CN103415052A - 面向服务的无线传感器网络能量管理中间件及工作方法 - Google Patents

Abstract

为了在不同的无线传感器网络应用和物联网应用中，方便地加入能量管理机制和休眠调度算法以延长网络生存期，本发明提出并设计了面向服务的无线传感器网络能量管理中间件及工作方法。该方法对各种典型的无线传感器网络应用进行分析和归纳，找出相同点统一设计，找出不同点留以接口，可以通过对具体应用的简单配置完成应用对休眠调度的需要，并且可以在网络运行时实时动态调整，避免了重复劳动，提高了工作效率，很好的解决了休眠调度很强的应用相关性这一问题，该方法可广泛应用于森林火灾监测、农作物水分状况监测、煤气抄表等领域，延长网络生存期，提高应用安全性与可靠性。

Description

面向服务的无线传感器网络能量管理中间件及工作方法

技术领域

本发明属于无线通信和无线传感器网络技术领域，特别是一种面向服务的无线传感器网络休眠调度中间件及其工作方法。

背景技术

无线传感器网络（wireless sensor networks,WSN）是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。低成本、低功耗、无人值守、网络化信息感知等优点使得其在民用和军用上均体现出极高的应用价值，被誉为21世纪改变世界的十大新技术之一。

受限于工作环境条件，传感器网络节点能量供应通常依赖于电池，并且在使用过程中难以更换或是进行充电补充。能量的限制是影响传感器网络广泛应用的关键问题之一。较有效的也是最常用的解决办法是根据一定的调度周期，让节点的状态在睡眠状态和工作状态之间相互转换，通过关闭部分节点来节省能量。

针对不同的具体应用选择传感器、设计休眠调度间隔、设计触发紧急事件的阈值。其不足点主要在于：

1. 各种应用大量不同点的背后，存在许多相同点，如果针对每一个应用都重新设计，必然导致大量重复工作的产生，降低工作效率。

2. 设计完成一个应用之后，没有为休眠调度中的休眠间隔、唤醒阈值等参数的更改作以准备，如果随着需求的改变（例如：信息量的增加或减少、紧急事件划分的调整）需要对参数进行更改的话就必须重新配置，造成很大麻烦。以上因素，增加了在应用中加入休眠调度的难度，极大地限制了休眠调度在实际应用中的推广。

3. 各种基于无线传感器网络的应用没有统一的能量消耗和能量分配调度标准，导致各网络节点无法准确把握维持网络节点长期生存的必要的能量条件，降低了网络可靠性和网络生存期。

因此，将各种各样的无线传感器网络应用中加入面向服务的休眠调度中间件，使不同的应用都可以具有相同休眠调度标准，同时在系统使用的过程中可以实时动态的修改调度参数，延长网络生存期，提高系统整体的安全性和可靠性。

发明内容

为解决无线传感器网络各项应用中出现的能量分配问题，延长网络系统的生存期，同时顺应无线传感器网络实际应用中加入休眠调度的发展趋势，对各种应用进行分析和总结，将其中的相同点提取出来，不同点留以接口，提出了一种面向服务的通用无线传感器网络休眠调度中间件及其工作方法。通过该中间件可方便的对各种应用中的休眠调度间隔和唤醒方式等参数进行配置，并可以在运行中对其进行实时动态调整，大大减少了将休眠调度引入无线传感器网络实际应用的工作量，提高了工作的效率，延长了网络节点的生存期，提高了网络安全性和可靠性，使休眠调度满足了更多服务的需要。

现有常见的无线传感器网络实际应用主要由数据采集网络和监控中心两部分组成，数据采集网络部署在监测区域，而监控中心位于方便人出入的场所或专用控制中心内，其体系结构和工作原理如图1所示。

针对无线传感器实际应用的通用体系结构，本发明分别设计了无线传感器网络节点内休眠调度中间件和节点间休眠调度中间件并给出相应接口设计。

1.节点内休眠调度中间件，在用户应用层和节点底层硬件层之间建立连接，并分别向上下两层提供接口，该中间件的作用主要是负责上下层之间的指令解析和协议解析，提供一个通用的并且可复用的框架，在实际的无线传感器网络的应用中只要基于本发明的所提供的中间件，在节点中提供软件的或者硬件电路的接口，即可实现能量管理的标准化调度，延长网络生存期。如图2所示，最上面的大箭头是时间轴，表示节点运行的整个过程，用以区分节点第一次收到的初始配置信息和以后的参数调整信息。所有节点启动，整个网络初始化后，各个采集节点将收到来自sink节点的初始配置命令，该命令以广播方式发送。节点的协议解析模块将收到的命令进行解析，找出节点在初始配置时需要配置的参数，进行对应的配置操作。若对唤醒周期参数进行设置，则设置定时器的计数值，而后作用于唤醒模块；若对唤醒阈值参数进行设置，则设置阈值变量的值，而后作用于警报处理模块；若是对其它参数的设置，则设置对应的相关变量，而后作用于其它模块，需要说明的是，其他参数设置接口可以进行扩展，例如增加智能能量管理接口，低电量假死接口和路由调整接口等接口，以便后续功能的开发。

