CN102665297A

CN102665297A - 无线云传感网通讯系统和装置与方法

Info

Publication number: CN102665297A
Application number: CN2012101547878A
Authority: CN
Inventors: 王煜; 陈世太; 廖原
Original assignee: 廖原; 张春梅
Current assignee: Beijing Bodak Guangtong Internet of Things Technology Co., Ltd.
Priority date: 2012-05-17
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2032-05-17
Also published as: CN102665297B

Abstract

本发明提供一种无线云传感网通讯系统和装置与方法，该系统包括多个无线设备，还包括通过以太网络与无线传感网的无线设备连接的云端服务器；所述云端服务器，用于根据无线传感网的无线设备的请求，利用通讯路径存储表和接收信号强度表进行无线设备传输路径查找，并根据查找结果生成无线设备的通讯路径指令反馈给无线设备；所述无线设备，用于根据无线传感网的信息传输请求，通过以太网向云端服务器发出无线设备传输路径请求；并根据接收到的无线设备的通讯路径指令，进行信息传输。其大大提高无线传感网络的性能、成本低、效率高，具有很高的传输能力和可靠性。

Description

无线云传感网通讯系统和装置与方法

技术领域

本发明涉及一种无线传感网和云计算技术领域，特别是涉及一种无线云传感网（CWSN，Cloud Wireless Sensor Network）通讯系统和装置与方法。

背景技术

无线传感网络（无线传感网）是以信息采集为主要目的的无线网络，无线传感网络中含有多个无线设备，这些无线设备通过无线通讯协议方法（或称无线通讯方法）将采集到的信息传到数据中心。

一般地，无线传感网络中，根据功能将无线传感网络中的无线设备分为三类：节点、中继器、基站和数据中心。节点以信息采集为主要目的，并将采集到的信息以无线方式发给基站。有时候节点需要通过多跳才能够将信息传到基站，因此无线传感网络中需要有无线设备做为中继器的功能。基站的主要目的是无线接收节点或中继的信息，并将信息以无线或有线的方式发给数据中心。节点，中继器，和基站的定义并不严格，例如节点可以带有中继器的功能，中继器或基站可以带有节点的功能。

基站将从节点接收到的信息传送与数据中心，数据中心一般以一个或多个计算机组成，其主要目的是提供数据储存和处理功能。数据中心也可以给无线传感网中的无线设备发射指令。

无线传感网的核心是无线传感网通讯方法，无线传感网通讯方法决定了无线传感网的信息传输能力及可靠性。

在现有的无线传感网中，无线传感网通讯方法是存储在无线设备里面的硬件里。在多数的无线传感网应用系统中，由于对无线设备体积、成本、效率等的要求，无线设备里的硬件的信号处理和存储功能有限，这限制了无线传感网通讯方法的发展，无法提供复杂的功能强大的通讯协议方法，因此现有无线传感网通讯协议方法普遍比较简单，限制了无线传感网的信息传输能力及可靠性。

即现有无线传感网中的无线设备（包括基站，中继器，节点）使用比较简单的通讯协议方法，这些通讯协议方法的性能，包括无线传输能力，计算能力，存储能力比较有限，现有无线传感网通讯协议方法是实现在无线设备里的硬件上的，因此现有无线传感网的信息传输能力和可靠性有限，而且由于其需要针对不同的设备进行不同的开发，导致开发难度大、效率低。

这个问题在无线传感网络中无线设备数量多的系统中尤其严重，这是因为当无线设备数量多时，信号干扰和信道堵塞等问题会相对严重，选择较优的通讯路径需要强大的计算和存储空间，而现有的无线传感网中的无线设备的无线传感网通讯方法往往达不到要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无线云传感网（CWSN）通讯系统和装置与方法，其大大提高无线传感网络的性能、成本低、效率高，具有很高的传输能力和可靠性。

为实现本发明目的而提供的一种无线云传感网通讯系统，包括多个无线设备，无线设备包括至少一个节点，至少一个中继器，至少一个基站或者至少一个数据中心，多个无线设备通过无线传感协议方法相互无线连通。

还包括通过以太网络与无线传感网的无线设备连接的云端服务器；

所述云端服务器，用于根据无线传感网的无线设备的请求，利用通讯路径存储表和接收信号强度表进行无线设备传输路径查找，并根据查找结果生成无线设备的通讯路径指令反馈给无线设备；

