化。通过Internet，人们能够及时地了解世界各地的新闻，方便地获取许多有用的信息，如股市行情、旅游信息、商品介绍等等，还可以参与网上的互动游戏等娱乐活动，尝试网上远程教育和购物，发送电子邮件等，互联网已经成为很多人日常活动不可缺少的部分。
微电子技术、计算机技术和无线通信等技术的进步，推动了低功耗多功能传感器网络的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)就是由部署在监测区域内大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的二个要素。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观上的物理世界融合在一起，改变了人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而极大地扩展现有网络的功能和人类认识世界的能力。美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，分别将无线传感器网络列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。无线传感器网络、塑料电子学和仿生人体器官又被称为全球未来的三大高科技术产业。无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。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，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算机世界以及人类社会三元世界的连通。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视。
就无线传感器网络而言，它必须和一个外部网络连接在一起，使外部网络可以监测和控制无线传感器网络才具有更真实的意义。无论从地理范围还是从网络 规模来讲，Internet互联网都是外部网络的一个最好选择。因为Internet遍布全球，TCP/IP的广泛应用也已经使其成为有线网络事实上的协议标准，并且它的应用范围正逐步向无线领域拓展，此外，IPv6的很多良好特性使得某些无线传感器网络的应用成为可能，因此实现无线传感器网络和Internet网络的互联具有重大意义。
但是，由于无线传感器网络的资源受限，而IPv6最初并没有考虑到嵌入式应用，所以要实现无线传感器网络和IPv6网络的互联还有很多问题需要进一步研究和讨论。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种实现无线传感器网络与IPv6网络的全IP通信系统，即无线传感器网络中的每个传感器节点都拥有全球唯一的IPv6地址，外部网络的用户通过Internet以及传感器节点的IPv6地址可以在世界任何角落获取此节点采集的信息数据，就如同访问IPv6节点一样，从而真正实现无线传感器网络与IPv6网络(也可成为下一代互联网络)的融合。
技术方案：本发明公开了一种实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，在所述网络系统中，无线传感器网络中的每个传感器节点都拥有全球唯一的IPv6地址，位于无线传感器网络外部的节点通过Internet以及传感器节点的IPv6地址可以在世界任何角落获取此节点采集的信息数据。
所述网络系统设置两类节点：普通传感器节点与网关节点。普通传感器节点用于感知环境、数据采集和数据传输；网关节点的自身资源(例如，采用32位微处理器来提高计算能力，增加硬件存储器来提高存储能力等)要大于普通传感器节点，主要用于连接无线传感器网络与IPv6网络，实现数据的路由转发。
所述网络系统中，从路由角度划分普通传感器节点又可划分为簇头节点与簇成员节点。簇头节点具有路由转发功能，簇成员节点不具有路由转发功能普通传感器节点将采集的信息数据通过簇头节点路由到网关节点，网关节点再通过IPv6网络将采集的信息数据路由到目的用户。
所述网络系统中，无线传感器网络可以通过多个网关实现与IPv6网络的全IP通信。无线传感器网络中的普通传感器节点通过任播技术，以跳数为衡量路由路径的距离度量单位选择最佳路由路径，并通过此最佳路径来路由采集到的信息数据。所述任播技术是IPv6的一个已公开技术，此技术的详细描述可参见网络上的相关标准，如由C.Partridge、T.Mendez以及W.Milliken撰写的RFC 1546“Host Anycasting Service”(Published：Friday，November 12th，1993-The RFCArchive)。
所述网络系统中，簇头节点能量低于一定阈值时，它通过选举当前簇内能量
损失最小的簇成员来代替自己成为簇头节点，而自己则变为簇成员。本发明的阈值设定值为簇头节点在本簇范围内发送数据所需的能量。
所述网络系统中，簇头采用任播技术从距离自身最近的网关节点获取IPv6地址前缀，簇成员采用任播技术，以跳数为衡量距离的度量单位从距离自身最近的簇头获取IPv6地址前缀。
所述网络系统中，普通传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块以及数据通信模块。数据采集模块由传感单元与A/D转换器完成，数据处理模块由微处理器与存储器完成，数据通信模块由无线收发器完成。
所述网络系统中，网关节点包括数据处理模块与数据通信模块。数据处理模块由微处理器与存储器完成，数据通信模块由以太网接口与无线收发器完成。
