CN102196600B - 一种轻量级无线传感网关装置及组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及信息与通信技术领域，具体涉及一种轻量级无线传感网关装置及组网方法。为了降低无线传感网关设计的复杂性和实现成本，从而进一步降低无线传感网络的组网成本，本发明提出了基于集中式无线传感网络思想的一种新型的轻量级传感网关装置及其组网方法。本发明的技术方案中，轻量级传感网关仅负责在无线传感网络和外部通信网络之间提供传输通道，并实现数据包在无线传感网络所要求的帧格式和外部通信网络所要求的帧格式之间的转换。传感网关控制器控制大量轻量级传感网关，并作为传感网络和外部传感网应用服务器之间的唯一接口，负责控制连接在其所控制的轻量级传感网关下的所有传感器。

Description

一种轻量级无线传感网关装置及组网方法

技术领域

本发明涉及信息与通信技术领域，尤其涉及一种无线传感网的接入网关装置及其组网方法。

背景技术

无线传感网络在农业、军事、民用等各方面都具有广阔的应用前景。然而，在实际应用中的无线传感网络并不能以一个独立的通信网络形式存在。网络中检测的数据需要发送到上层应用服务器进行分析、处理，同时上层应用服务器也需要将相关命令下发到无线传感网络中的传感节点。这需要无线传感网络实现与不同类型网络间的互联。

在无线传感网络中，网关担当网络间的协议转换器、不同网络类型的网络路由器、网络数据汇聚、存储处理等重要角色，成为网络间连接的不可缺少的纽带。

一个小规模的无线传感网络应用可以只部署一个传感网关。而对于覆盖范围比较大的无线传感网络应用而言，一个传感网关无法满足大规模的网络覆盖要求。为了能够实现大规模无线传感网络的部署，如图1所示，一种集中式无线传感网络思想被提出来。一个传感网关控制器设备被用来控制无线传感网络内的所有传感网关设备(或称为无线传感接入点)，从而实现对大规模无线传感网络的集中控制管理和数据流量汇聚、转发。

由于传感网关需要实现网络管理、应用支持、网络互联互通、协议转换等多种功能，无线传感网关的设计比较复杂、成本比较高。以支持IEEE802.15.4/Zigbee传感网的传感网关为例，目前的无线传感网关包含全面的IEEE802.15.4物理层和MAC层、Zigbee网络和应用层、Zigbee对象管理、外部网络接入层、网关应用层等功能。

发明内容

为了降低无线传感网关设计的复杂性和实现成本，从而进一步降低无线传感网络的组网成本，本发明提出了基于集中式无线传感网络思想的一种新型的轻量级传感网关装置及其组网方法。

根据本发明的第一方面，提供了一种轻量级传感网关装置。其中，包括：传感网络接口物理层，用于实现和传感器节点之间的无线通信的物理层功能；传感网络接口MAC层，用于实现和传感器节点之间的无线通信的MAC层功能；外部网络接入层，用于实现和外部通信网络(如：电信网络、局域以太网、等等)的通信接口；通信转换层，负责实现传感器网络帧格式和外部通信网络帧格式之间的转换。

轻量级传感网关仅负责在无线传感网络(如：802.15.4网络)和外部通信网络之间提供一个传输通道，并实现数据包在无线传感网络所要求的帧格式(如：802.15.4格式)和外部通信网络所要求的帧格式(如：以太网帧格式)之间的转换。其他的各种传感网络控制和数据处理功能均交由传感网关控制器来实现。

根据本发明的第二方面，提供了一种传感网关控制器的控制装置。其中，包括：无线传感网络协议模块，用于实现无线传感网络所使用的专用协议的网络层、应用层、对象管理等功能。如：对于Zigbee无线传感网络而言，无线传感网络协议层需要实现Zigbee网络层、Zigbee应用层、Zigbee对象管理等功能。网关应用模块，用于实现和传感网络各种应用服务的接口，传感网应用服务器通过网关应用模块和传感网络接口。无线传感网关控制协议模块，用于实现轻量级传感网关装置和传感网关控制器之间的控制协议，并建立传输通道，在两者之间进行数据流转发。传感网络中间件模块，用于实现任务调度、传感器接入控制、数据过滤和聚合等传感网络控制和数据处理功能。第一获取装置，用于获取来自轻量级传感网关的数据流和控制流信息。第一发送装置，用于发送数据流和控制流到轻量级传感网关。第二获取装置，用于获取来自外部网络侧的数据流。第二发送装置，用于向外部网络侧发送数据流。