所述无线设备，用于通过以太网向云端服务器发出无线设备传输路径请求；并根据接收到的无线设备的通讯路径指令，进行信息传输。

较优地，所述云端服务器，包括表设置模块，表存储模块和路径指令处理模块，其中：

所述表设置模块，用于根据无线传感网中的无线设备，设置并生成通讯路径存储表和接收信号强度表；

所述表存储模块，用于存储通讯路径存储表和接收信号强度表数据；

所述路径指令处理模块，用于根据无线设备发送来的路径请求，生成无线设备的通讯路径指令并反馈给无线设备，由无线设备根据接收到的通讯路径指令进行无线传感网数据传输。

较优地，所述云端服务器，还包括路径优化模块，强度表更新模块，强度调整模块，其中：

所述路径优化模块，用于使用接收信号强度表通过最短路径方法进行通讯路径优化；

所述强度表更新模块，用于根据强度测试数据包的测试结果更新接收信号强度表中的数据，并根据接收信号强度表中的数据，重新计算无线设备的通讯路径，然后根据计算结果更新通讯路径存储表；

通讯路径维护模块，用于使用接收信号强度表和通讯路径存储表，根据无线设备的传输过程中的接收信号强度，进行通讯路径维护；

所述强度调整模块，用于使用接收信号强度表和通讯路径存储表，根据无线设备的传输过程中的接收信号强度，进行发射信号强度调整。

较优地，所述通讯路径指令中含有以下内容：

1）“方向”：即数据包是从服务器发给无线设备的，还是从无线设备发给服务器的；

2）“下一个无线设备ID”：表示下一个需要处理数据包的无线设备的ID；

3）“第一个无线设备ID”：表示通讯路径的起点；

4）“最终无线设备ID”：表示数据包需要到达的终点；

5）“第二个无线设备ID”：表示通讯路径中的中继们的ID；

6）“指令终结符号”：表示通讯路径终结的符号。

为实现本发明一种无线云传感网通讯的云端服务器，其特征在于，包括表设置模块，表存储模块和路径指令处理模块，其中：

较优地，所述的无线云传感网通讯系统，还包括路径优化模块，强度表更新模块，强度调整模块，其中：

为实现本发明目的更提供一种无线云传感网通讯方法，包括如下步骤：

步骤S100，无线传感网的无线设备通过以太网向云端服务器发出无线设备传输路径请求；

步骤S200，云端服务器根据无线传感网的无线设备的请求，利用通讯路径存储表和接收信号强度表进行无线设备传输路径查找，并根据查找结果生成无线设备的通讯路径指令反馈给无线设备；

步骤S300，无线传感网的无线设备根据接收到的无线设备的通讯路径指令，进行信息传输。

较优地，所述步骤S200还包括如下步骤：

步骤S210，根据无线传感网中的无线设备，设置并生成通讯路径存储表和接收信号强度表；

步骤S220，存储通讯路径存储表和接收信号强度表数据。

步骤S230，使用接收信号强度表通过最短路径方法进行通讯路径优化；

步骤S240，根据强度测试数据包的测试结果更新接收信号强度表中的数据，并根据接收信号强度表中的数据，重新计算无线设备的通讯路径，然后根据计算结果更新通讯路径存储表；