所述网络系统中，普通传感器节点的数据处理模块实现的功能包括将采集的数据封装成精简IPv6报文、利用适配层头部信息实现IPv6报文的分片与重组以及将IPv6报文封装成无线传感器网络的帧格式。
所述网络系统中，网关节点的数据处理模块实现的功能包括将精简IPv6报文与完整IPv6报文的转换、利用适配层头部信息实现IPv6报文的分片与重组以及无线传感器网络帧格式与IPv6网络帧格式之间的转换。
有益效果：本发明提供了无线传感器网络与IPv6网络的全IP通信系统，在所述系统中，无线传感器网络中的每个传感器节点都拥有全球唯一的IPv6地址，外部网络的用户通过Internet以及传感器节点的IPv6地址可以在世界任何角落获取此节点采集的信息数据，就如同访问IPv6节点一样；所述系统设置两类节点：普通传感器节点与网关节点，普通传感器节点用于感知环境、数据采集和数据传输，网关节点的自身资源(例如，计算能力以及存储能力等)要大于普通传感器节点，主要用于连接无线传感器网络与IPv6网络，实现数据的路由转发；从路由角度划分普通传感器节点又可划分为簇头节点与簇成员节点，簇头节点具有路由转发功能，簇成员节点不具有路由转发功能，由于数据发送与接收是传感器节点能量消耗的主要因素，而簇头节点在无线传感器网络中所占比例很小，因此提高了整个网络系统中传感器节点的平均寿命；簇头节点能量低于一定阈值时，它通过一定的选举策略选定一个簇成员节点来代替自己成为簇头节点行使路由转发功能，增加了网络路由系统的健壮性；无线传感器节点采用精简IPv6报头封装采集的信息数据，并使用分片、重组等策略来传输IPv6报文，有效地节省了传感器节点的功耗，延长了寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明。
图1为本发明中无线传感器网络与互联网络全IP通信系统的结构示意图。
图2为本发明中无线传感器网络普通节点硬件结构示意图。
图3为本发明中连接无线传感器网络与互联网络的网关节点硬件结构示意图。
图4为本发明中无线传感器网络普通节点软件系统示意图。
图5为本发明中连接无线传感器网络与互联网络的网关节点软件系统示意图。
具体实施方式
本发明提供了无线传感器网络与IPv6网络的全IP通信系统，在所述系统中，无线传感器网络中的每个传感器节点都拥有全球唯一的IPv6地址，外部网络的用户通过Internet以及传感器节点的IPv6地址可以在世界任何角落获取此节点采集的信息数据，就如同访问IPv6节点一样。所述系统设置两类节点：普通传感器节点与网关节点，普通传感器节点用于感知环境、数据采集和数据传输，网关节点的自身资源(例如，计算能力以及存储能力等)要大于普通传感器节点，主要用于连接无线传感器网络与IPv6网络，实现数据的路由转发。从路由角度划分普通传感器节点又可划分为簇头节点与簇成员节点，簇头节点具有路由转发功能，簇成员节点不具有路由转发功能，由于数据发送与接收是传感器节点能量消耗的主要因素，因此簇成员的功耗很小。本发明中，簇头采用任播技术从距离自身最近的网关节点获取IPv6地址前缀，簇成员采用任播技术从距离自身最近的簇头节点获取IPv6地址前缀。整个无线传感器网络可以认为是Internet网络中的一个网段，簇头节点与网关节点相当于此网段中的路由器，将其划分为多个子网，它们共同构建了无线传感器网络的路由系统，普通传感器节点将采集的信息数据发送到所在子网的簇头节点，簇头节点再通过路由系统将数据发送到网关节点，最后网关节点通过IPv6网络将采集的信息数据路由到目的用户。
如图1所示，无线传感器网络被簇头节点划分为多个子网络，且每个子网络中有唯一一个簇头节点，其余节点为簇成员节点，簇头的功能与IPv6网络中的路由器功能相似，具有路由转发功能，簇成员主要用于信息采集与数据处理，不具有路由转发功能。簇成员将采集到的信息数据分别用精简IPv6报头，适配层头部以及无线传感器网络能够识别的帧头进行封装，然后将封装后的数据帧发送到本子网内的簇头节点，簇头节点再通过无线传感器的路由系统将数据帧发送到网关节点，网关节点对数据帧进行处理，首先去除数据帧的帧头与适配层头部，然后将精简的IPv6报头恢复成完整的IPv6报头，最后对完整的IPv6报文用IPv6网 络能够识别的帧格式进行封装，最后按照IPv6网络路由方式将数据帧路由到目的用户。
图2所示的是普通节点的硬件示意图，普通节点的硬件主要包括微处理器、存储器、无线收发器、传感单元接口、A/D转换器以及传感单元。普通节点的功能是利用传感单元采集人类感兴趣的信息数据，并将数据通过无线收发器发送到所在子网的簇头。在本发明中，普通节点分为具有路由功能的簇头节点以及不具有路由功能的簇成员节点，无论是簇头还是簇成员，它们都可以采用一样的硬件设计。
图3所示的是网关节点的硬件示意图，网关节点的硬件主要包括微处理器、存储器、无线收发器、有线网络接口。网关节点的功能在于连接无线传感器网络与IPv6网络，实现数据的路由转发。网关从有线网络接口接收IPv6网络的数据帧并将其暂时保存到存储器中，微处理器对此数据帧内的IPv6报头进行精简处理，并且将精简的IPv6报文用适配层头部以及无线传感器网络可以识别的帧格式进行封装，最后通过无线收发器发送到无线传感器网络；网关从无线收发器接收无线传感器网络的数据帧并将其暂时保存到存储器中，微处理器将数据包中的精简IPv6报文进行处理，使其恢复成完整的IPv6报文，并且将完整的IPv6报文封装成IPv6网络可以识别的帧格式，最后通过有线网络接口发送到IPv6网络。
图4所示的是普通节点的软件系统示意图，普通节点的软件系统包括四个层次：应用层、精简UDP/IPv6协议层、适配层与硬件抽象层。
