CN103152771B - 中高速无线传感网络的通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了中高速无线传感网络的通信系统，其包括：系统中继设备，接入网关设备；系统中继设备与接入网关设备之间通过无线宽带传输链路连接；系统中继设备设有一第一虚拟路由，第一虚拟路由将系统中继设备获取的数据在其网络层进行IP封包，经过其链路层和物理层对数据进行封装，由其网络层进行透明传输；封装包括IP数据包的拆包和MAC帧的形成，以及物理层编码和调制；所述接入网关设备设有一第二虚拟路由，所述第二虚拟路由在其网络层进行虚拟路由转换后连接至公网。本发明只需要在操作系统中通过软件构造虚拟路由转换平台在网络层的透明传输，实现不同网络间的互联，解决现有无线传感器网络的速率不高、处理能力不足等问题。

Description

中高速无线传感网络的通信系统

技术领域

本发明涉及网络通信技术领域，特别地，是一种中高速无线传感网络的通信系统。

背景技术

传统的无线传感网络是集成了信息监测、数据处理以及无线通信的网络系统，特别是应用在灾害预警、环境监测、公共安全等方面的传统无线传感器网络。由于这些无线传感网络只能在较短的距离范围(大约为几百米)内传输少量的数据，同时，传输的速度较慢(低于250kbps)，所以其往往不能满足人们的使用需求，例如，在视频传播中，一般情况下，从视频服务器或USB摄像头中很难提取到图像数据，即使可以从中读出数据流，其容量非常大，要从协调器中进行拆帧和组帧处理是非常困难的，并且，当需要提取的视频离最近的公网覆盖的地方几公里或者几十公里(如偏远地区)，则这种传统的低速无线传感网络就不能胜任。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种中高速无线传感网络的通信系统，其连接于低速无线传感网络和公网之间，形成一三网融合结构，使无线传感网络具备信息丰富、数据精准和状态获知全面的优势。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

中高速无线传感网络的通信系统，其包括：系统中继设备，用于完成数据的获取和传输；接入网关设备，执行中高速无线传感网络的网关职能，用于接收系统中继设备传输的数据，并实现中高速无线传感网络与公网之间的互联；所述系统中继设备与接入网关设备之间通过无线宽带传输链路连接；所述系统中继设备设有一第一虚拟路由，所述第一虚拟路由将系统中继设备获取的数据在其网络层进行IP封包，经过中高速无线传感网络的MAC层和物理层对数据进行封装，由其网络层进行透明传输；所述封装包括IP数据包的拆包和MAC帧的形成，以及物理层编码和调制；所述接入网关设备设有一第二虚拟路由，该接入网关设备通过所述第二虚拟路由在第二虚拟路由的网络层进行虚拟路由转换后连接至公网。

作为本发明的改进，所述中高速无线传感网络的通信系统进一步包括采集节点，所述采集节点与系统中继设备有线或无线连接。

优选地，所述采集节点为ZigBee路由器或协调器。

为了实现数据从低速传感网络传输至公网，所述采集节点的默认网关与系统中继设备的IP地址处于同一网段内，所述接入网关设备的默认网关和公网的IP地址相同，所述第一虚拟路由的IP地址与第二虚拟路由的IP地址处于同一网段内。

优选地，所述协调器为具有Zigbee协议栈的TI2530处理器。

作为本发明的进一步改进，所述系统中继设备包括一第一处理器，所述第一虚拟路由设置于该第一处理器中，所述接入网关设备包括一第二处理器，所述第二虚拟路由设置于该第二处理器中，所述采集节点与第一处理器的通用串口连接。

优选地，所述第一处理器和第二处理器均为SUMSUNGS3C6410处理器。

作为本发明的进一步改进，所述系统中继设备进一步包括一与第一处理器的SPI接口相连的第一FPGA处理器，用于对第一虚拟路由传输的数据进行信道编码和调制，再通过第一收发模块发送至接入网关设备或其他的系统中继设备，所述接入网关设备包括一与第一收发模块对应的第二收发模块，再通过第二FPGA处理器解码和解调后由第二处理器设有的SPI接口发送至第二虚拟路由。

优选地，所述第二处理器的RJ45接口通过网线与一PC机相连，用于与中高速无相传感网络的终端设备进行通信。

优选地，所述公网为3G通信网或互联网。

本发明的优点在于：

1、将中高速无线传感网络中的系统中继设备和接入网关设备的通信结构实现模块化、标准化、软件化，提供这些设备的灵活性和可扩展性，并降低维护成本。

2、系统中继设备和接入网关设备的通信结构无须对第一处理器和第二处理器的硬件进行修改，只需要在操作系统中通过软件在第一处理器和第二处理器中均构造一个虚拟路由转换平台，实现在网络层的透明传输，实现不同网络间的互联互通与融合。

3、解决现有传统低速无线传感器网络的速率不高、处理能力不足等问题，使传感器网络具有信息丰富、数据精准、状态获知全面等优势，有效延伸了传感器网络的应用，为无线传感网络技术的发展和应用推广提供更广阔的平台。

