CN102196458A - 一种无线宽带传感器网络的组网方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息与通信技术领域。本发明提出了一种无线宽带传感网络的组网方法及装置。本发明的技术方案中，传感网关、传感器簇头、传感器节点通过WiFi点到点技术，连接并共同组成树型网络结构，用于传感网络数据通信。传感网关是这个树型网络结构的根节点，作为传感器网络和外部网络连接的接口；传感器簇头作为树型网络结构的中间节点，可以划分为多个级别；这个树型网络结构的叶子节点就是普通的传感器节点。采用本发明的方案，WiFi传感器节点可以在没有预先部署的全覆盖的WiFi网络情况下，通过快速的自组网方案，形成大规模的无线宽带传感网络，为各行业应用，在各种环境条件下提供实时的传感网络服务。

Description

一种无线宽带传感器网络的组网方法及装置

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，尤其涉及一种无线宽带传感器网络的组网方法和相关装置。

背景技术

近年来，世界各国分别围绕着传感器网络技术提出了“智慧地球”、“智慧中国”、“智慧城市”等等战略。传感器网络技术和应用将成为21世纪最有影响力的技术之一。

目前无线传感器网络最典型的通信方式是采用Zigbee技术。Zigbee技术可以满足低功耗传感器节点之间低带宽、近距离的通信需求。但是Zigbee技术并不适用于高带宽的传感信息传送。随着低功耗WiFi技术的成熟，WiFi已经可以被用于作为无线传感网络的通信技术。由于WiFi是一种高带宽的无线传输技术，并且比Zigbee技术在网络安全性等方面更加成熟，它可以解决基于Zigbee的无线传感网络所面临的低带宽、组网复杂、安全保障不足等等方面的问题。

如图1所示，在预先部署的WiFi网络覆盖范围内，WiFi传感器节点可以通过WiFi接入点和其他传感器节点或传感网关相连。但是如果没有预先部署的WiFi网络覆盖，WiFi传感器节点则无法和其他传感节点或者传感网关相通信。由于传感器网络常常工作于各种恶劣和不确定的环境下，在很多环境下不可能预先部署全覆盖的WiFi网络，在这种情况下如何使用WiFi传感器来建立无线宽带传感器网络，提供满足各种需要的环境和信息监测则是一个待解决的问题。

发明内容

本发明提出了一种WiFi传感器自组网方法，从而可以在没有预先建立的WiFi网络覆盖的情况下，实现自组织的WiFi传感器网络，服务于各类应用。

根据本发明的第一方面，提供了一种WiFi传感器自组网的系统结构。其中，关键节点设备包括：传感网关、传感器簇头、传感器节点。这三类传感网络设备共同组成一个树型网络结构。其中，传感网关是这个树型网络结构的根节点。传感器簇头是这个树型网络结构的中间节点，可以划分为多个级别。传感网关作为传感器网络和外部网络连接的接口，对内通过WiFi点到点技术和第一级别的传感器簇头相连，对外通过以太网接口或其他任何有线或无线接入技术和外部网络连接。传感器簇头可以分为多个级别，第一级别的传感器簇头和传感网关直接相连，第n级别的传感器簇头向下和第n+1级别传感器簇头连接，向上和第n-1级别的传感器簇头相连。这个树型网络结构的叶子节点就是普通的传感器节点。

根据本发明的第二方面，提供了一种传感器簇头中的通信连接装置，其中，包括：第一获取装置，用于获取来自WiFi链路的数据包；第一发送装置，用于通过WiFi链路发送数据包到相邻的其他传感器簇头，传感器节点或者传感网关；通信处理装置，用于建立和下层传感器簇头或者传感器之间的点到点通信组，以及建立到上层传感器簇头或者传感网关所控制的点到点通信组的连接。所支持的功能包括：服务广播、服务发现、连接建立等功能。节点管理装置，用于进行传感器簇头节点的配置和管理。

根据本发明的第三方面，提供了一种传感器节点中的通信连接装置，其中，包括：第二获取装置，用于获取来自WiFi链路的数据包；第二发送装置，用于通过WiFi链路发送数据包到相邻的传感器簇头或者传感网关；通信处理装置，用于发现和加入上层传感器簇头或传感网关所控制的点到点通信组；节点管理装置，用于进行传感器节点的配置和管理。