应用层主要实现数据的采集以及来自外界的命令处理。
数据采集：传感器通过传感单元实现数据的采集。
命令处理：应用层接收精简UDP/IPv6协议层提交的数据，并将数据解释成相应的命令。根据命令的要求(例如，查询采集的数据)，应用层做出相应的操作，并将响应数据交给精简UDP/IPv6协议层处理。
精简UDP/IPv6协议层主要实现分配IPv6地址、精简IPv6报头以及动态路由的功能(簇成员无动态路由功能)。虽然TCP协议的可靠性要强于UDP协议，但是TCP数据传输前需要建立连接，传输过程中需要维护连接，传输结束后需要断开连接。而无线传感器节点传输的数据量比较小，而且通信质量不是特别好，因此，在无线传感器网络中不使用TCP传输数据。此外，TCP头部占用了20个字节，而UDP头部只有8个字节，因此本发明的传输层协议采用UDP协议。
分配IPv6地址：根据IPv6地址的分层结构以及传感器网络自身特点，本发明将传感器节点的IPv6地址划分为两个部分：即传感器网络地址前缀与传感器节 点ID。传感器网络地址前缀唯一地标识一个传感器网络，即在此传感器网络中所有传感器节点的IPv6地址的网络地址前缀都相同；传感器节点ID唯一地标识一个传感器网络中的一个传感器节点。每个传感器节点在初始时都具有一个ID来唯一地标识自己，可以将此ID作为IPv6地址的传感器节点ID部分。本发明中，一个无线传感器网络中可以同时拥有多个网关节点，这些网关节点的无线接口的IPv6地址的网络地址前缀都是相同的。簇头节点通过任播技术从距离自己最近的网关节点获取网络地址前缀，此前缀与它本身的传感器节点ID结合共同构成了自身的IPv6地址。如同Internet一样，这些簇头节点将拥有同一个网络地址前缀的无线传感器网络划分为多个子网(子网地址前缀从簇头的传感器节点ID从划分)，簇成员节点通过任播技术从距离自己最近的簇头节点获取网络地址前缀以及子网地址前缀，然后与它本身的传感器节点ID结合共同构成了自身的IPv6地址，同时，此簇成员节点也成为了簇头节点所标示的子网中的一员。
精简IPv6报头分为以下三个部分：
1)IPv6报文头部的设计原则是将头部开销减小到最低，所以IPv6使用固定长度的头部以及扩展头部的方式实现扩展。对于无线传感器而言，由于报文处理比较简单，故可以不实现扩展头部。另外，IPv6报文头部的Version、Traffic Class和Flow Label域一般情况下都是常数，而Payload Length的值可以通过链路层帧中的长度域计算出来，因此精简的IPv6报头可以对Version、Traffic Class、Flow Label、Payload Length以及Next Header域进行压缩；
2)在IPv6协议栈中，ICMPv6报文可以用来报告错误和信息状态等。在无线传感器网络中，由于外界因素以及节点自身的硬件因素，节点很容易出故障，而节能是无线传感器网络的一个重要设计目标，因此ICMPv6报文在传感器节点上只实现探测功能，对于无线传感器的可靠性是通过应用层的其他机制(例如，握手操作)来实现的；
3)完整的IPv6报头的源地址与目的地址分别占用128个比特，这对于资源有限的传感器节点来说是不小的开支。由于一个无线传感器网络中所有传感器节点的网络地址前缀都是相同的，因此在精简IPv6报头中，源地址与目的地址域不包含网络地址前缀，只包含传感器节点ID。
动态路由功能：本发明中，只有簇头节点具有动态路由功能。簇头节点以传感器节点ID为标识采用无线传感器网络现有的路由协议来实现路由功能。
精简UDP/IPv6协议层接收适配层提交的IPv6报文时，它会根据IPv6报头中的目的地址来判断自己是否为目的节点，如果不是，就根据路由策略将此报文路 由到下一跳节点，如果本身是目标节点，那么就对精简UDP/IPv6协议头部进行处理，并将去除精简UDP头部和精简IPv6头部的应用层数据提交给应用层处理。精简UDP/IPv6协议层接收到来自应用层的数据时，它会用UDP头部与精简IPv6头部对此数据进行封装，然后将封装后的精简IPv6报文交给适配层处理。
适配层主要实现IPv6报文的分片以及IPv6报文分片的重组功能。
由于IPv6报文支持的最小值(1280byte)大于无线传感器网络链路帧所能包含的字节数，因此，在传感器网络中传输一个完整的IPv6报文时必须将其分片处理，此外，IPv6将分片重组信息放在扩展头部进行处理，而在IPv6头部包含扩展头部势必带来不小的开销，因此将IPv6分片信息放在适配层。适配层头部分为两种类型：不分片报文头部与分片报文头部，其中，分片报文头部中又分为第一片报文头部与后继报文头部。
适配层接收到来自精简UDP/IPv6协议层的精简IPv6报文时，它会根据精简IPv6报文的大小来判断是否需要分片，并分别用相应的适配层头部封装精简的IPv6报文，然后交给硬件抽象层处理。适配层接收到硬件抽象层提交的数据时，它会根据适配层头部信息对精简IPv6报文分片进行重组，最后将重组后的完整的精简IPv6报文提交给精简UDP/IPv6协议层。
硬件抽象层主要通过无线收发器实现数据帧的发送和接收。
硬件抽象层接收来自适配层提交的数据，此数据是用适配层头部封装过的IPv6报文，硬件抽象层将此数据封装成无线传感器网络可以识别的帧格式，然后通过无线收发器发送出去。同样，硬件抽象层从无线收发器接收到数据帧之后，它对帧头进行处理，然后去除帧头将帧的负载提交给适配层处理。
图5所示的是网关的软件系统示意图，网关的软件系统由两个部分组成：无线软件系统与有线软件系统。
无线软件系统包括精简UDP/IPv6层、适配层与无线硬件抽象层。