传感网关控制器对无线传感网络内的轻量级传感网关集中控制，对传感网络流量进行桥接、转发和加密，以增强大规模无线传感网络的可管理性。

根据本发明的第三方面，提供了一种基于新型的轻量级传感网关装置的集中式无线传感网络组网方法。包含有本发明的一个具体实施例的轻量级传感网关和包含有本发明的一个具体实施例的传感网关控制器之间通过二层或者三层网络连接，一个传感网关控制器可以控制大量轻量级传感网关，可以控制的轻量级传感网关的最大数量取决于传感网关控制器的处理性能和网络接口带宽。传感网关控制器作为传感网络和外部传感网应用服务器之间的唯一接口，负责控制连接在其所控制的轻量级传感网关下的所有传感器。

根据本发明的第四方面，提供了一种轻量级传感网关装置的启动流程。其中，包括以下步骤：a)传感网关控制器发现；b)传感网关控制器连接。

根据本发明的第五方面，提供了一种基于轻量级传感网关装置的数据流传输流程。步骤如下：a)传感器发送采集到的数据信息给轻量级传感网关；b)轻量级传感网关的通信转换层对接收到的数据包进行帧格式转换，转换为外部通信网络所使用的帧格式；c)轻量级传感网关把完成帧格式转换的数据帧发送到传感网关控制器；d)传感网关控制器对收到的数据包进行协议转换和数据处理；e)对于需要进一步发送给传感网应用服务器的数据流，传感网关控制器将转换为IP包的数据流发送给传感网应用服务器。f)传感网关控制器接收来自传感网应用服务器的数据流，且目标接收者为传感器；g)传感网关控制器对收到的数据流进行数据处理和协议转换；h)传感网关控制器发送完成协议转换的数据包到轻量级传感网关；i)轻量级传感网关对收到的数据流进行帧格式转换；j)轻量级传感网关把帧格式转换后的数据帧发送给目标传感器。

采用本发明的方案，可以利用传感网关控制器和轻量级传感网关装置来组织大规模无线传感网，并实现对该无线传感网络的集中控制和管理。

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示出了集中式无线传感网络体系结构示意图；

图2示出了根据本发明的一个具体实施例的轻量级传感网关装置示意图；

图3示出了根据本发明的一个具体实施例的传感网关控制器的控制装置示意图；

图4示出了根据本发明的一个具体实施例的基于轻量级传感网关装置的集中式无线传感网络示意图；

图5示出了根据本发明的一个具体实施例的轻量级传感网关启动流程图；

图6示出了根据本发明的一个具体实施例的集中式无线传感网络的数据流传输处理流程图。

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。

如图1所示，包含有本发明的具体实施例的传感网关控制器装置可以通过三种连接方式和包含有本发明的一个具体实施例的轻量级传感网关装置相连接。(1)直接相连：即传感网关控制器装置和轻量级传感网关装置通过以太网网线直接连接，连接链路中间不存在交换机或者路由器设备。(2)二层交换：即传感网关控制器装置和轻量级传感网关装置位于同一个二层网络内，两者间通过二层交换机相连接。(3)三层路由连接：即传感网关控制器装置和轻量级传感网关装置之间可以通过任何IP网络连接。

图2示出了根据本发明的一个具体实施例的轻量级传感网关装置的示意图，主要包括：传感网络接口物理层101、传感网络接口MAC层102、通信转换层103、外部网络接入层104。其中：

传感网络接口物理层101用于实现和传感器节点之间的通信物理层功能，如：IEEE802.15.4物理层、IEEE802.11a/b/g/n物理层、等等。

传感网络接口MAC层102用于实现和传感器节点之间的无线通信的MAC层功能，如：IEEE802.15.4MAC层、IEEE802.11a/b/g/nMAC层、等等。

通信转换层103负责实现传感器网络帧格式和外部通信网络帧格式之间的转换。如果传感器网络是基于IEEE802.15.4通信方式，而轻量级传感网关的网络侧接口为以太网方式，则通信转换层103负责实现IEEE802.15.4数据帧和以太网数据帧之间的转换。

外部网络接入层104用于实现和外部通信网络(如：电信网络，局域以太网络，等等)的通信接口。它是轻量级传感网关的网络侧接口，负责在轻量级传感网关和传感网关控制器之间传送数据流。

图3示出了根据本发明的一个具体实施例的传感网关控制器的控制装置示意图，它主要包括：无线传感网络协议模块201、无线传感网关控制协议模块202、网关应用模块203、传感网络中间件模块204、第一获取装置205、第一发送装置206、第二获取装置207、第二发送装置208。

