CN102573122A

CN102573122A - 一种无线传感网模块组合型多功能节点

Info

Publication number: CN102573122A
Application number: CN2012100191480A
Authority: CN
Inventors: 付耀先; 孙德云; 沈杰; 黄河清; 张星
Original assignee: JIAXING WIRELESS SENSOR NETWORKS ENGINEERING CT CAS; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: JIAXING WIRELESS SENSOR NETWORKS ENGINEERING CT CAS; Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: CN102573122B

Abstract

本发明涉及一种无线传感网模块组合型多功能节点，包括硬件架构和软件架构，硬件架构包括依次连接的传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元；软件架构包括基础软件层用于驱动板级控制器上的各种硬件设备、通讯接口以及传感器接口，并为上层软件提供运行环境；服务与中间件层利用基础软件层提供的基本要素，实现传感器网络设备的各项基本功能；应用软件层依靠服务与中间件层提供的各项基本功能实现对各种传感业务的整合；设备管理模块用于对基本软件层、服务与中间层和应用软件层三层体系架构的平台技术支撑。本发明实现标准化模块化的开放平台，可解决不同应用环境下无线传感网快速开发问题。

Description

一种无线传感网模块组合型多功能节点

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，特别是涉及一种无线传感网模块组合型多功能节点。

背景技术

传感器网络市场需求广阔，应用面和传统通信行业相比更为丰富。传感器产业化面临的最大问题即是如何在应用环境多样性前提条件下，提取出相关共性要素，在设备层面实现共性化设计制造，为丰富的应用场景提供快捷的设备级支持。

传感器网络的应用领域极其广泛，不同的应用对设备提出了差异极大的要求，针对每种特定应用开发各自适用的传感器网络设备无疑将明显增加传感网络的设备开发周期、系统研发和部署成本，难以快速应用最新的技术成果以提高系统性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感网模块组合型多功能节点，实现标准化模块化的开放平台，可解决不同应用环境下无线传感网快速开发问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种无线传感网模块组合型多功能节点，包括硬件架构和软件架构，所述硬件架构包括传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元和能量供给模块；所述传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元依次连接；所述能量供给模块为所述传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元供应能量；所述软件架构包括基础软件层、服务与中间件层、应用软件层和设备管理模块；所述基础软件层用于驱动板级控制器上的各种硬件设备、通讯接口以及传感器接口，并为上层软件提供运行环境；所述服务与中间件层建于所述基础软件层之上，利用所述基础软件层提供的基本要素，实现传感器网络设备的各项基本功能；所述应用软件层依靠所述服务与中间件层提供的各项基本功能实现对各种传感业务的整合；所述设备管理模块用于对基本软件层、服务与中间层和应用软件层三层体系架构的平台技术支撑。

所述硬件架构还包括可执行模块；所述可执行模块包括相互连接的数模转换器和执行器；所述数模转换器与所述板级控制器相连。

所述硬件架构还包括与所述能量供给模块相连的能量提取模块。

所述服务与中间件层中包括由协议栈框架、应用层、硬件抽象层和OEM层组成的网络协议栈；所述OEM层与硬件构架相连；所述硬件抽象层通过层间接口分别应用层与OEM层连接；所述协议栈框架通过层间接口与所述的应用层连接。

所述协议栈框架自底向上分为物理层、媒体接入控制层、网络层和应用层；所述协议栈各层为上层协议提供两种类型的服务：数据服务与管理服务；相邻协议层间通过预定义的标准数据通信与管理接口进行交互。

所述应用层包括应用服务池和应用程序池；所述应用程序池中包括一个或多个传感器网络应用对象。

所述物理层与媒体接入控制层支持多种频段与通信制式。

所述网络层支持星型、网状、星型加网状和链状的网络拓扑结构。

所述设备管理模块包括程序管理单元、标识管理单元和资源管理单元；所述程序管理单元用于负责各功能单元的注册和调度；所述标识管理单元用于生成设备的网络标识；所述资源管理单元对节点能源、存储、计算、通信等能力做出有效评估和管理。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明通过模块化组装，能够迅速实现满足不同应用需求的产品，可适用于传感网多种应用场景。