精简UDP/IPv6协议层主要实现分配IPv6地址、精简IPv6报头以及动态路由的功能。虽然TCP协议的可靠性要强于UDP协议，但是TCP数据传输前需要建立连接，传输过程中需要维护连接，传输结束后需要断开连接。而无线传感器节点传输的数据量比较小，而且通信质量不是特别好，因此，在无线传感器网络中不使用TCP传输数据。此外，TCP头部占用了20个字节，而UDP头部只有8个字节，因此本发明的传输层协议采用UDP协议。
分配IPv6地址：根据IPv6地址的分层结构以及传感器网络自身特点，本发明将传感器节点的IPv6地址划分为两个部分：即传感器网络地址前缀与传感器节 点ID。传感器网络地址前缀唯一地标识一个传感器网络，即在此传感器网络中所有传感器节点的IPv6地址的网络地址前缀都相同；传感器节点ID唯一地标识一个传感器网络中的一个传感器节点。每个传感器节点在出厂时都具有一个ID来唯一地标识自己，可以将此ID作为IPv6地址的传感器节点ID部分。本发明中，一个无线传感器网络中可以同时拥有多个网关节点，这些网关节点的无线接口的IPv6地址的网络地址前缀都是相同的。簇头节点通过任播技术从距离(本发明以跳数为衡量距离的度量单位)自己最近的网关节点获取网络地址前缀，此前缀与它本身的传感器节点ID结合共同构成了自身的IPv6地址。如同Internet一样，这些簇头节点将拥有同一个网络地址前缀的无线传感器网络划分为多个子网(子网地址前缀从簇头的传感器节点ID从划分)，簇成员节点通过任播技术从距离自己最近的簇头节点获取网络地址前缀以及子网地址前缀，然后与它本身的传感器节点ID结合共同构成了自身的IPv6地址，同时，此簇成员节点也成为了簇头节点所标示的子网中的一员。
IPv6报头的精简分为以下三个部分：
1)IPv6报文头部的设计原则是将头部开销减小到最低，所以IPv6使用固定长度的头部以及扩展头部的方式实现扩展。对于无线传感器而言，由于报文处理比较简单，故可以不实现扩展头部。另外，IPv6报文头部的Version、Traffic Class和Flow Label域一般情况下都是常数，而Payload Length的值可以通过链路层帧中的长度域计算出来，因此精简的IPv6报头可以对Version、Traffic Class、Flow Label、Payload Length以及Next Header域进行压缩；
2)在IPv6协议栈中，ICMPv6报文可以用来报告错误和信息状态等。在无线传感器网络中，由于外界因素以及节点自身的硬件因素，节点很容易出故障，而节能是无线传感器网络的一个重要设计目标，因此ICMPv6报文在传感器节点上只实现探测功能(例如，检测某个节点是否存在或者是否存活等)，对于无线传感器的可靠性是通过应用层的其他机制(例如，握手操作)来实现的；
3)完整的IPv6报头的源地址与目的地址分别占用128个比特，这对于资源有限的传感器节点来说是不小的开支。由于一个无线传感器网络中所有传感器节点的网络地址前缀都是相同的，因此在精简IPv6报头中，源地址与目的地址域不包含网络地址前缀，只包含传感器节点ID。
动态路由功能：精简UDP/IPv6协议层以传感器节点ID为标识采用无线传感器网络现有的路由协议来实现路由功能。
精简UDP/IPv6协议层接收适配层提交的IPv6报文时，它会将精简UDP/IPv6 报文提交给有线软件系统中的完全UDP/IPv6协议层进行处理。精简UDP/IPv6协议层接收到来自有线软件系统中的完全UDP/IPv6协议层提交的完全IPv6报文时，它会对完全的IPv6头部进行精简，然后将精简后的IPv6报文交给适配层处理。
适配层主要实现IPv6报文的分片以及IPv6报文分片的重组功能。
由于IPv6报文支持的最小值(1280byte)大于无线传感器网络链路帧所能包含的字节数，因此，在传感器网络中传输一个完整的IPv6报文时必须将其分片处理，此外，IPv6将分片重组信息放在扩展头部进行处理，而在IPv6头部包含扩展头部势必带来不小的开销，因此将IPv6分片信息放在适配层。适配层头部分为两种类型：不分片报文头部与分片报文头部，其中，分片报文头部中又分为第一片报文头部与后继报文头部。
适配层接收到来自精简UDP/IPv6协议层的精简IPv6报文时，它会根据精简IPv6报文的大小来判断是否需要分片，并分别用相应的适配层头部封装精简的IPv6报文，然后交给无线硬件抽象层处理。适配层接收到无线硬件抽象层提交的数据时，它会根据适配层头部信息对精简IPv6报文分片进行重组，最后将重组后的完整的精简IPv6报文提交给精简UDP/IPv6协议层处理。
无线硬件抽象层主要通过无线收发器实现数据帧的发送和接收。
无线硬件抽象层接收来自适配层提交的数据，此数据是用适配层头部封装过的精简IPv6报文，无线硬件抽象层将此数据封装成无线传感器网络可以识别的帧格式，然后通过无线收发器发送出去。同样，无线硬件抽象层从无线收发器接收到数据帧之后，它对帧头进行处理，然后去除帧头将帧的负载提交给适配层处理。
有线软件系统包括完全UDP/IPv6协议层与有线硬件抽象层。
完全UDP/IPv6协议层主要实现恢复IPv6报头以及动态路由的功能。
恢复IPv6报头分为以下两个部分：
1)由于精简IPv6报头对Version、Traffic Class、Flow Label、Payload Length以及Next Header域进行了精简操作，因此恢复IPv6报头操作必须将上述几个域恢复到没有精简的、正常IPv6报文格式；
2)将精简IPv6报头的源地址与目的地址恢复到128个比特，即包含网络地址前缀与传感器节点ID的完整IPv6地址格式。
动态路由功能：网关节点实现Internet现有的路由功能。