附图说明

图1是三层传感器网络之间通信结构示意图；

图2是本发明高速无线传感网络的通信结构的结构示意图；

图3a的下端和图3b的上端相应连接在一起构成图2中的系统中继设备和接入网关设备的拓扑图；

图4是本发明高速无线传感网络的通信结构的应用。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)由采集节点、汇聚节点和系统中继设备以及接入网关设备等组成，传输信息包括数据、音频和视频等多媒体信息，信息量巨大，对网络协议、算法以及信道传输的效率均有很高的要求。

如图1是三层传感器网络示意图，三层传感器网络包括底层的低速无线传感网、中层的中高速无线传感网和高层的接入网(即3G或4G或互联网等公网)。无线传感网之间的网络互联与融合乃至泛在化的重大需求是影响WSN设计的主要因素。整个无线传感器网络系统包括采集节点、系统中继设备和接入网关设备等，其中系统中继设备与接入网关设备是中高速无线传感器网络的设备，采集节点为低速传感器中设备，包括协调器节点，路由器节点和传感器节点，采用的协议都是802.15.4的标准(MAC层和PHY层)和ZigBee协议(NWK层和应用层)。中高速无线传感器网络具有宽频带、高速率、通用性好、处理能力强等优点，有效延伸了传感器网络的应用，为无线传感器网络技术的发展和应用推广提供更广阔的平台，是WSN三层体系中至关重要的组成部分。

具体地，系统中继设备完成WSN的数据获取、传感器网络内容的处理与传输等功能，同时负责节点采集数据的高效汇聚和处理，执行中高速传感器网络的网络组织和网络管理任务；接入网关设备执行中高速无线传感网络的网关职能，具有高速数据高效传输和网内处理功能，负责将中高速无线传感网络与公网之间的接入，是中高速网络系统中的重要设备，保证了中高速传感器网络与核心基础网络的互联互通。系统中继设备和接入网关设备之间利用无线宽带传输链路连接。一般地，无线宽带传输链路需具备一定距离的远程传输能力。

系统中继设备与接入网关设备在中高速网络中均需具备组网以及数据传输能力，对于图1中的三层体系框架，系统中继设备与接入网关设备均需要接入两个不同的网络。具体地，系统中继设备需要与低速传感器网络的采集节点(优选协调器或ZigBee路由器)互联互通，数据传输可通过有线与无线两种方式。有线方式可通过通用串口方式接收采集节点数据；无线方式需将采集节点与系统中继设备设置为同一工作频段，且同一网络，需进行网络和路由配置。

接入网关设备与公网的互连则可以通过网线或是3G上网卡等方式接入。这里需要将接入网关设备与3G上网卡或互联网的终端进行网络和路由的配置，使数据可以通过接入网关设备进行中高速传感器网络与互联网的双向传输。

图2所示一种接入网关设备与系统中继设备的通信结构的实施方式。如图2所示，数据流从低速节点(即低速传感器节点)采集汇聚到采集节点(以协调器3为例，协调器3可以采用具有Zigbee协议栈的TI2530处理器)后经由通用串口(UART接口或SPI接口等)传递给系统中继设备1。系统中继设备1收到采集节点数据后经过设置于第一处理器11内的第一虚拟路由111先经过ZigBee协议和802.15.4的逆过程将原数据取出，再由第一虚拟路由111的网络层进行IP封包，经过中高速无线传感网络的MAC层和物理层对数据进行封装，由其网络层进行透明传输；所述封装包括IP数据包的拆包和MAC帧的形成，以及物理层编码和调制，通过第一处理器11的SPI接口发送到系统中继设备11内的第一FPGA处理器12进行信道编码和调制，再由第一收发模块13通过无线射频端发送给其它系统中继设备或接入网关设备2，在本发明中，以与接入网关设备2为例，接入网关设备2内设有的与第一收发模块13相匹配的第二收发模块23接收到数据后，再通过第二FPGA处理器22解码和解调后由第二处理器21设有的SPI接口发送至第二处理器21内设有的第二虚拟路由211，第二虚拟路由器211经过系统设备MAC和PHY层的逆过程，再网络层进行虚拟路由转化从而使接入网关设备2接进公网，可以是通过第二处理器的RJ45接口通过网线连接至PC机4，此处PC机即为一终端设备。由于SPI与FPGA的时钟速率大，时延可忽略。

在本发明较佳的实施例中，第一处理器11和第二处理器21均采用SUMSUNGS3C6410处理器，系统中继设备1和接入网关设备2的这种通信结构的优点在于无须对SUMSUNGS3C6410处理器作过多的硬件修改，只需在操作系统上通过软件构造一个虚路路由转化平台，实现网络层的透明传输，同时可以实现不同网络的互连互通与融合。