附图说明

图1是本发明的硬件架构图；

图2是本发明的软件架构图；

图3是本发明中网络协议栈基本参考架构图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种无线传感网模块组合型多功能节点，包括硬件架构和软件架构。如图1所示，所述硬件架构包括传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元和能量供给模块；所述传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元依次连接；所述能量供给模块为所述传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元供应能量。如图2所示，所述软件架构包括基础软件层、服务与中间件层、应用软件层和设备管理模块；所述基础软件层用于驱动板级控制器上的各种硬件设备、通讯接口以及传感器接口，并为上层软件提供运行环境；所述服务与中间件层建于所述基础软件层之上，利用所述基础软件层提供的基本要素，实现传感器网络设备的各项基本功能；所述应用软件层依靠所述服务与中间件层提供的各项基本功能实现对各种传感业务的整合；所述设备管理模块用于对基本软件层、服务与中间层和应用软件层三层体系架构的平台技术支撑。

如图1所示传感器网络体系硬件架构的核心部件包括传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元、能量供给模块，核心部分能够构成典型的传感器网络，但考虑到这类系统为满足控制服务的需求，有时应当包括由数模转换单元与执行器构成的可执行模块，即无线传感器设备不仅完成感知功能而且拥有对感知事件的执行能力。同时，针对应用业务的需求不同，应当考虑太阳能、震动能、风能、热能等能量提取技术对设备能源供给模块的支撑作用。板级控制器是整个硬件架构的心脏，负责对所有板级部件的控制管理，板级控制器必须满足低功耗、低成本和小体积的要求。无线收发单元是传感器网络设备间沟通的桥梁，大多以微功耗集成芯片形式实现低功耗形态。

软件架构对新产品开发、产品线开发、软件维护以及软件升级具有重要的作用。软件架构对于对新产品开发担负着为完成业务目标而进行大局规划的职责，同时将面向业务的需求转化为面向技术的软件架构设计方案，为后面的技术开发工作提供切实的指导和限制，传统网络开发所采取的这类“分而治之”降低控制问题复杂性的模式已经获得了极大的成功。合理的软件架构在产品线开发过程中能够起到固化核心知识、提供可重用资产、缩短产品研制周期、降低成本和提高质量的目的。软件架构的存在对于软件维护往往涉及一条“模块协作链”，了解整个流程能够排除修改或者升级过程中的盲目性。

传感器网络设备软件架构可以直接从传感器网络体系架构中软件部分而来，各部分采取开放架构形式以公共接口规范实现功能模块的可重构性，其主要组成部分包括基础软件、服务与中间件、应用软件及设备管理等，如图2所示。本发明中的整体软件系统存在如下优势：

1)以操作系统为基础的设备管理实体对程序进程进行优先级管理和分配。

2)层间交互以服务原语的形式实现；层内功能实体之间交互以消息形式实现。

3)各功能模块的可裁剪性和易重构性。

4)满足软件测试所必须的测试单元。

5)开放的公共接口规范。

6)符合存储受限要求。

基础软件层通常与传感器设备硬件直接相关。设备驱动提供对板级控制器上的各种硬件设备，包括Flash、SDRAM、UART、USB、LCD等的驱动与控制；通讯接口负责与无线收发单元交互，控制其进行数据包的接收与发送；传感器接口软件实现对板载及外接的各种传感器设备运行参数的配置、工作状态的控制及传感器数据的获取。基础软件层的另一项职责是为上层软件提供运行环境。根据应用需求的不同，上层软件开发可以采用不同的编程语言，如C、C++、JAVA等。每种编程语言编写的程序在运行时都需要软件运行库(Run Time Library)的支持。对于JAVA等语言，由于其具备高度的面向对象特性、一次编译随处运行的优点，开发及移植都非常方便，近年来在嵌入式系统中应用得越来越广泛，针对嵌入式系统的虚拟机也将成为基础软件层的一个重要组成部分。

服务与中间件层构建于基础软件层之上，其主要任务是利用基础软件层提供的基本要素，实现传感器网络设备的各项基本功能，包括定位、时间同步、安全管理、网络管理、信息处理等。该层的设计目标是将设备底层的具体硬件实现与传感器网络业务隔离开来，为上层应用软件提供标准化的网络访问及功能调用接口，使应用开发独立于设备硬件及底层软件的实现，从而大大加快了二次开发的速度，降低了应用开发的难度。网络协议栈是服务于中间件层的重要组成部分，是整个网络的核心，层中其它组件以其提供的网络服务为基础并实现特定的功能。协议栈的构成通常包括接入控制、睡眠管理、链路管理、路由管理、传输控制等部分。