无线传感网络协议模块201，用于实现无线传感网络所使用的专用协议的网络层、应用层、对象管理层等功能。如：对于Zigbee无线传感网络而言，无线传感网络协议层就要实现Zigbee网络层、Zigbee应用层、Zigbee设备对象管理、Zigbee应用对象管理等功能。对于WiFi无线传感网络而言，无线传感网络协议层就要实现WiFi网络层、WiFi应用层、WiFi设备对象管理、WiFi应用对象管理等功能。

无线传感网关控制协议模块202，用于实现轻量级传感网关和传感网关控制器之间的控制协议，并建立传输通道，在两者之间进行数据流传输。

网关应用模块203，用于为传感网络各种应用服务提供接口。

传感网络中间件模块204，用于实现任务调度、传感器接入控制、数据过滤和聚合等传感网络控制和数据处理功能。

第一获取装置205，用于获取来自轻量级传感网关的数据流。

第一发送装置206，用于向轻量级传感网关发送数据流。

第二获取装置207，用于获取来自外部网络侧的数据流，如：接收来自传感网应用服务器的数据流。

第二发送装置208，用于向外部网络侧发送数据流，如：向传感网应用服务器发送数据流。

无线传感网络的大部分管理功能在传感网关控制器装置上实现。传感网关控制器对无线传感网络内的轻量级传感网关实行统一控制，对传感网络流量集中进行桥接、转发和加密，以增强大规模无线传感网络的可管理性。

图4示出了根据本发明的一个具体实施例的基于轻量级传感网关装置的集中式无线传感网络示意图。

轻量级传感网关和传感网关控制器之间通过二层或者三层网络连接，一个传感网关控制器可以控制大量轻量级传感网关，可以控制的轻量级传感网关的最大数量取决于传感网关控制器的处理性能和网络接口带宽。传感网关控制器作为传感网络和外部传感网应用服务器之间的唯一接口，负责控制连接在其所控制的轻量级传感网关下的所有传感器。

根据本发明实施例，还提供了一种轻量级传感网关的启动流程，下面根据图5来介绍该流程。其中，包括以下步骤：

步骤S10，传感网关控制器发现。轻量级传感网关可以通过配置在非易失存储器内的传感网关控制器的IP地址列表来取得传感网关控制器地址，也可以通过DHCP或DNS方式获取传感网关控制器的IP地址。

步骤S11，传感网关控制器连接。轻量级传感网关根据步骤S10获取的传感网关控制器的IP地址列表，向各传感网关控制器发送连接请求；收到连接请求的传感网关控制器返回应答消息给轻量级传感网关；轻量级传感网关在接收到应答消息的传感网关控制器中，选择一个作为其传感网关控制器。

根据本发明实施例，还提供了一种基于轻量级传感网关装置的数据流传输流程，下面根据图6并结合图4来介绍该流程。其中，包括以下步骤：

步骤S10，传感器1将采集到的数据信息发送给轻量级传感网关1。

步骤S11，轻量级传感网关1的通信转换层对收到的数据流进行帧格式转换，将之转换为符合外部通信网络要求的帧格式，如：传感网络使用802.15.4通信方式，外部通信网络为以太网，则在步骤S11中会将数据帧由802.15.4帧格式转换为以太网帧格式，并用传感网关控制器的地址作为该以太网帧的目标地址。

步骤S12，轻量级传感网关把完成帧格式转换的数据帧发送给传感网关控制器。

步骤S13，传感网关控制器的无线传感网络协议模块和传感网络中间件模块分别对收到的数据包进行协议转换和数据处理。如果传感网络使用Zigbee协议，则无线传感网络协议模块在本步骤内负责实现数据包从Zigbee协议到IP协议的转换。传感网络中间件模块按照预定义的规则对收到的数据包进行数据过滤和数据聚合。如果收到的数据包为传感器网络控制包，则传感网关控制器的的无线传感网络协议模块对收到的数据包进行处理，以维护底层自组织的无线传感网络拓扑。

步骤S14，对于需要进一步发送给传感网应用服务器的数据流，传感网关控制器将转换为IP包的数据流发送给传感网应用服务器。

步骤S15，传感网关控制器接收到来自传感网应用服务器的数据流，且目标接收者为传感器1。

步骤S16，传感网关控制器对收到的数据流进行预定义的数据处理和协议转换。传感网关控制器的传感网络中间件模块对收到的数据流进行处理。如：根据要求，生成对传感器的查询或者控制命令，并将新生成的命令帧转交给传感网关控制器的的无线传感网络协议模块。无线传感网络协议模块负责实现协议转换。如果传感网络使用Zigbee协议，则无线传感网络协议模块在本步骤内负责实现数据包从IP协议到Zigbee协议的转换，将该数据包转换为Zigbee协议格式。