如图3a和3b的结合所示，系统中继设备1、2、3均可与接入网关设备连接，组成中高速传感网络，系统中继设备1、2、3并可与低速传感网络中的采集节点互连，传输其采集的数据，然后通过接入网关设备连接到互联网，是WSN三层网络数据传输的实例。本例中选用了三个网段，分别为与低速WSN互连的172.13.64.*，中高速192.168.2.*以及接入互联网的接入网关设备出口网段172.13.2.*。

以系统中继设备Ⅰ为例，系统中继设备Ⅰ与采集节点Ⅰ互连，同时需要将数据传输到接入网关设备以便可以传送到互联网后台，对采集数据进行分析和处理。采集节点Ⅰ的网络配置为172.13.64.214，它的默认网关与系统中继设备Ⅰ的IP地址在同一网段内(在本发明较佳的实施例中，二者的相同的，这里为了更好的区分其他采集节点与其他系统中继设备之间的互连，当然，不同的采集节点的默认网关也可以均与不同的系统中继设备处于同一网段内，然后通过一定的协议或指令使他们之间实现连接)，所以采集节点Ⅰ的数据会直接传递给系统中继设备Ⅰ的网口(eth0)，由于本发明在系统中继设备的操作系统上虚拟一条可配置的路由，所以系统中继设备的数据可由第一虚拟路由已经配置的192.168.2.*网段路由通过无线射频端发送到与该192.168.2.*处于同一网段的第二虚拟路由所在的接入网关设备中。同样地，所述接入网关设备的默认网关和公网的IP地址相同(或者处于同一网段内)，接入网关设备也通过已经配置的虚拟路由可将数据传送到公网。

综上所述，由于传统的低功耗的WSN传输速率低、处理能力弱和传输距离短等缺点，而在本发明中，加入中间层—中高速无线传感网络，可实现数据速率达到2Mbps，传输距离达到5公里的强大转换。

本发明再以视频传播为例，阐述WSN中视频监控的应用。如图4所示，一般情况下，从视频服务器或摄像头中很难提取到图像数据，即使可以从中读出数据流，其容量非常大，要从中分析IP头信息再MAC层进行拆帧和组帧处理是比较困难的。本例实现网络层透明传输，即无须从视频服务器或其它摄像头中获取每帧图像的数据，只需要配置视频服务器或摄像头的IP地址与系统中继设备处于同一网段，且视频服务器或摄像头的默认路由是系统中继设备的虚拟IP地址即可实现网络层的透明传输。则通过访问后台服务器便可实时的观察各个传感点的视频情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (6)

1.中高速无线传感网络的通信系统，其特征在于，其包括：

系统中继设备，用于完成数据的获取和传输；

接入网关设备，执行中高速无线传感网络的网关职能，用于接收系统中继设备传输的数据，并实现中高速无线传感网络与公网之间的互联；

所述系统中继设备与接入网关设备之间通过无线宽带传输链路连接；

所述系统中继设备设有一第一虚拟路由，所述第一虚拟路由将系统中继设备获取的数据在其网络层进行IP封包，经过中高速无线传感网络的MAC层和物理层对数据进行封装，由其网络层进行透明传输；所述封装包括IP数据包的拆包和MAC帧的形成，以及物理层编码和调制；

所述接入网关设备设有一第二虚拟路由，该接入网关设备通过所述第二虚拟路由在第二虚拟路由的网络层进行虚拟路由转换后连接至公网；

所述中高速无线传感网络的通信系统进一步包括采集节点，所述采集节点与系统中继设备有线或无线连接；

所述系统中继设备包括一第一处理器，所述第一虚拟路由设置于该第一处理器中，所述接入网关设备包括一第二处理器，所述第二虚拟路由设置于该第二处理器中，所述采集节点与第一处理器的通用串口连接；

所述第一处理器和第二处理器均为SUMSUNGS3C6410处理器；

所述系统中继设备进一步包括一与第一处理器的SPI接口相连的第一FPGA处理器，用于对第一虚拟路由传输的数据进行信道编码和调制，再通过第一射频收发模块发送至接入网关设备或其他的系统中继设备，所述接入网关设备包括一与第一收发模块对应的第二收发模块，再通过第二FPGA处理器解码和解调后由第二处理器设有的SPI接口发送至第二虚拟路由。

2.根据权利要求1所述的中高速无线传感网络的通信系统，其特征在于，所述采集节点为ZigBee路由器或协调器。

3.根据权利要求1或2所述的中高速无线传感网络的通信系统，其特征在于，所述采集节点的默认网关与系统中继设备的IP地址处于同一网段内，所述接入网关设备的默认网关和公网的IP地址相同，所述第一虚拟路由的IP地址与第二虚拟路由的IP地址处于同一网段内。

4.根据权利要求2所述的中高速无线传感网络的通信系统，其特征在于，所述协调器为具有Zigbee协议栈的TI2530处理器。

5.根据权利要求1所述的中高速无线传感网络的通信系统，其特征在于，所述第二处理器的RJ45接口通过网线与一PC机相连，用于与中高速无相传感网络的终端设备进行通信。

6.根据权利要求1所述的中高速无线传感网络的通信系统，其特征在于，所述公网为3G通信网或互联网。