完全UDP/IPv6协议层接收精简UDP/IPv6提交的精简IPv6报文时，它会将精简UDP/IPv6报文恢复到完整的、未精简之前的IPv6报文格式，然后将完全的IPv6报文提交给有线硬件抽象层处理。完全UDP/IPv6协议层接收到来自有线硬件抽象层提交的IPv6网络的数据帧时，它会将完全IPv6报文提交给无线软件系统的精简UDP/IPv6协议层进行处理。
有线硬件抽象层主要通过有线网络接口实现数据帧的发送和接收。
有线硬件抽象层接收来自完全UDP/IPv6协议层提交的完全IPv6报文，然后将此完整IPv6报文封装成有线网络可以识别的帧格式，最后通过有线接口发送出去。同样，有线硬件抽象层从有线接口接收到数据帧之后，它对帧头进行处理，然后去除帧头将帧的负载提交给完全UDP/IPv6协议层处理。
网关节点的工作流程可以描述为：网关节点从有线硬件抽象层接收IPv6网络的数据帧并对此数据帧内的完全IPv6报头进行精简处理，如果IPv6报文过大，要对其进行分片处理，然后用适配层头部对每个分片进行封装，最后再将其封装成无线传感器网络可以识别的帧格式，通过无线硬件抽象层发送到无线传感器网络；网关节点从无线硬件抽象层接收无线传感器网络的数据帧，如果接收到的是IPv6报文分片，那么适配层要对IPv6报文分片进行重组，同时对IPv6报头进行恢复处理(即恢复成未精简之前的IPv6报头)，然后将完全的IPv6报文封装成IPv6网络可以识别的帧格式，通过有线硬件抽象层发送到IPv6网络。
本发明提供了一种实现无线传感器网络与互联网络全IP通信系统的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。
Claims (6)
1.一种实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，其特征在于，该系统中，无线传感器网络中的每个传感器节点拥有唯一的IPv6地址，位于无线传感器网络外部的节点通过IPv6 Internet与传感器节点的IPv6地址获取此节点采集的信息数据；
该系统设置两类节点：普通传感器节点与网关节点；普通传感器节点用于感知环境、数据采集和数据传输；网关节点用于连接无线传感器网络与IPv6网络，并实现数据的路由转发，且网关节点的资源大于普通传感器节点；
该系统中，所述普通传感器节点分为簇头节点和簇成员节点；无线传感器网络被簇头节点划分为多个子网络，且每个子网络中有唯一一个簇头节点，其余节点为簇成员节点；簇头节点具有路由转发功能；普通传感器节点将采集的信息数据通过簇头节点路由到网关节点，网关节点再通过IPv6网络将采集的信息数据路由到目的用户；
所述传感器节点的IPv6地址分为两个部分：即传感器网络地址前缀与传感器节点ID；传感器网络地址前缀唯一地标识一个无线传感器网络，在此无线传感器网络中所有传感器节点的IPv6地址的网络地址前缀都相同；传感器节点ID唯一地标识一个无线传感器网络中的一个传感器节点；
一个无线传感器网络中同时拥有多个网关节点，这些网关节点的无线接口的IPv6地址的网络地址前缀都是相同的；
所述网关节点包括数据处理模块与数据通信模块；数据处理模块由微处理器与存储器构成，数据通信模块由以太网接口与无线收发器构成；
所述数据处理模块将采集的数据封装成精简IPv6报文、利用适配层头部信息实现IPv6报文的分片与重组以及将IPv6报文封装成无线传感器网络的帧格式；
精简IPv6报文头部分为三个部分：第一，使用固定长度的头部，报文头部对Version、Traffic Class、Flow Label、Payload Length以及Next Header域进行压缩；第二，在IPv6协议栈中，报文在传感器节点上只实现探测功能，无线传感器的可靠性是通过应用层的握手操作实现的；第三，报文头部中，源地址与目的地址域不包含网络地址前缀，只包含传感器节点ID。
2.根据权利要求1实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，其特征在于，所述无线传感器网络通过两个以上网关实现与IPv6网络的全IP通信；所述无线传感器网络中的普通传感器节点通过任播技术选择最佳路由路径，并通过此最佳路由路径来路由采集到的信息数据。
3.根据权利要求1实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，其特征在于，所述簇头节点能量低于一定阈值时，通过选举当前簇内能量损失最小的簇成员来代替自己成为簇头节点，而自己则变为簇成员节点。
4.根据权利要求1实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，其特征在于，所述簇头节点通过任播技术从距离自身最近的网关节点获取IPv6地址前缀，簇成员节点采用任播数据从距离自身最近的簇头节点获取IPv6地址前缀。
5.根据权利要求1实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，其特征在于，所述普通传感器节点包括数据采集模块、数据处理模块以及数据通信模块；数据采集模块由传感单元与A/D转换器构成，数据处理模块由微处理器与存储器构成，数据通信模块由无线收发器构成。