应用层软件实现具体的传感业务，例如入侵检测、个人健康监护、环境温湿度监控等等。该层软件主要依靠服务与中间件层提供的各种基本功能，实现对各种传感业务的整合。

设备管理模块通常以操作系统的形式存在，与具体硬件平台密切相关，是对基本功能层、服务层和应用层三层体系架构的平台技术支撑，能够极大的加速应用开发进程。其包括以下管理单元：

■程序管理单元负责各功能单元的注册和调度，各功能管理单元满足公共接口规范要求，能够实现方便的替换、增强等功能；

■标识管理单元用于生成设备的网络标识，需要满足一定范围内的唯一性要求；

■资源管理单元能够对节点能源、存储、计算、通信等能力做出有效评估和管理，为各层协议设计提供跨层优化等功能。

另外，传感器网络软件开发是一项较为复杂的工作，设备所选用的硬件平台多样化，传感器及外设种类繁多，各种应用所需要的协议栈功能、中间件模块及编程语言各异，如果不能对项目配置、模块组合与裁剪、编码、编译、调试、测试进行有效的管理与整合，要想实现快速开发难度很大。本发明为一个功能强大、方便易用并且适合于传感器网络软件开发模式的软件集成开发环境，可基于如Eclipse等软件资源，设计一套与硬件设备配套的软件开发与测试环境。

针对市场用户可能由于自身具有相关的生产制造能力而不需要专门提供硬件产品，但不拥有研发自主知识产权网络协议能力的现状，针对性的以有偿授权形式提供相应网络协议栈等软件产品对传感器网络产业具有重要作用。网络协议栈包括传感器网络软件架构中与平台无关的所有软件部分，既包括传统网络所拥有的MAC层、网络层、应用层协议，同时又拥有传感器网络特别强调的同步、定位、数据管理、协同等特征的协议库，以灵活裁剪的方式实现针对性应用。

传感器节点软件系统由协议栈框架、应用服务、应用对象、硬件抽象层、OEM层等部分组成，如图3所示。

传感器网络协议栈框架参照OSI七层网络协议体系设计，针对传感器网络特点进行精简与调整。协议栈自底向上分为物理层(PHY)、媒体接入控制层(MAC)、网络层(NWK)、应用层(APP)等四个层次。协议栈各层为上层协议提供两种类型的服务：数据服务与管理服务。相邻协议层间通过预定义的标准数据通信(XLDI)与管理接口进行交互(XLMI)。网络协议栈由协议栈提供商或整体解决方案供应商提供。

协议栈物理层支持2.4GHz、780MHz、433MHz等多种频段与通信制式，兼容现有的802.15.4物理层。媒体接入控制层负责信道接入控制、时隙调度，协调多个节点对共享无线信道的使用，支持TDMA、CSMA等多种方式。网络层主要功能包括路由管理(路由发现与维护)、网络拓扑管理(支持星型、网状、星型加网状、链状等多种网络拓扑，支持节点动态加入退出网络)、邻居管理(邻居发现、邻居表管理)、安全服务等。

协议栈最上层为应用层，该层主要包括两个部分：应用服务池(Application Service Pool，ASP)和应用程序池(Application Pool，AP)。

传感器应用所需要的基本网络功能由各种应用程序服务模块提供，一些重要的传感器网络服务包括：

■数据收发服务：与底层协议栈交互，实现节点间单播、广播、多播、聚播等基本数据通信功能。

■定位服务：通过多种方式为节点提供自身地理位置信息。

■时间同步服务：提供局部网络、全网络时间同步。

■标准传感信息获取服务：从遵循标准接口的传感器设备获取传感数据。

■协同传感信息处理服务：特定或共性的单节点传感器信息处理算法、多节点协同信息处理算法、协同决策与响应算法。

■安全服务：为传感网应用提供认证、加密数据传输等功能。

■进程间通信服务：提供单节点内部或不同节点上多个应用对象之间的相互数据通信及消息传递。

■节点管理服务：提供对节点动态信息的查询及运行时状态管理。

■在线更新服务：在网络运行时对节点程序代码进行更新与升级。

应用服务以中间件或可动态加载程序模块的形式存在，由应用服务提供商、中间件提供商或整体解决方案提供商提供，所有应用服务都必须遵循标准的应用服务程序结构并实现标准的应用服务接口(Application Service Pool Interface，ASPI)，应用程序对象通过这些预定义标准接口来实现应用服务发现、服务调用与数据通信。

