CN103002597A - 一种无缝连接多网关无线传感器网络结构 - Google Patents

一种无缝连接多网关无线传感器网络结构 Download PDF

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金基宇
王智森
田绍伟
宋荣强
朴太明
梁德世
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Abstract

本发明涉及一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，属于物联网技术领域。本发明采用多网关及频率复用进行无线传感器网络的框架构建，这样大大提高了系统容量；在子网边缘采用共享节点，使共享节点同时连接各相邻的子网，本发明实现了子网间的无缝连接并有效降低了传输延时。

Description

一种无缝连接多网关无线传感器网络结构
技术领域
本发明涉及一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，属于物联网技术领域。
背景技术
传感器节点可以连续不断地进行数据采集、事件检测、事件标识、位置监测和节点控制，传感器节点的这些特性和无线连接方式使得无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居、建筑物状态监控、复杂机械监控、城市交通、空间探索、大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等领域。随着无线传感器网络的深人研究和广泛应用，无线传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。但是在不同的应用环境下，无线传感器网络的物理信道的容量及数量，以及路由深度有限，并且大多采用短距离无线通信，因此在部署时，存在信息传输延时长，系统容量不足等问题，无法保证大规模、大范围无线传感器网络的实时通信需求。
随着物联网技术及物联网应用的不断发展，无线传感器网络作为物联网的核心技术之一，在物联网应用中扮演着越来越重要的角色。作为一种无线组网及通信技术，ZigBee在无线传感器网络技术中有着十分重要的地位。ZigBee采用全球免费的2.4GHz频段，共有16个物理信道，每个物理信道对应不同的频率。在每个物理信道上，各无线传感器节点在发送数据时为避免冲突需采用信道竞争机制，所以在节点较多时，会带来较大的传输延时。在实际系统中，考虑到实时通信的要求，单个信道所能容纳的节点数远远小于其所能容纳的理论值，导致了系统容量的下降，无法满足传感器网络节点大规模、大范围部署的需求。因此需要针对以上问题，采用有效的网络结构以增加系统容量并降低系统传输延时。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，技术方案如下：
1.多网关及频率复用结构
无线传感器网络由若干个子网构成，每个子网由其对应的网关在相应的信道上建立。每个网关向上通过有线或无线方式连接服务器，向下连接其所属各个传感器节点。因为ZigBee的物理信道数为16，因此通常无线传感器网络所能包含的子网个数最大为16。这里子网、网关及物理信道为一一对应关系，即一个子网对应一个网关，一个网关对应一个物理信道。同单网关结构相比，多网关结构可以将系统容量提高16倍，然而在某些情况下，仍然无法满足无线传感器网络节点大规模、大范围部署用的需求，如将无线传感器网络应用于道路照明系统等。因此可采用频率复用技术进一步增加系统容量。
频率复用即采用相同频率的物理信道可以在相隔一定距离的不同区域同时、重复使用，因为无线信号的传播过程中，信号强度会随着距离的增加而逐步衰减，在距离足够远时，同频信道间的信号互不干扰。因此虽然ZigBee的物理信道数为16，但通过采用频率复用方式，相同频率可以在相隔一定距离的不同区域重复使用，可以大大增加系统的子网数量，从而进一步提高系统容量。
2.无缝连接方式
采用多网关结构时，各子网边缘的节点间通信因需通过相应网关及服务器进行连接，延时较大，往往不能满足实时通信的需求。
针对这一问题，子网边缘的节点根据其相邻子网的个数，包含两个或两个以上通信模块，各通信模块分别同相应的子网连接，该节点称之为共享节点。共享节点的触发信号可以通过其通信模块同时发送给相邻的不同子网，便于子网边缘各节点间的联动，降低延时，实现子网间的无缝衔接。
本发明原理：本发明采用多网关及频率复用进行无线传感器网络的框架构建，大大提高了系统容量；在子网边缘采用共享节点，使共享节点同时连接各相邻的子网，实现了子网间的无缝连接并有效降低了传输延时。
本发明的有益效果：便于无线传感器网络节点的大范围大规模部属，并有效降低了系统的传输延时。
附图说明
图1：本发明结构框图。
图2：频率复用示意图。
图3：未采用无缝连接的多网关无线传感器网络结构简图。
图中N11，N1m,N21,N2m,Nn1,Nnm为无线传感器网络节点,Nc1，Nc2,Ncn为无线传感器网络共享节点,统称为N；C11，C1m,C21,C2m,Cn1，Cnm为无线传感器网络节点所包含的通信模块，
Figure BDA00002495320000031
Figure BDA00002495320000033
Figure BDA00002495320000035
Figure BDA00002495320000036
为无线传感器网络共享节点所包含的通信模块，统称为C；G1,G2,Gn为网关，统称为G；I为有线或无线网络；S为服务器；N11，N1m,N21,N2m,Nn1,Nnm为无线传感器网络节点；C11,C1m,C21,C2m,Cn1,Cnm为无线传感器网络节点所包含的通信模块；G1,G2,Gn为网关；I为有线或无线网络；S为服务器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发做进一步的说明。