步骤S250，使用接收信号强度表和通讯路径存储表，根据无线设备的传输过程中的接收信号强度，进行通讯路径维护；

步骤S260，使用接收信号强度表和通讯路径存储表，根据无线设备的传输过程中的接收信号强度，进行发射信号强度调整。

较优地，所述步骤S300包括如下步骤：

步骤S310，无线设备收到一个通讯路径指令，将通讯路径指令解析；

步骤S320，无线设备寻找通讯路径指令中的“下一个无线设备ID”；

步骤S330，如果无线设备自身的ID和“下一个无线设备ID”不同，那么无线设备停止对通讯路径指令的处理，结束返回；

步骤S340，如果无线设备自身的ID和“下一个无线设备ID”相同，那么无线设备查看“下一个无线设备ID”和“最终无线设备ID”是否相同；

如果不同，那么无线设备就知道自己是这个通讯路径中的一个中继器；无线设备把“下一个无线设备ID”更新为下一个中继器的ID，然后将通讯路径指令发到下一个无线设备；

如果相同，那么无线设备就知道自己是通讯路径的终点，无线设备接收无线传感网传输的数据信息，更新无线设备存储的通讯路径。

本发明的有益效果：本发明的无线云传感网通讯系统和装置与方法，通过云端服务器控制无线传感网中的无线设备，并将通讯路径和通讯指令发给无线设备，无线设备只需要遵循云端服务器发来的通讯路径和通讯指令就可以建立可靠的无线通讯，使得无线传感网络的性能和可靠性得到了突破性的提高。尤其当无线传感网络大时（即含大量的无线设备），效果尤其明显。其中，通过云端服务器中的对于通讯进行集中处理，大大降低成本，提高效率，并且降低了无线传感网里的无线设备的硬件要求，因此无线设备可以用体积小，功能低，价格低的硬件设备，进一步降低设备成本，其大大提高无线传感网络的性能、成本低、效率高，具有很高的传输能力和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例无线云传感网通讯系统结构示意图；

图2为通讯路径指令格式示意图；

图3为接收信号强度表示意图；

图4为无线传感网根据通讯路径指令进行数据传输的流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明无线云传感网通讯系统和装置与方法的实现进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例的一种无线云传感网通讯系统，包括一个或者多个无线传感网；

所述无线传感网包括多个无线设备，所述无线设备包括至少一个节点，至少一个中继器，至少一个基站或者至少一个数据中心，所多个无线设备通过无线传感协议方法相互无线连通；

作为一种可实施方式，所述节点、中继器、基站都包括射频部件、信号处理部件，其中：

射频部件，用于无线收发功能。

所述信号处理部件，用于信号处理和控制无线设备上的其他硬件，包括射频部件。信号处理部件内部都含有内存（RAM）和快闪记忆体（Flash）。

节点、中继器、基站还根据需要可以包含电源管理部件，信息采集部件等。基站设备上可以包括USB接口，Wi-Fi接口，以太网接口，手机网接口等。

本发明实施例的无线云传感网通讯系统，还包括通过以太网络与无线传感网的无线设备连接的云端服务器。

所述云端服务器，用于根据无线传感网的无线设备的请求，利用通讯路径存储表和接收信号强度表进行无线设备传输路径查找，并根据查找结果生成无线设备的通讯路径指令反馈给无线设备。

如图1所示，图1是本发明无线云传感网通讯系统示意图。在这个示意图中，每一个圆圈代表了一个无线设备，每一个无线设备带有一个ID号码。带箭头的连线是无线设备之间的通讯路径。例如，节点07通过中继器04和01与基站00连接。基站00负责和云端服务器连接，连接方式可以用无线（3G，Wi-Fi等）或有线（USB或以太网等）。

本发明实施例的云端服务器，根据无线传感网的无线设备的请求，利用通讯路径存储表和接收信号强度表进行无线设备传输路径查找，并根据查找结果生成无线设备的通讯路径指令反馈给无线设备。

本发明实施例中，无线设备通讯是通过通讯路径指令来完成。服务器发给无线设备的数据包中含有通讯路径指令。图2是通讯路径指令的格式。

如图2所示，所述通讯路径指令中含有以下内容：

1）“方向”：即数据包是从服务器发给无线设备的（下方向），还是从无线设备发给服务器的（上方向）

2）“下一个无线设备ID”：表示下一个需要处理数据包的无线设备的ID。

3）“第一个无线设备ID”：表示通讯路径的起点。例如，若数据包是从服务器发的，第一个无线设备ID则是一个基站的ID。

4）“最终无线设备ID”：表示数据包需要到达的终点。

5）“第二个无线设备ID”：表示通讯路径中的中继们的ID。

6）“指令终结符号”：表示通讯路径终结的符号。

较佳地，作为一种可实施方式，所述云端服务器，包括表设置模块，表存储模块，路径优化模块，强度表更新模块，强度调整模块，路径指令处理模块。

其中：

所述强度调整模块，用于使用接收信号强度表和通讯路径存储表，根据无线设备的传输过程中的接收信号强度，进行发射信号强度调整；

作为一种可实施方式，本发明实施例的云端服务器，可以和数据服务中心集成在一起，云端服务器和数据中心集成在多台计算机组成的远程服务器中。远程云端服务器不但负责信息储存和处理，而且实现本发明实施例的无线云传感网通讯系统和装置与方法，其在云端服务器中时功能强大，具有强大的并行计算和存储功能，可以实现复杂的通讯协议方法。