传感器网络应用池AP包括一个或多个传感器网络应用对象，应用对象由传感器网络应用开发商提供，主要实现面向最终用户的具体业务逻辑，如入侵检测、爆炸物探测等。应用对象以进程、线程或任务的形式存在，所有应用对象都在应用程序池AP中运行并由其统一管理。应用程序池中的调度器(Scheduler)负责为各个应用对象分配运行时资源，并在事件发生时激活对应应用对象。应用对象运行在受保护的程序空间中，只能通过应用服务接口ASPI来访问节点硬件及网络资源、进行数据收发。

传感器网络节点软件系统中协议栈以外部分由节点硬件OEM厂商或整体解决方案提供商提供，主要包括硬件抽象层(Hardware Abstraction Layer，HAL)和OEM层(OEM Layer)两个部分。HAL层对节点上的硬件接口如I/O端口、UART串行端口、AD/DA接口、SPI接口等进行抽象，提供标准化的硬件访问接口HALI供协议栈各层软件使用。OEM层包括操作系统、硬件驱动程序等，这部分软件代码与硬件密切相关。HAL层和OEM层之间通过OEM厂商自定义的内部交互接口OEMI通信。

不难发现，本发明通过模块化组装，能够迅速实现满足不同应用需求的产品，可适用于传感网多种应用场景。

Claims

1.一种无线传感网模块组合型多功能节点，包括硬件架构和软件架构，其特征在于，所述硬件架构包括传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元和能量供给模块；所述传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元依次连接；所述能量供给模块为所述传感器、模数转换单元、板级控制器和存储器、无线收发单元供应能量；所述软件架构包括基础软件层、服务与中间件层、应用软件层和设备管理模块；所述基础软件层用于驱动板级控制器上的各种硬件设备、通讯接口以及传感器接口，并为上层软件提供运行环境；所述服务与中间件层建于所述基础软件层之上，利用所述基础软件层提供的基本要素，实现传感器网络设备的各项基本功能；所述应用软件层依靠所述服务与中间件层提供的各项基本功能实现对各种传感业务的整合；所述设备管理模块用于对基本软件层、服务与中间层和应用软件层三层体系架构的平台技术支撑。

2.根据权利要求1所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述硬件架构还包括可执行模块；所述可执行模块包括相互连接的数模转换器和执行器；所述数模转换器与所述板级控制器相连。

3.根据权利要求1所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述硬件架构还包括与所述能量供给模块相连的能量提取模块。

4.根据权利要求1所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述服务与中间件层中包括由协议栈框架、应用层、硬件抽象层和OEM层组成的网络协议栈；所述OEM层与硬件构架相连；所述硬件抽象层通过层间接口分别应用层与OEM层连接；所述协议栈框架通过层间接口与所述的应用层连接。

5.根据权利要求4所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述协议栈框架自底向上分为物理层、媒体接入控制层、网络层和应用层；所述协议栈各层为上层协议提供两种类型的服务：数据服务与管理服务；相邻协议层间通过预定义的标准数据通信与管理接口进行交互。

6.根据权利要求4所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述应用层包括应用服务池和应用程序池；所述应用程序池中包括一个或多个传感器网络应用对象。

7.根据权利要求5所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述物理层与媒体接入控制层支持多种频段与通信制式。

8.根据权利要求5所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述网络层支持星型、网状、星型加网状和链状的网络拓扑结构。

9.根据权利要求1所述的无线传感网模块组合型多功能节点，其特征在于，所述设备管理模块包括程序管理单元、标识管理单元和资源管理单元；所述程序管理单元用于负责各功能单元的注册和调度；所述标识管理单元用于生成设备的网络标识；所述资源管理单元对节点能源、存储、计算、通信等能力做出有效评估和管理。