6.根据权利要求1实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统，其特征在于，所述数据处理模块实现精简IPv6报文与完整IPv6报文的转换，利用适配层头部信息实现IPv6报文的分片与重组以及无线传感器网络帧格式与IPv6网络帧格式之间的转换。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009100291114A CN101488975B (zh) | 2009-01-13 | 2009-01-13 | 实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2009100291114A CN101488975B (zh) | 2009-01-13 | 2009-01-13 | 实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN101488975A CN101488975A (zh) | 2009-07-22 |
| CN101488975B true CN101488975B (zh) | 2011-05-04 |
Family
ID=40891650
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN2009100291114A Active CN101488975B (zh) | 2009-01-13 | 2009-01-13 | 实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN101488975B (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105262687A (zh) * | 2015-09-14 | 2016-01-20 | 重庆邮电大学 | 一种基于wia-pa技术的用电信息采集系统组网通信方法 |
Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101795480B (zh) * | 2009-11-10 | 2012-10-17 | 常熟理工学院 | 无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的路由实现系统 |
| CN101707764B (zh) * | 2009-12-03 | 2011-12-07 | 常熟理工学院 | 下一代全ip无线传感器网络的实现方法 |
| CN101764857B (zh) * | 2009-12-22 | 2012-07-25 | 常熟理工学院 | 下一代全ip无线传感器网络移动切换的实现方法 |
| CN102196458A (zh) * | 2010-03-09 | 2011-09-21 | 江苏联优信息科技有限公司 | 一种无线宽带传感器网络的组网方法及装置 |
| CN101883132B (zh) * | 2010-04-22 | 2013-05-08 | 常熟理工学院 | 一种基于全ip无线传感器网络的农业大棚温度监控系统 |
| CN101951597B (zh) * | 2010-08-13 | 2013-02-13 | 北京智慧图科技发展有限责任公司 | 不同类型的网络之间通信的方法、装置和系统 |
| CN101917707B (zh) * | 2010-08-18 | 2014-12-17 | 中兴通讯股份有限公司 | 无线传感器网络的ip寻址方法及系统 |
| CN102387521A (zh) * | 2010-08-27 | 2012-03-21 | 中兴通讯股份有限公司 | 对无线传感器网络节点的状态监测方法及系统 |
| CN102457581B (zh) * | 2010-10-19 | 2016-04-13 | 中兴通讯股份有限公司 | 无线传感器网络终端的寻址方法及结合网络 |
| CN102469174A (zh) * | 2010-11-17 | 2012-05-23 | 上海贝尔股份有限公司 | 一种用于传感器网络的数据包头处理方法及网络网关 |
| CN102035731B (zh) * | 2010-11-23 | 2012-11-28 | 常熟理工学院 | 一种6LoWPAN无线传感器网络路由方法 |
| CN102638478A (zh) * | 2011-02-12 | 2012-08-15 | 苏州达联信息科技有限公司 | 一种铁路轨道监测传感网络控制器动态分配方法及装置 |
| WO2012139288A1 (en) * | 2011-04-13 | 2012-10-18 | Renesas Mobile Corporation | Sensor network information collection via mobile gateway |
| CN102984821B (zh) * | 2011-12-30 | 2015-11-04 | 山东黄金集团有限公司 | 工厂内安全监测无线传感器网络 |
| CN102594885B (zh) * | 2012-02-10 | 2016-08-03 | 中国科学院计算机网络信息中心 | 传感器网络解析互通平台、传感器网络互通方法及系统 |
| CN103327561A (zh) * | 2013-05-31 | 2013-09-25 | 苏州市职业大学 | 基于工业无线传感器网络路由分区调度方法 |
| CN103533574A (zh) * | 2013-10-09 | 2014-01-22 | 中国联合网络通信集团有限公司 | 无线传感器网络和互联网之间数据传输的方法和装置 |
| CN104519554B (zh) * | 2014-12-12 | 2018-02-27 | 重庆邮电大学 | 一种支持多频段6LoWSN并行接入Internet的方法 |
