CN101951414A - 无线传感网络与物联网平台结合的信息系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，所述无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，包括无线传感网络，所述无线传感网络包括数据汇聚节点；还包括无线传感网络控制器；无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台连接到无线传感网络控制器。本发明无线传感网络通过电信运营商的通信平台或M2M平台与无线传感网络控制器相连，解决了现有电信运营商的M2M终端数量有限、覆盖面不足，生产和运营成本较高、功耗高及行业能力受到限制的问题，无线传感网络控制器能够对无线传感网络进行相应的调整，从而优化实时调整及优化无线传感网络的运行参数和运行环境，提高了无线传感网络运行的可靠性。

Description

无线传感网络与物联网平台结合的信息系统
技术领域
 本发明涉及一种信息系统，尤其是一种无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，属于物联网的技术领域。
背景技术
2000年以后，随着移动通信技术的发展，以移动通信技术实现机器设备的联网成为可能。2002年左右物联网业务就在市场上出现，并在随后的几年迅速发展，成为了众多通信设备商和电信运营商的关注焦点,可以预见到物联网技术的良好的市场前景。我国目前物联网市场才起步，以运营商推动为主，产业链存在很多空白，中国政府已将物联网相关产业正式纳入国家《信息产业科技发展十一五规划及2020 年中长期规划纲要十一五规划》重点扶持项目。各大电信运营商都建立了自己的物联网（M2M）平台。
       但是，当前运营商的M2M平台面临M2M终端数量有限、覆盖面不足、生产和运营成本较高、功耗高、行业应用能力受限等不利因素，限制了物联网应用的开展。无线传感网络作为物联网的一项支撑性技术，受到也越来越多的关注，无线传感网络与物联网M2M平台的结合，发挥无线传感网络在成本、功耗、自组织能力等各方面的优势看，建设成为运营商M2M平台的支撑性补充，已经成为物联网领域发展的重要课题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，其增大了M2M平台的覆盖面，提高了无线传感网络的应用。
按照本发明提供的技术方案，所述无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，包括无线传感网络，所述无线传感网络包括数据汇聚节点；特征是：还包括无线传感网络控制器；无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台连接到无线传感网络控制器；
所述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台向无线传感网络发出干预和控制命令，调整无线传感网络的拓扑结构和传递路由；
所述无线传感网络控制器的干预和控制命令通过电信运营商的通信平台或M2M平台发送到无线传感网络的数据汇聚节点，由无线传感网络的数据汇聚接点经路由节点传递至相应的网络节点，调整所述相应网络节点的功能。
所述无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台映射到无线传感网络控制器上，由无线传感网络控制器对无线传感网络的节点性能进行解析。
所述无线传感网络的节点性能包括节点的ID标识、通信频率、带宽、实时性、通信协议和标准、网络拓扑信息与节点自身的作用、休眠模式和功耗、供电方式、剩余电量、安全措施、数据融合措施、定位方式和位置信息；所述无线传感网络控制器根据解析后得到无线传感网络的节点性能，调整无线传感网络中节点的通信频率、发射功率、带宽、实时性处理或调整无线传感网络中相应节点工作模式。
所述无线传感网络控制器的干预和控制命令将相应的网络节点配置成路由节点、集中器或协调器节点，调整无线传感网络的拓扑结构。
所述无线传感网络包括定位基础节点，所述定位基础节点的性能通过通信运营商的通信平台或M2M平台映射到无线传感网络控制器，无线传感网络控制器对所述定位基础节点的性能进行解析，无线传感网络控制器根据电信运营商定位服务的通信终端的定位和轨迹计算，对所述定位基础接点的位置信息进行相应的计算、匹配及修正。
所述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台与无线传感网络的数据汇聚节点相连，无线传感网络控制器通过数据汇聚节点调整无线传感网络中传感节点的数据融合。
所述无线传感网络控制器根据无线传感网络的类型，向无线传感网络发出相应加密的根密钥，所述根密钥通过电信运营商的通信平台或M2M平台传递至无线传感网络的数据汇聚节点，所述根密钥由无线传感网络的数据汇聚节点经路由节点传递至无线传感网络相应的节点；所述无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台向无线传感网络控制器传递解密命令，由无线传感网络控制器对所述解密命令进行验证。