使用一个接收信号强度表，一个通讯路径存储表，和一个通讯路径指令；接收信号强度表是存在云端服务器里，云端服务器用此表做通讯路径优化，通讯路径维护等通讯功能。通讯路径存储表是存在云端服务器里，云端服务器用此表记录从服务器到每一个无线设备的通讯路径。通讯路径指令是云端服务器发给无线设备的路径指示，无线设备可用这个路径指示和云端服务器或其它无线设备通讯。

相应地，本发明提供一种无线云传感网通讯方法，包括如下步骤：

无线传感网的无线设备进行信号传输，是一种现有技术，因此，在本发明实施例中，不再一一详细描述。

较佳地，所述步骤S200还包括如下步骤：

步骤S220，存储通讯路径存储表和接收信号强度表数据;

图3是接收信号强度表。接收信号强度的定义是无线设备A发信号给无线设备B，无线设备B接收到的平均信号强度。这个信号强度表存在云端服务器里。

作为一种可实施方式，在图3中，信号强度以0-10为单位（在应用中也可以用任何其他单位表示）。例如，从基站00（A）到中继01（B）的接收信号强度是8，而从中继01（A）到基站00（B）的接收信号强度是7。由于发射功率和环境的差别，A到B的信号强度和B到A的信号强度不一定相同。

作为一种可实施方式，所述云端服务器使用接收信号强度表利用优化方法和接收信号强度进行通讯路径优化。

通讯路径优化有很多方法，在服务器中通过信号强度表实现。作为一种可实施方式，如图3所示，所述优化方法是选择中继最少的路径，这个方法叫做最短路径方法。例如，需要寻找从基站00到中继04的最短路径，并要求路径中接收信号强度不低于5。接收信号强度不低于5的路径有00->01->04,00->01->03->04,00->02->05->04,00->02->05->07->04,其中00->01->04是最短路径。

在云端服务器实现通讯路径优化的明显优势，当无线设备数量大时，接收信号强度表中的数据量会很大（需要大量的内存），寻找最佳路径的计算复杂性也会快速增加（需要强大的计算能力）。云端服务器的存储和计算能力非常强大，可以支持建立大型的无线传感网络。

所述云端服务器更新接收信号强度表中的数据；

强度表更新模块通过两种方法实现更新接收信号强度表中的数据。一种方法是，当新的无线设备加入网络时，新的无线设备会自动发射信号强度测试数据包，附近的无线设备会接收这个信号强度测试数据包，计算接收信号强度，然后将接收信号强度发给服务器，服务器将新的无线设备和新的接收信号强度数据加入接收信号强度表。第二种方式是服务器可以要求任意一个已有的无线设备进行信号强度更新（即，要求无线设备发射信号强度测试数据包）。例如，服务器可以每隔一段时间对所有的无线设备进行更新。

强度表更新模块将选好的通讯路径存入表存储模块，表存储模块中还存储从基站到每一个中继或节点的通讯路径的通讯路径表，每次服务器更新了接收信号强度表，强度表更新模块重新计算最佳通讯路径，并更新表存储模块中的通讯路径存储表。

云端服务器的强度调整模块可以使用接收信号强度表和通讯路径存储表进行通讯路径维护。

当通讯路径存储表中某一个路径的接收信号强度变得低于预设的接收信号强度要求时，强度调整模块从新计算最佳路径，并更新通讯路径存储表。或者，若有一个中继器和过多的节点通讯时，强度调整模块重新计算其它的较佳的通讯路径，将一部分节点移到其它的中继器下面。

服务器也可以使用接收信号强度表和通讯路径存储表，进行发射信号强度调整。

在本发明实施例的无线云传感网通讯系统中，预设最低接收信号强度要求。当接收到的信号强度大于最低接收信号强度时，发射数据包的无线设备就浪费了能量。云端服务器的强度调整模块可以实时监测通讯路径存储表中的接收信号强度；