| CN105992301A (zh) * | 2015-02-12 | 2016-10-05 | 北京信威通信技术股份有限公司 | 一种基于静态编队分簇的自组网系统 |
| CN105100301A (zh) * | 2015-08-31 | 2015-11-25 | 中国电力科学研究院 | 一种无线传感网络的传输方法和无线传感网络 |
| CN105119828B (zh) * | 2015-09-08 | 2018-02-09 | 常熟理工学院 | 一种快速的无线网络路由实现方法 |
| CN105897945A (zh) * | 2016-03-28 | 2016-08-24 | 重庆海特克制造业信息化生产力促进中心有限公司 | 一种基于IPv6移动终端的车间多源信息智能感知方法 |
| CN106453090B (zh) * | 2016-10-19 | 2019-01-11 | 常熟理工学院 | 一种以数据为中心的通信方法 |
| CN108986440B (zh) * | 2018-09-27 | 2020-07-17 | 深圳友讯达科技股份有限公司 | 多网融合抄表系统和抄表系统的地址分配方法 |
| CN112073506B (zh) * | 2020-09-04 | 2022-10-25 | 哈尔滨工业大学 | 基于IPv6与消息队列的复杂电磁数据采集方法 |
-
2009
- 2009-01-13 CN CN2009100291114A patent/CN101488975B/zh active Active
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105262687A (zh) * | 2015-09-14 | 2016-01-20 | 重庆邮电大学 | 一种基于wia-pa技术的用电信息采集系统组网通信方法 |
| CN105262687B (zh) * | 2015-09-14 | 2018-06-22 | 重庆邮电大学 | 一种基于wia-pa技术的用电信息采集系统组网通信方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101488975A (zh) | 2009-07-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN101488975B (zh) | 实现无线传感器网络与IPv6网络全IP通信的系统 | |
| CN101588293B (zh) | Ad Hoc网络与IPv6网络全IP通信互联系统 | |
| Geeta et al. | Fault tolerance in wireless sensor network using hand-off and dynamic power adjustment approach | |
| CN104157120B (zh) | 工业装备及环境监控的wsn信息感知系统及方法 | |
| CN102185749B (zh) | 采用树形拓扑关系避免路由环路的方法 | |
| US8588192B2 (en) | System and method for forming application dependent dynamic data packet in wireless sensor networks | |
| CN101471899A (zh) | 一种支持传感器网络数据访问方法及其接入网关、系统 | |
| Lin et al. | Monitoring power transmission lines using a wireless sensor network | |
| CN101119372B (zh) | 适用于移动无线传感器网络的协作节能路由图构造方法 | |
| CN103796271B (zh) | 一种适用于树型无线传感网的IPv6路由器冗余方法 | |
| Higuera et al. | IEEE 1451 standard in 6LoWPAN sensor networks using a compact physical-layer transducer electronic datasheet | |
| CN101854361A (zh) | 一种基于物联网的下一代互联网协议报头压缩方法 | |
| CN103347294A (zh) | 无线传感器系统及数据收集方法 | |
| CN107404745A (zh) | 一种基于自组网的火灾探测器远程检测系统 | |
| CN103929778A (zh) | 数据分级传输方法 | |
| Mishra et al. | Analyzing and evaluating the performance of 6L0WPAN and RPL using CONTIKI | |
| Padma et al. | End-to-end communication protocol in IoT-enabled ZigBee network: Investigation and performance analysis | |
| Al-Fares et al. | A hierarchical routing protocol for survivability in wireless sensor network (WSN) | |
| Kuo et al. | A lightweight routing protocol for mobile target detection in wireless sensor networks | |