所述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台向无线传感网络的数据汇聚接点发送无线传感网络的节点运行程序，调整无线传感网络节点的运行参数。
本发明的优点：无线传感网络通过电信运营商的通信平台或M2M平台与无线传感网络控制器相连，解决了现有电信运营商的M2M终端数量有限、覆盖面不足，生产和运营成本较高、功耗高及行业能力受到限制的问题，无线传感网络控制器能够对无线传感网络进行相应的调整，从而优化实时调整及优化无线传感网络的运行参数和运行环境，提高了无线传感网络运行的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的功能框图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1～图2所示：所述无线传感网络包括数据汇聚节点；无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台连接到无线传感网络控制器，所述M2M平台为电信运营商自己建立的物联网平台；电信运营商的通信平台包括现有的GSM通信平台、3G（第三代移动通信）通信平台或互联网平台；无线传感网络与无线传感网络控制器相连，能够解决了M2M平台终端数量不足的问题，同时对无线传感网络的优化运行提供了保证。
在网络层次结构上，以电信运营商的通信平台及M2M平台作为核心网络，以无线传感网络作为核心网络的拓展。其中无线传感网络的节点功能种类包括数据汇聚节点、集中器节点、协调器节点、路由器节点、定位基础节点和普通传感节点功能等。
无线传感网络的数据汇聚节点采用通信终端的方式，包括电信运营商M2M终端的方式，接入电信运营商的通信网络或接入电信运营商的M2M平台。
无线传感网络的集中器节点，对应与无线传感网络中的星型网络中的集中器，或者树形结构中的簇头节点，起到集中周围的普通传感节点数据的作用。
无线传感网络的协调器节点，对应于无线传感网络的星型，树形或者网状结构中起到媒体接入层时序分配作用的节点。
无线传感网络的路由器节点，存有实时路由表，起到网络路由计算功能，并具有路由实时发现功能。
无线传感网络的定位基础节点，对应于在网络中依靠自身位置，并为其他节点提供定位作用的节点。
无线传感网络的普通传感节点，起到基本的信息感知作用。
无线传感网络中的每个实际节点都是上述功能的组合，并具有如下方面的特性，如下表所示。
标识 无线传感网络中节点ID号码
应用功能描述 表示节点的感知功能类型，包括：采集物理量类型，如温度、化学量等；工作周期，采样频率，以及存储数据大小等；信息是否紧急等。
通信频率 载波频率，如433MHz，470MHz，915MHz或2.45GHz
发射功率 射频发射的功率
带宽 传输带宽，如200Kbit/s；
实时性 包括：节点响应网络上传递信息的实时性，以及自身所发出信息对整个网络的实时性要求。
通信协议和标准 采用自定义的协议，或者是Zigbee，IEEE802.15.4等标准的组网通信协议，包括MAC层和物理层等下层协议；路由层协议；应用层协议。
网络拓扑信息以及和节点自身起到的作用 网络采用星型、树形或者网状结构，以及如上3中结构的组合；节点在某个区域内起到集中器、协调器、路由器、汇聚点或普通节点作用。
休眠模式和功耗、供电方式、剩余电量 包括：休眠和唤醒方式，功耗特征；采用外部供电，或者电池供电，以及自发电能量收集的方式和特性；剩余电量
安全措施 包括数据加密和完整性验证方式或身份认证方式
数据融合措施 数据转发，或者与来自别的节点的数据在本地节点进行融合计算，以及算法。
定位方式和位置信息 包括节点的定位方法，包括RSSI,TOD等定位；节点的位置；节点为网络中其他节点提供定位服务作用的情况。
在电信运营商的通信平台和M2M平台基础上，无线传感网络控制器构建在电信运营商的通信平台和M2M平台基础，能够对无线传感网络中的节点ID映射、无线传感网络拓扑管理、通讯性能管理、功耗和能量管理、安全性管理、无线传感网络节点定位和轨迹记录及数据融合处理。所述无线传感网络控制器为电脑服务器，能够对无线传感网络进行解析、干预和控制。
无线传感网络的数据汇聚节点收集无线传感网络内的路由器和协调器信息，得到无线传感网络内节点的ID标识、通信频率、带宽、实时性处理、通信协议和标准、网络拓扑信息以及和节点自身起到的作用、休眠模式和功耗、供电方式、剩余电量、安全措施、数据融合措施、定位方式和位置信息等相关的信息，并通过电信运营商的通信平台或M2M平台，传递至无线传感网络控制器内，由无线传感网络控制器对无线传感网络的性能进行数据的解析并完成映射。节点ID表示是无线传感网络中的编号，具有唯一性。