步骤S17，传感网关控制器发送完成协议转换的数据包到轻量级传感网关。

步骤S18，轻量级传感网关对收到的数据流进行帧格式转换，转换为无线传感网络的帧格式。

步骤S19，轻量级传感网关把完成格式的数据帧发送给传感器1。

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 (5)

1.一种传感网关控制器的控制装置，其中，包括：

无线传感网络协议模块，用于实现无线传感网络所使用的专用协议的网络层、应用层、对象管理功能；

无线传感网关控制协议模块，用于实现轻量级传感网关和传感网关控制器之间的控制协议，并建立传输通道，在两者之间进行数据流传输；

网关应用模块，用于实现和传感网络各种应用服务程序之间的接口；

传感网络中间件模块，用于实现传感网络管理和数据处理功能，包括任务调度、传感器接入控制、数据过滤和数据聚合；

第一获取装置，用于获取来自轻量级传感网关的数据流；

第一发送装置，用于向轻量级传感网关发送数据流；

第二获取装置，用于获取来自外部通信网络侧的数据流；

第二发送装置，用于向外部通信网络侧发送数据流；

所述轻量级传感网关负责在无线传感网络和外部通信网络之间提供传输通道，并实现数据包在无线传感网络所要求的帧格式和外部通信网络所要求的帧格式之间的转换，其中，包括：

传感网络接口物理层模块，用于实现和传感器节点之间的通信物理层功能；

传感网络接口MAC层模块，用于实现和传感器节点之间的无线通信的MAC层功能；

通信转换层模块，用于实现传感器网络帧格式和外部通信网络帧格式之间的转换；

外部网络接入层模块，用于实现和外部通信网络的通信接口。

2.一种基于新型的轻量级传感网关的集中式无线传感网络组网方法，其特征在于：

a)轻量级传感网关和如权利要求1所述的传感网关控制器之间通过二层或者三层网络连接；

b)一个传感网关控制器用于控制大量轻量级传感网关，控制的轻量级传感网关的最大数量取决于传感网关控制器的处理性能和网络接口带宽；

c)传感网关控制器作为传感网络和外部传感网应用程序之间的唯一接口，负责集中控制连接在其所控制的轻量级传感网关下的所有传感器节点，并集中实现传感网络数据流量的桥接、转发功能；

所述轻量级传感网关负责在无线传感网络和外部通信网络之间提供传输通道，并实现数据包在无线传感网络所要求的帧格式和外部通信网络所要求的帧格式之间的转换，其中，包括：

传感网络接口物理层模块，用于实现和传感器节点之间的通信物理层功能；

传感网络接口MAC层模块，用于实现和传感器节点之间的无线通信的MAC层功能；

通信转换层模块，用于实现传感器网络帧格式和外部通信网络帧格式之间的转换；

外部网络接入层模块，用于实现和外部通信网络的通信接口。

3.根据权利要求2所述的集中式无线传感网络组网方法，轻量级传感网关的启动流程的特征在于，包括以下步骤：

a)传感网关控制器发现；

b)传感网关控制器连接。

4.根据权利要求2或3所述的集中式无线传感网络组网方法，轻量级传感网关的数据流传输流程的特征在于：

a)传感器节点发送采集到的数据信息给轻量级传感网关；

b)轻量级传感网关的通信转换层对接收到的数据包进行帧格式转换，转换为外部通信网络所使用的帧格式；

c)轻量级传感网关把完成帧格式转换的数据帧发送到传感网关控制器；

d)传感网关控制器对收到的数据包进行协议转换和数据处理；

e)对于需要进一步发送给传感网应用服务器的数据流，传感网关控制器将转换为IP包的数据流发送给传感网应用服务器；

f)传感网关控制器接收来自传感网应用服务器的数据流，且目标接收者为传感器节点；

g)传感网关控制器对收到的数据流进行数据处理和协议转换；

h)传感网关控制器发送完成协议转换的数据包到轻量级传感网关；

i)轻量级传感网关对收到的数据流进行帧格式转换；

j)轻量级传感网关把帧格式转换后的数据帧发送给目标传感器节点。

5.一种在通信网络中的传感网关控制器设备，包括根据权利要求1所述的控制装置。