本发明采用多网关结构并结合频率复用的方式进行无线传感器网络的构建，并在子网边缘采用共享节点进行子网间的无缝连接。
本发明的一个实施例为：
如图1所示：本发明包括子网1，子网2，…，子网i，子网i+1，…，子网n；
子网1内设置无线传感器网络节点N11，N12，N13，…N1m;N11包括通信模块C11，N12包括通信模块C12，以此规律设置，N1m包括通信模块C1m；
子网2内设置无线传感器网络节点N21，N22，…，N2m;N21包括通信模块C21，N22包括通信模块C22，以此规律设置，N2m包括通信模块C2m;
以此规律设置，
子网n内设置无线传感器网络节点Nn1，Nn2，…，Nnm；Nn1包括通信模块Cn1,Nn2包括通信模块Cn2,以此规律设置，Nnm包括通信模块Cnm;
所述相邻的两个子网i与子网i+1的公共覆盖区域内设置无线传感器网络共享节点Nci；无线传感器网络共享节点Nci包括
Figure BDA00002495320000041
及
Figure BDA00002495320000042
Figure BDA00002495320000043
属于子网i，属于子网i+1；所述i的范围是大于等于1并且小于等于n;
所述n是大于等于1的整数；m是大于等于1的整数；c是大于等于1的整数；
所述传感器网络共享节点Nci将采集到的信号由其通信模块
Figure BDA00002495320000045
发送给无线传感器网络节点Nim或者网关Gi；传感器网络共享节点Nci将采集到的信号同时由其通信模块发送给无线传感器网络节点N（i+1）1或者网关Gi+1；所述i的范围是大于等于1并且小于等于n;
所述网关G1，G2,…,Gn经由网络I连接服务器S。
所述相邻的两个子网i与子网i+1的公共覆盖区域内设置无线传感器网络共享节点Nci的个数在一个以上。
所述传感器网络共享节点Nci可以根据其相邻的子网个数采用两个或多个通信模块；通过共享节点Nci可以直接通信而无需经过网关和服务器做到子网间的无缝连接。
所述所述网关G1，G2,…,Gn与服务器S可以通过有线或无线方式连接。
所述每个网关对应一个频率的物理信道，当所有的物理信道都被使用而仍然无法满足系统的容量需求时采用频率复用的方式进行网络的规划与构建。
所述网络I是有线或无线网络。
每个传感器网络节点包含传感器子模块、通信模块等若干个模块，传感器网络节点将其传感器子模块采集到的信息通过通信模块C发送到其他节点或网关G。网关G的作用是在相应的物理信道上建立子网，负责子网内传感器网络节点的接入与通信，并向通过有线/无线网络I接入到服务器S。服务器S负责网关的连接，数据的汇总、处理分析、转发，节点的监控等功能。在不采用频率复用方式时，因图1所示多网关结构最多可以利用16个不同频率的物理信道，也就是说可以利用16个网关建立16个不同的子网，其系统容量，即所能容纳的节点数为单网关结构系统容量的16倍。
在实际系统中，因信道所能容纳节点数及系统路由深度的限制，在一些传感器网络节点大规模、大范围部署的特定场景中，图1所示的多网关结构仍有可能无法满足系统容量的需求。通过频率复用方式可以进一步增加系统容量，因信号强度会随着距离的增加而衰减，所以在相隔较远的区域可以使用同一频率而不会导致同频干扰。
如图2所示：为标识方便，这里子网的覆盖范围用六边形表示；整个无线传感器网络可以划分成为若干个簇，每个簇包含16个不同频率的物理信道或者子网，分别为1至16，即频率复用因数为16；不同簇之间的相同频率物理信道可以重复使用，例如，簇1的信道1同簇2的信道1采用相同的频率，但二者相距较远，簇1信道1的信号在抵达簇2信道1所覆盖区域时，信号强度已大幅衰减，无法对簇2的信道1形成同频干扰。
如图3所示，未采用无缝连接方式的多网关结构示意图；节点N1m位于网关G1所辖的子网1的区域边缘，节点N21位于网关G2所辖的子网2的区域边缘。因节点N1m和节点N21属于不同的子网，节点N1m的信息需通过网关G1经由有线或无线网络I、服务器S、网关G2发送至节点N21，这在系统节点较多时，会造成较大的延时，不利于两节点间的联动。
本发明即无缝连接多网关无线传感器网络结构如图1所示；区别于节点N1m和节点N21等节点，共享节点Nc1包含两个通信模块
Figure BDA00002495320000061
及
Figure BDA00002495320000063
及
Figure BDA00002495320000064
分别属于子网1和子网2。因此共享节点Nc1传感器模块采集到的信号，可以通过其通信模块
Figure BDA00002495320000065
发送给节点N1m，或者发送给网关G1；同样，共享节点Nc1传感器模块采集到的信号，也可以同时通过其通信模块
Figure BDA00002495320000066
发送给节点N21，或者发送给网关G2；共享节点Nc2，…,Ncn的通信方式以此规律设置。这里根据无线传感器网络子网边缘节点联动的实际需求，可以在子网边缘可以设置一个或多个共享节点；共享节点也可以根据其相邻的子网个数，采用两个或多个通信模块。因此，通过共享节点，处于子网边缘的节点可以直接通信而无需经过网关和服务器，从而可以大大降低系统延时，增强了子网边缘节点间的联动性及通信的实时性，做到子网间的无缝连接。
本发明采用多网关及频率复用进行无线传感器网络的框架构建，大大提高了系统容量；在子网边缘采用共享节点，使共享节点同时连接各相邻的子网，实现了子网间的无缝连接并有效降低了传输延时。