无线传感网络支持的拓扑包括星型、分簇网络（树形结构）和网状网络（Mesh结构）以及如上三种类型的组合。无线传感网络控制器得到无线传感网络节点性能的解析和映射后，根据网络的应用情况和服务要求，对局域网络的拓扑和传递路由进行干预和控制。无线传感网络控制器干预和控制的方法是发送相应的干预和控制命令，经电信运营商的通信平台或 M2M平台，发送至无线传感网络的数据汇聚节点；并由无线传感网络的数据汇聚节点经过无线传感网络的路由节点传递至无线传感网络中相应的节点；所述无线传感网络控制器的干预和控制命令能够对无线网络传感网络中的节点进行如下调整：
（1）、在无线传感网络的网络拓扑类型不变的条件下，调整无线传感网络中相应节点的功能，把节点配置成为路由节点，改变网络拓扑；
（2）、修改路由节点中优先的路由信息；
（3）、调整无线传感网络中节点的功能，把节点配置成为集中器或者协调器，以改变网络的拓扑类型。
无线传感网络节点通信性能管理的实现：无线传感网络控制器得到无线传感网络节点性能的解析和映射后，根据网络的应用情况和服务要求（如数据汇聚节点的工作强度，无线传感网络中相应节点的存在性），在一定范围内，对无线传感网络中节点的通信频率、发射功率、带宽和实时性处理进行干预和控制。干预的方法是无线传感网络控制器发布相应的控制命令，经电信运营商的通信平台或 M2M平台，发送至无线传感网络的数据汇聚节点，由所述数据汇聚节点经过路由节点传递至无线传感网络中相应的节点，从而对通信频率、发射功率、带宽和实时性响应等方面的行为进行调整，以适应无线传感网络的应用情况和服务要求。
无线传感网络功耗和能量管理的实现：无线传感网络控制器得到无线传感网络节点性能的解析和映射后，根据网络的应用情况和服务要求（如数据汇聚节点的工作强度，无线传感网络中相应节点的存在性），在一定范围内，对无线传感网络中节点工作模式进行调整，以节约功耗，使无线传感网络中的节点处于低功耗状态，增强系统整体可靠性和寿命。无线传感网络控制器发送相应的控制命令，经电信运营商的通信平台或 M2M平台，发送至无线传感网络的数据汇聚节点，由所述数据汇聚节点经过路由节点传递至相应的网络节点，对无线传感网络中的休眠模式、工作方式，以及功能类型作出调整。包括：
1）、改变自身的工作方式，如采样频率和数据计算要求；
2）、改变休眠模式和休眠周期；
3）、改变节点的发射功率，改变功耗；
4）、通过改变网络节点的功能类型，改变网络的拓扑结构；改变网络的功耗分布。
无线传感网络控制器对无线传感网络安全性管理的实现：无线传感网络安全性管理的实现，包括如下方面：
（a）、无线传感网络节点之间的认证过程；
（b）、无线传感网络节点与无线传感网络控制器之间的认证过程；
（c）、认证过程的改动；
（d）、加解密、消息摘要算法改变和密钥的下发。
其中，无线传感网络内相应节点的数据经过密钥和可选的加密方式进行加解密，数据经过摘要计算以保证完整性。密钥采用无线传感网络控制器分发、根据无线传感网络的节点ID分离的方式进行密钥分离。无线传感网络控制器的密钥下载和分发的过程包括：无线传感网络控制器根据应用的类型性质和级别，调整的根密钥，通过电信运营商网络平台或者M2M平台下发到无线传感网络中相应的数据汇聚节点，并由所述数据汇聚节点通过路由节点传递至整个网络或者某个节点，从而实现无线传感网络控制器与无线传感网络内节点间的安全认证。
无线传感网络内节点与无线传感网络控制器之间的认证过程，需要采用可选的认证模式，将无线传感网络节点和无线传感网络控制器分别产生的随机数，经过加密后形成数字签名，并经过无线传感网络的数据汇聚点和电信运营商的网络平台或M2M平台进行互相传递，并由无线传感网络控制器进行解密验证。无线传感网络节点与无线传感网络控制器之间、节点之间的具体认证过程、计算方法和密钥都可以由无线传感网络控制器，通过经过数据汇聚节点和电信运营商的网络平台或M2M平台进行下发，能够得到相应的安全认证过程，确保无线传感网络与无线传感网络控制器间数据通信的安全可靠。
无线传感网络节点定位管理的实现：无线传感网络节点定位，依托具有自身定位功能的定位基础节点作为定位基础进行。无线传感网络内定位基础节点包括位置明确的固定位置节点，采用全球定位系统的节点，采用电信运营商定位服务的通信终端（汇聚点）。定位基础节点为其他节点的定位提供参考基准。具体的，其他节点的定位方式包括采用基站功率定位（RSSI），传输时间差（TOD），以及基于加速度计和陀螺仪装置的定位。
无线传感网络控制器管理系统得到无线传感网络节点定位信息的解析和映射后，根据无线传感网络的应用情况和服务要求，结合通信终端（汇聚点）的定位和轨迹计算，对无线传感网络节点位置信息进行二次计算、匹配和修正，从而能够得到准确的定位信息。
节点数据融合处理行为的管理：述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台与无线传感网络的数据汇聚节点相连，无线传感网络控制器通过数据汇聚节点调整无线传感网络中传感节点的数据融合，以得到更精确的计算结果，并减少网络传递的数据量。数据融合计算的算法，可以由无线传感网络控制器，通过经过数据汇聚点和电信运营商的网络平台或M2M平台进行下发。
所述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台向无线传感网络的数据汇聚接点发送无线传感网络的节点运行程序，调整无线传感网络节点的运行参数，从而对无线传感网络中的节点运行进行升级。