| CN102694773A (zh) | IPv6无线传感器网络与现有网络的接入方法 | |
| Netalkar et al. | Zigbee Based Wireless Sensor Networks for Smart Campus | |
| Al Essa et al. | ZigBee network using low power techniques and modified LEACH protocol | |
| Kannan et al. | Efficient addressing schemes for internet of things | |
| CN206136309U (zh) | 一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络 | |
| Sardar et al. | Design of energy aware collection tree protocol in wireless sensor network |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: CHANGSHU SCIENCE AND ENGINEERING COLLEGE Free format text: FORMER OWNER: WANG XIAONAN Effective date: 20110117 |
|
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 215500 NO.99, SOUTH 3RD RING ROAD, CHANGSHU CITY, JIANGSU PROVINCE TO: 215500 CHANGSHU INSTITUTE OF TECHNOLOGY, NO.99, SOUTH 3RD RING ROAD, CHANGSHU CITY, JIANGSU PROVINCE |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20110117 Address after: 215500, Changshou City Province, No. three ring road, Changshu Institute Of Technology, 99 Applicant after: Changshu Science and Engineering College Address before: 215500 Jiangsu, Changshou City, South Ring Road, No. three, No. 99 Applicant before: Wang Xiaonan |
|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20170331 Address after: 214204 Yixing new street, Jiangsu Patentee after: Jiangsu wisdom Industrial Co., Ltd. Address before: 215500, Changshou City Province, No. three ring road, Changshu Institute Of Technology, 99 Patentee before: Changshu Science and Engineering College |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 214200 No. 3 Junzhi Road, Yixing Environmental Science and Technology Industrial Park, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: Jiangsu Junzhi Wisdom Network Co., Ltd. Address before: 214204 Nanyue Village, Xinjie Street, Yixing, Jiangsu Province Patentee before: Jiangsu wisdom Industrial Co., Ltd. |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20210407 Address after: 214200 No.1 Junzhi Road, Yixing Environmental Protection Science and Technology Industrial Park, Wuxi City, Jiangsu Province Patentee after: JIANGSU TRIGIANT TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: No.3 Junzhi Road, Yixing Environmental Protection Science and Technology Industrial Park, Wuxi City, Jiangsu Province, 214200 Patentee before: Jiangsu Junzhi Wisdom Network Co.,Ltd. |