根据本发明的第四方面，提供了一个传感器网关中的通信连接装置，其中，包括：第三获取装置，用于获取来自WiFi链路的数据包；第三发送装置，用于发送数据包到相邻的其他传感器簇头或者传感器节点；通信处理装置，用于建立和下层传感器簇头或者传感器节点通信的点到点通信组，所支持的功能包括：服务广播、服务发现、连接建立等功能；网关管理装置，用于进行传感器网络通信连接的配置和管理。

根据本发明的第五方面，提供了一种无线宽带传感器网络的通信连接建立方法。其中，包括以下步骤：a)传感器网络配置，如：配置传感器网络内具有较强处理能力的传感器设备为簇头，并设置簇头级别；b)传感器网络拓扑建立；c)传感器网络通信。

采用本发明的方案，WiFi传感器节点可以在没有预先部署的全覆盖的WiFi网络情况下，通过快速的自组网方案，形成大规模的无线宽带传感网络，为各行业应用，在各种环境条件下提供实时的传感网络服务。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了当前WiFi传感器使用环境示意图；

图2示出了根据本发明的一个具体实施例的WiFi传感器自组织网络的拓扑示意图；

图3示出了根据本发明的一个具体实施例的传感器簇头中的通信连接装置示意图；

图4示出了根据本发明的一个具体实施例的传感器节点中的通信连接装置示意图；

图5示出了根据本发明的一个具体实施例的传感器网关的通信连接装置示意图；

图6示出了根据本发明的一个具体实施例的无线宽带传感器网络的通信连接建立的流程图；

图7示出了根据本发明的一个具体实施例的无线宽带传感器网络拓扑建立的流程图。

其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的步骤特征或装置/模块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。

图2示出了根据本发明的一个具体实施例的WiFi无线宽带传感器网络拓扑结构。

如图2所示，包含有本发明的一个具体实施例的通信连接装置的传感器网关位于这个树型网络拓扑的根部。传感器网关向下和第一级别传感器簇头相连，形成点到点通信组；向上可以通过各种有线或无线的网络连接技术和电信网络或其他局域网络相连。

包含有本发明的一个具体实施例的通信连接装置的传感器簇头分为多层，位于这个树型拓扑的根部和叶子节点之间，是这个树型拓扑的中间组织节点。WiFi点到点技术可以实现支持相关协议的WiFi设备之间的直接通信，但是与每个节点直接相连的通信节点数是有限的；此外，尽管WiFi的传输距离大于Zigbee技术，但WiFi仍然是一种短距离传输技术。所以，针对一个部署范围较大或传感器节点数量较多的传感器网络，通过一个WiFi节点设备来连接所有传感器节点是不现实的。传感器簇头，根据它们的处理能力、部署位置等因素会被预先配置簇头级别，这些簇头被用来逐级组织传感器节点成为一个树型网络通信结构。每个簇头会根据预先配置的节点最大连接数量连接有限个传感器节点或者更低级别的簇头，并为所述传感器节点和更低级别的簇头提供和上层网络之间的通信传输能力。

图2中所示的第一级传感器簇头L11、L12和传感网关直接相连。第二级传感器簇头L22和L23与上一级簇头L11相连；L24和L25与上一级簇头L12相连。而传感器节点N3至N10则和第二层传感器簇头相连。具有多余连接接口的传感器网关和高层传感器簇头也可以直接和传感器节点相连，如：传感器N1直接和传感网关相连，传感器N2直接和第一层传感器簇头L11相连。

以下，参照装置框图3并结合图2对本发明的第二方面进行说明，其中，上文中对第一方面的说明在此作为参考。以图2所示传感器簇头为例，传感器簇头配置有图3所示的通信连接装置10。所述通信连接装置10包括：第一获取装置101，通信处理装置102，节点管理装置103，第一发送装置104。其中：