如图1和图2所示：工作时，无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台连接到无线传感网络控制器；无线传感网络的节点性能通过电信运营商的通信平台或M2M平台映射到无线传感网络控制器内，由无线传感网络控制器进行解析和映射，无线传感网络控制器根据无线传感网络的应用情况和服务要求，进行相应的调整无线传感网络红相应节点的功能，实现了对舞溪传感网络中网络拓扑的管理、通讯性能管理、功耗和能量控制、安全性管理、无线传感器节点定位和轨迹记录及无线传感网络中数据融合与对无线传感网络中相应节点的成型升级。
无线传感网络通过电信运营商的通信平台或M2M平台与无线传感网络控制器相连，解决了现有电信运营商的M2M终端数量有限、覆盖面不足，生产和运营成本较高、功耗高及行业能力受到限制的问题，无线传感网络控制器能够对无线传感网络进行相应的调整，从而优化实时调整及优化无线传感网络的运行参数和运行环境，提高了无线传感网络运行的可靠性。

Claims (7)

1. 一种无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，包括无线传感网络，所述无线传感网络包括数据汇聚节点；其特征是：还包括无线传感网络控制器；无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台连接到无线传感网络控制器；
所述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台向无线传感网络发出干预和控制命令，调整无线传感网络的拓扑结构和传递路由；
所述无线传感网络控制器的干预和控制命令通过电信运营商的通信平台或M2M平台发送到无线传感网络的数据汇聚节点，由无线传感网络的数据汇聚接点经路由节点传递至相应的网络节点，调整所述相应网络节点的功能；
所述无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台映射到无线传感网络控制器上，由无线传感网络控制器对无线传感网络的节点性能进行解析。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，其特征是：所述无线传感网络的节点性能包括节点的ID标识、通信频率、带宽、实时性、通信协议和标准、网络拓扑信息与节点自身的作用、休眠模式和功耗、供电方式、剩余电量、安全措施、数据融合措施、定位方式和位置信息；所述无线传感网络控制器根据解析后得到无线传感网络的节点性能，调整无线传感网络中节点的通信频率、发射功率、带宽、实时性处理或调整无线传感网络中相应节点工作模式。
3.根据权利要求1所述的无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，其特征是：所述无线传感网络控制器的干预和控制命令将相应的网络节点配置成路由节点、集中器或协调器节点，调整无线传感网络的拓扑结构。
4.根据权利要求1所述的无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，其特征是：所述无线传感网络包括定位基础节点，所述定位基础节点的性能通过通信运营商的通信平台或M2M平台映射到无线传感网络控制器，无线传感网络控制器对所述定位基础节点的性能进行解析，无线传感网络控制器根据电信运营商定位服务的通信终端的定位和轨迹计算，对所述定位基础接点的位置信息进行相应的计算、匹配及修正。
5.根据权利要求1所述的无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，其特征是：所述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台与无线传感网络的数据汇聚节点相连，无线传感网络控制器通过数据汇聚节点调整无线传感网络中传感节点的数据融合。
6.根据权利要求1所述的无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，其特征是：所述无线传感网络控制器根据无线传感网络的类型，向无线传感网络发出相应加密的根密钥，所述根密钥通过电信运营商的通信平台或M2M平台传递至无线传感网络的数据汇聚节点，所述根密钥由无线传感网络的数据汇聚节点经路由节点传递至无线传感网络相应的节点；所述无线传感网络的数据汇聚节点通过电信运营商的通信平台或M2M平台向无线传感网络控制器传递解密命令，由无线传感网络控制器对所述解密命令进行验证。
7.根据权利要求1所述的无线传感网络与物联网平台结合的信息系统，其特征是：所述无线传感网络控制器通过电信运营商的通信平台或M2M平台向无线传感网络的数据汇聚接点发送无线传感网络的节点运行程序，调整无线传感网络节点的运行参数。
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