Claims (6)

1.一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，其特征在于：包括子网1，子网2，…，子网i，子网i+1，…，子网n；
子网1内设置无线传感器网络节点N11，N12，N13，…N1m;N11包括通信模块C11，N12包括通信模块C12，以此规律设置，N1m包括通信模块C1m；
子网2内设置无线传感器网络节点N21，N22，…，N2m;N21包括通信模块C21，N22包括通信模块C22，以此规律设置，N2m包括通信模块C2m;
以此规律设置，
子网n内设置无线传感器网络节点Nn1，Nn2，…，Nnm；Nn1包括通信模块Cn1,Nn2包括通信模块Cn2,以此规律设置，Nnm包括通信模块Cnm;
所述相邻的两个子网i与子网i+1的公共覆盖区域内设置无线传感器网络共享节点Nci；无线传感器网络共享节点Nci包括
Figure FDA00002495319900011
及
Figure FDA00002495319900012
Figure FDA00002495319900013
属于子网i，
Figure FDA00002495319900014
属于子网i+1；所述i的范围是大于等于1并且小于等于n;
所述n是大于等于1的整数；m是大于等于1的整数；c是大于等于1的整数；
所述传感器网络共享节点Nci将采集到的信号由其通信模块
Figure FDA00002495319900015
发送给无线传感器网络节点Nim或者网关Gi；传感器网络共享节点Nci将采集到的信号同时由其通信模块
Figure FDA00002495319900016
发送给无线传感器网络节点N（i+1）1或者网关Gi+1；所述i的范围是大于等于1并且小于等于n;
所述网关G1，G2,…,Gn经由网络I连接服务器S。
2.根据权利要求1所述的一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，其特征在于：相邻的两个子网i与子网i+1的公共覆盖区域内设置无线传感器网络共享节点Nci的个数在一个以上。
3.根据权利要求1所述的一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，其特征在于：传感器网络共享节点Nci可以根据其相邻的子网个数采用两个或多个通信模块；通过共享节点Nci可以直接通信而无需经过网关和服务器做到子网间的无缝连接。
4.根据权利要求1所述的一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，其特征在于：所述网关G1，G2,…,Gn与服务器S可以通过有线或无线方式连接。
5.根据权利要求1所述的一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，其特征在于：每个网关对应一个频率的物理信道，当所有的物理信道都被使用而仍然无法满足系统的容量需求时采用频率复用的方式进行网络的规划与构建。
6.根据权利要求1所述的一种无缝连接多网关无线传感器网络结构，其特征在于：网络I是有线或无线网络。
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