第一获取装置101用于接收来自WiFi链路的数据包。第一获取装置将收到的控制信息传递给通信处理装置处理。

通信处理装置102用于建立和下层传感器簇头或者传感器之间的点到点通信组，所支持的功能包括：服务广播、服务发现、连接建立、流量转发等功能。通信处理装置102根据WiFi点到点协议的定义，生成服务广播包，并在所述服务广播包内携带服务的标识ID和本传感器簇头的级别。服务的标识ID内包括本传感器网络的标识ID，用以向下层节点标识本服务所在的传感器网络。服务广播包通过第一发送装置104发送到WiFi链路上。相邻的级别低于所述传感器簇头的其他传感器簇头或者传感器节点在接收到相应的服务广播包后，会判断是否要加入该簇头所控制的点到点通信组，如果要加入，则会发送连接建立请求给所述簇头。所述簇头在收到连接建立请求后会根据请求消息内携带的下层节点信息和本簇头设备所配置的通信组建立参数，来判断是否允许所述下层节点的加入申请，如果允许，则返回连接建立成功消息，否则返回连接建立失败消息。

通信处理装置102也用于建立到上层传感器簇头或者传感网关所控制的点到点通信组的连接，所支持的功能包括：接收服务广播、服务发现、连接建立等功能。通信处理装置102接收来自其他传感器簇头或者传感网关的服务广播消息。通信处理装置102可能会收到来自不同节点的一到多个服务广播消息，然后根据所收到消息内的传感网络标识ID和簇头级别标识，以及本传感设备所配置的簇头级别，来选择上一级簇头，并应答相应簇头或者传感网关发送的服务广播消息，申请建立到该簇头或者传感网关所控制的点到点通信组的连接。如果上级簇头或者传感网关返回连接建立成功消息，则本簇头成为上级簇头或者传感网关的下一级节点，否则再在收到服务广播消息的其他簇头中选择上级簇头，请求建立连接。

当被配置为簇头的传感器设备启动时，它通过WiFi接口对外发送服务广播消息，消息中携带该簇头的级别信息；当第n级传感器簇头接收到n-1级别的传感器簇头的服务广播消息时，如果所述第n级传感器簇头尚未和其他第n-1级别的传感器簇头建立连接，则它向所述n-1级别的传感器簇头请求建立连接。

通信处理装置102也用于在上层网络和下层网络之间转发通信流量。如果通信处理装置102接收到来自下层传感器簇头或者传感器节点的数据流量，其目标地址不是本传感器簇头，则通信处理装置102将该流量通过第一发送装置104发送到上层传感器簇头或者传感网关。如果通信处理装置102接收到来自上层传感器簇头或者传感网关的数据流量，其目标地址不是本传感器簇头，则通信处理装置102将该流量通过第一发送装置104发送到下层传感器簇头或者传感器节点。

节点管理装置103用于进行传感器簇头节点的配置和管理。如：传感器簇头的级别、传感网络标识ID、下层最大可连接的节点数量、是否可以直接连接传感器节点等等参数的配置和管理。通信处理装置102根据节点管理装置103所配置的参数信息，生成服务广播消息，同时根据节点管理装置103所配置的参数信息，判断是否允许某些下级节点建立到本簇头所控制的点到点通信组的连接。

第一发送装置104，用于通过WiFi链路发送数据包到相邻的其他传感器簇头或者普通传感器节点。

以下，参照装置框图4并结合图2对本发明的第三方面进行说明，其中，上文中对第一、二方面的说明在此作为参考。以图2所示传感器节点为例，传感器节点配置有图4所示的通信连接装置20。所述通信连接装置20包括：第二获取装置201、通信处理装置202、节点管理装置203、第二发送装置204。其中：

第二获取装置201用于接收来自WiFi链路的数据包。第二获取装置将收到的控制信息传递给通信处理装置处理。

通信处理装置202用于建立到上层传感器簇头或者传感网关所控制的点到点通信组的连接，所支持的功能包括：接收服务广播、服务发现、连接建立等功能。通信处理装置202接收来自其他传感器簇头或者传感网关的服务广播消息。通信处理装置202可能会收到来自不同节点的一到多个服务广播消息，然后根据所收到消息内的传感网络标识ID和簇头级别标识，来选择要加入的点到点通信组，并应答相应簇头或传感网关发送的服务广播消息，申请建立到该簇头所控制的点到点通信组的连接。如果上级簇头或者传感网关返回连接建立成功消息，则本传感器成为上级簇头或者传感网关的下一级节点，否则再在收到服务广播消息的其它簇头中选择上级簇头，请求建立连接。