作为一种可实施方式，在本发明实施例的无线云传感网通讯系统中，当接收信号强度过大时，强度调整模块可以控制相应的无线设备降低发射功率；

当接收信号强度过小时，强度调整模块可控制相应的无线设备增加发射功率。这样不但可以降低无线设备的耗能，也可以减低无线系统内的射频干扰。

如图4所示，所述步骤S300包括，包括如下步骤：

步骤S310，无线设备收到一个通讯路径指令，将通讯路径指令解析。

对指令解析是一种现有技术，因此，在本发明实施例中，不再一一详细描述。

步骤S320，无线设备寻找通讯路径指令中的“下一个无线设备ID”。

步骤S330，如果无线设备自身的ID和“下一个无线设备ID”不同，那么无线设备停止对通讯路径指令的处理，结束返回。

步骤S340，如果无线设备自身的ID和“下一个无线设备ID”相同，那么无线设备查看“下一个无线设备ID”和“最终无线设备ID”是否相同。

如果不同，那么无线设备就知道自己是这个通讯路径中的一个中继器；无线设备把“下一个无线设备ID”更新为下一个中继器的ID，然后将通讯路径指令发到下一个无线设备（下一个中继器）；

如果相同，那么无线设备就知道自己是通讯路径的终点，无线设备接收无线传感网传输的数据信息，并将通讯路径存储，更新通讯路径。

应当说明的是，本发明实施例所述的无线云传感网通讯系统和装置与方法，其中无线传感网可以是树状无线传感网络和星型无线传感网络。树状网络和星型网络都是以基站为基础的网络，所有的通讯都是通过基站。只要将基站和服务器连上，服务器就可以直接控制整个网络。

但是，本发明实施例所述的无线云传感网通讯系统和装置与方法，包括但不限于用在树状网络和星型网络。只要网络中有和服务器连接的基站，本发明实施例所述的无线云传感网通讯系统和装置与方法。例如，当一个无线设备需要和另一无线设备通讯时，第一个无线设备可以先将数据包发给服务器，然后让服务器把数据包转发给第二个无线设备。或者第一个无线设备可以向服务器要第一个无线设备和第二个无线设备之间直接的通讯路径，然后第一个无线设备可以用这个通讯路径直接和第二个无线设备通讯。

最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims

1.一种无线云传感网通讯系统，包括多个无线设备，无线设备包括至少一个节点，至少一个中继器，至少一个基站或者至少一个数据中心，多个无线设备通过无线传感协议方法相互无线连通，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的无线云传感网通讯系统，其特征在于，所述云端服务器，包括表设置模块，表存储模块和路径指令处理模块，其中：

3.根据权利要求2所述的无线云传感网通讯系统，其特征在于，所述云端服务器，还包括路径优化模块，强度表更新模块，强度调整模块，其中：

4.根据权利要求1至3任一项所述的无线云传感网通讯系统，其特征在于，所述通讯路径指令中含有以下内容：

3）“第一个无线设备ID”：表示通讯路径的起点；

4）“最终无线设备ID”：表示数据包需要到达的终点；

5）“第二个无线设备ID”：表示通讯路径中的中继们的ID；

6）“指令终结符号”：表示通讯路径终结的符号。

5.一种无线云传感网通讯的云端服务器，其特征在于，包括表设置模块，表存储模块和路径指令处理模块，其中：

6.根据权利要求5所述的无线云传感网通讯系统，其特征在于，还包括路径优化模块，强度表更新模块，强度调整模块，其中：

7.一种无线云传感网通讯方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的无线云传感网通讯方法，其特征在于，所述步骤S200还包括如下步骤：

步骤S220，存储通讯路径存储表和接收信号强度表数据。

9.根据权利要求8所述的无线云传感网通讯方法，其特征在于，所述步骤S200还包括如下步骤：

10.根据权利要求7至10任一项所述的无线云传感网通讯方法，其特征在于，所述步骤S300包括如下步骤：

如果不同，那么无线设备就知道自己是这个通讯路径中的一个中继器；无线设备把“下一个无线设备ID”更新为下一个中继器的ID，然后将通讯路径指令发到下一个无线设备；如果相同，那么无线设备就知道自己是通讯路径的终点，无线设备接收无线传感网传输的数据信息，更新无线设备存储的通讯路径。