节点管理装置203用于进行传感器节点的配置和管理。如：传感网络标识ID、传感节点标识ID等等参数的配置和管理。

第二发送装置204，用于通过WiFi链路发送数据包到相邻的其他传感器簇头。

以下，参照装置框图5并结合图2对本发明的第四方面进行说明，其中，上文中对第一、二、三方面的说明在此作为参考。以图2所示传感网关为例，传感网关配置有图5所示的通信连接装置30。所述通信连接装置30包括：第三获取装置301、通信处理装置302、网关管理装置303、第三发送装置304。

第三获取装置301用于接收来自WiFi链路的数据包。第三获取装置将收到的信息传递给通信处理装置处理。

通信处理装置302用于建立和下层传感器簇头或者传感器节点之间的点到点通信组，所支持的功能包括：服务广播、服务发现、连接建立等功能。通信处理装置302根据WiFi点到点协议的定义，生成服务广播包，并在所述服务广播包内携带服务的标识ID和本传感网关的标识信息。服务的标识ID内包括本传感器网络的标识ID，用以向下层节点标识本服务所在的传感器网络。服务广播包通过第三发送装置304发送到WiFi链路上。相邻的传感器簇头或者传感器节点在接收到相应的服务广播包后，会判断是否要加入该传感网关所控制的点到点通信组，如果要加入，则会发送连接建立请求给所述传感网关。所述传感网关在收到连接建立请求后会根据请求消息内携带的下层节点信息和本传感网关设备所配置的通信组建立参数，来判断是否允许所述下层节点的加入申请，如果允许，则返回连接建立成功消息，否则返回连接建立失败消息。

网关管理装置303用于进行传感器网络通信连接的配置和管理。如：传感网关标识ID、传感网络标识ID、下层最大可连接的节点数量、是否可以直接连接传感器节点等等参数的配置和管理。通信处理装置302根据网关管理装置303所配置的参数信息，生成服务广播消息，同时根据网关管理装置303所配置的参数信息，判断是否允许某些下级节点建立到本传感网关所控制的点到点通信组的连接。

第三发送装置304用于发送数据包到相邻的其他传感器簇头或者传感器节点。

根据本发明实施例，还提供了一种无线宽带传感器网络的通信连接建立方法，其可以使用上述的系统结构和装置。

下面根据图6并结合图2来介绍该方法。该方法包括以下处理：步骤S10，传感器网络各种类型节点设备的参数配置。如：配置传感器网络内具有较强处理能力的传感器设备为簇头，并设置簇头级别；步骤S11，传感器网络拓扑结构生成；步骤S12，传感器网络内根据网络拓扑结构进行数据通信。

下面根据图7并结合图2来介绍传感器网络拓扑结构建立方法。该方法包括以下步骤：

步骤S20，传感网关启动，并建立以传感网关为中心的点到点通信组；

步骤S21，加入到传感网关控制的点到点通信组的第一级别传感器簇头启动通信组建立流程，建立以该传感器簇头为中心的点到点通信组；

步骤S22，下一级别传感器簇头采用相同的方法，来组建以该传感器簇头为中心的点到点通信组。

由于节点的移动等各种原因，传感器网络拓扑结构建立后也会经常发生变化，如：一个传感器节点或传感器簇头移出上级传感器簇头或传感网关的通信范围，当所述传感器节点或传感器簇头接收不到上级传感器簇头周期发送的服务广播消息后，即会从其他收到服务广播消息的簇头中选择一个来建立通信连接，更换上级节点。而当一个传感器簇头或传感网关无法接收到它的点到点通信组的某个下级节点对服务广播消息的应答后，则会认为该节点不在连接状态，将从它所控制的点到点通信组中移除所述下级节点。

上述设备实施例中描述的多个细节同样适用于该方法实施例，因此，省略了对相同或相似部分的重复描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改，等同替换，改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无线宽带传感器网络的组网方法，其特征在于：

a.传感网关、传感器簇头、传感器节点通过WiFi点到点技术，连接并共同组成树型网络结构，用于传感网络数据通信；

b.传感器簇头作为树型网络结构的中间节点，可以划分为多个级别，第一级别的传感器簇头和传感器网关直接相连，第n级别的传感器簇头向下和第n+1级别传感器簇头连接，向上和第n-1级别的传感器簇头相连，所有节点之间的通信连接采用WiFi点到点技术；

c.传感网关是这个树型网络结构的根节点，作为传感器网络和外部网络连接的接口，对内通过WiFi点到点技术和第一级别的传感器簇头相连，对外通过以太网接口或其他任何有线或无线接入技术和外部网络连接；

d.这个树型网络结构的叶子节点就是普通的传感器节点，传感器节点向上和传感器簇头或者传感网关通过WiFi点对点技术相连。

2.根据权利要求1所述的无线宽带传感器网络的通信连接建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

a.为传感器网络内各种类型节点设备进行参数配置，如：配置传感器网络内具有较强处理能力的传感器设备为簇头，并设置簇头级别，配置传感网关和传感器节点的各种参数，等等。

3.根据权利要求2所述的无线宽带传感器网络的通信连接建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

b.传感器网络拓扑结构生成。

4.根据权利要求2-3所述的无线宽带传感器网络的通信连接建立方法，所述步骤b包括：

b1.传感网关启动，根据WiFi点到点协议标准建立以传感网关为中心的点到点通信组；

b2.加入到传感网关控制的点到点通信组的第一级别传感器簇头启动通信组建立流程，根据WiFi点对点协议标准建立以该传感器簇头为中心的点到点通信组；

b3.下一级别传感器簇头采用相同的方法，根据WiFi点对点协议标准来组建以该传感器簇头为中心的点到点通信组。

5.根据权利要求2-4所述的无线宽带传感器网络的通信连接建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

c.传感器网络内根据网络拓扑结构进行上下行数据通信；

作为传感器网络的树型拓扑结构的中间节点的传感器簇头，负责在上层节点和下层节点之间转发数据信息。

6.根据权利要求2-5所述的无线宽带传感器网络的通信连接建立方法，其特征在于，包括以下步骤：

d.传感器网络拓扑结构维护。

7.根据权利要求2-6所述的无线宽带传感器网络的通信连接建立方法，所述步骤d包括：

d1.一个传感器节点或传感器簇头移出上级传感器簇头或传感网关的通信范围时，即当所述传感器节点或传感器簇头接收不到上级传感器簇头周期发送的服务广播消息后，即会从其他收到服务广播消息的簇头中选择一个来建立通信连接，更换上级节点；

d2.当一个传感器簇头或传感网关无法接收到它的点到点通信组的某个下级节点对服务广播消息的应答后，则会认为该节点不在连接状态，将从它所控制的点到点通信组中移除所述下级节点。

8.一种传感器簇头中的通信连接装置，其中，包括：

第一获取装置，用于获取来自WiFi链路的数据包；

第一发送装置，用于通过WiFi链路发送数据包到相邻的其他传感器簇头，传感器节点或者传感网关；

通信处理装置，用于建立和下层传感器簇头或者传感器之间的点到点通信组，以及建立到上层传感器簇头或者传感网关所控制的点到点通信组的连接，并负责在上下级节点之间进行数据包转发。

节点管理装置，用于进行传感器簇头节点的配置和管理。

9.一种传感器节点中的通信连接装置，其中，包括：

第一获取装置，用于获取来自WiFi链路的数据包；

第一发送装置，用于通过WiFi链路发送数据包到相邻的传感器簇头；

通信处理装置，用于发现和加入上层传感器簇头或传感网关所控制的点到点通信组；

节点管理装置，用于进行传感器节点的配置和管理。

10.一种传感网关中的传感网通信连接装置，其中，包括：

第一获取装置，用于获取来自WiFi链路的数据包；

第一发送装置，用于发送数据包到相邻的传感器簇头或者传感器节点；

通信处理装置，用于建立和下层传感器簇头或者传感器节点通信的点到点通信组；

网关管理装置，用于进行传感器网络通信连接的配置和管理。

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