2.节点间休眠调度中间件，在无线传感器网络体系结构中的应用层和网络层之间建立连接，形成一个通用框架，对应用层和网络层分别留以接口，该中间件体系结构采用三层架构方式，即接口、业务逻辑和控制相互分离的方式，采用此方式可以加强本发明的灵活性、安全性和复用性，降低中间件内部模块之间的耦合度，方便修改后移植和推广，使其成为一种通用性的无线传感器应用框架成为可能。节点间休眠调度中间件根据采集节点需求变化自主设置和调整休眠调度参数，并将这一过程封装起来，向上层应用提供统一的休眠调度服务。上层应用给出休眠调度过程中需要的参数，应用层根据此配置和网络变化选择合适的休眠调度策略，并反馈给中间件，中间件解析指令后再将命令传输给下层网络层。其中，对于应用层，用户不必了解中间件以及下面几层的工作原理和流程，这一过程由中间件负责完成，物理层信号实现对应用层的透明传输。

从以上技术方案可以看出，本发明提供的面向服务的无线传感器网络休眠调度中间件和工作方法，对于无线传感器网络产品的研究和开发与重要的作用，主要优点如下：

1.本发明提出了一种高效的无线传感器网络能源管理和休眠调度方法，延长了网络生存期。

2.本发明提供了一种新型的网络传感器产品能量管理复用框架，降低了无线传感器产品的研发成本和周期，有利于无线传感器网络乃至物联网技术的推广和应用。

3.本发明所设计的无线传感器网络休眠调度中间件可以方便的使节点内和节点间的应用层和物理层有机结合在一起，方便节点实现智能自我管理。

4.本发明所提出的中间件及工作方法可以使得复杂的无线传感器网络能量管理功能变得具有很强的复用性和模块化，降低能源管理在各种无线传感器网络以及物联网应用当中与其他功能模块的耦合度，便于二次开发和推广。

5.本发明可以使得无线传感器网络应用中的能源参数动态调整，按需分配，提高能源管理效率。

附图说明  

图1：无线传感器网络实际应用的通用体系结构。

图2：节点内能量管理中间件结构。

图3：节点间能量管理中间件结构。

具体实施方式

为使本发明的目的，技术方案和技术优点更加直观和清晰，以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细说明。

如前所述，现有常见的无线传感器网络实际应用主要由数据采集网络和监控中心两部分组成，其体系结构和工作原理如图1所示。在数据采集网络中分布着大量的数据采集节点和一部分网关节点，针对不同的无线传感器网络应用或者物联网应用，数据采集节点部分的结构不尽相同，但是每个节点都有大致相同的能量管理需求和休眠调度需求，因此，本发明所提出的无线传感器网络节点中间件可以有效的解决节点的能量管理和技术方法复用问题。

系统加电后，无线传感器网络节点会按照初始配置设置的参数进行工作。如果在正常运行的过程中，随着信息量的增加或减少、紧急事件划分的调整等需求的改变，需要对参数进行更改，此时远程客户端向数据采集网络发出参数调整控制指令，数据采集网络中的节点会收到来自网关节点的参数调整信息，如图3所示，该节点的节点间能量管理中间件会对网络层传来的物理信号进行层层解析，再传给应用层进行控制参数的调整，节点的应用层通过节点内中间件对底层硬件发出控制指令，产生实际调整动作，如图2所示。

本发明所提出的无线传感器网络能量管理中间件可在上下层之间拓展接口，此接口包括软件程序中的虚拟接口以及硬件电路中的电气接口，从而可以使得中间件可以移植和复用到其他无线传感器网络以及物联网应用当中。

本发明所述中间件的工作方法为：

（1）若为软件系统，则首先编译此中间件系统，并将其下载至整个传感器节点系统中；若为硬件系统，则将此中间件按照设计好的电气接口加入到传感器节点硬件系统中。

（2）设置网关节点中间件，使其与传感器节点中间件进行协议匹配。

（3）开始工作后，传感器节点通过自组织形成多跳无线网络，启动各自的能量管理中间件系统，并把网络拓扑信息传回给网关节点中间件系统。

（4）网关节点中间件负责解析各节点的能量数据，并将解析后的数据通过蜂窝网络传给基站，并最终将数据传给用户服务器及数据采集网络控制系统。

（5）控制系统根据能量管理调度算法对数据经行分析并给出计算结果。

（6）用户根据无线传感器网络传回的数据和控制系统给出的计算结果对各个节点的能量信息进行分析并给出能量调度指令。

（7）该指令通过有线网络或者无线网络传回无线传感器网络网关节点，节点中间件将指令信息进行解析并下发各传感器节点。

（8）传感器节点中间件将网关节点传来的控制指令进行解析，根据指令调整自身能量分配，完成能量管理过程。

本发明不局限于上述实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种面向服务的无线传感器网络能量管理中间件，其特征在于：

该中间件应用于物联网体系中无线传感器网络数据采集网络部分，可根据具体需要扩展至数据传输网络部分和数据处理网络部分；

该中间件是一种软件系统或者硬件电路系统，且留有数据处理接口；

该中间件包括协议解析模块、能量管理配置模块、唤醒模块和警报处理模块等。

2.如权利要求1所述的一种面向服务的无线传感器网络能量管理中间件及工作方法，其特征在于包括无线传感器网络节点内中间件和无线传感器网络节点间中间件。

3.如权利要求1所述的一种面向服务的无线传感器网络能量管理中间件及工作方法，其特征在于该中间件可针对不同的无线传感器应用进行复用并提供标准化的能量管理。

4.如权利要求2所述的无线传感器网络节点内中间件，其特征是该中间件运行在用户应用层和硬件物理层之间，提供协议解析和指令解析的双工通信功能，且向上下两层分别提供相应的软件程序接口或者硬件电路电气接口，具备复用性。

5.如权利要求2所述的无线传感器网络节点间中间件，其特征是该中间件运行在无线传感器网络数据采集节点应用层和网络层之间，提供协议解析服务和指令解析服务，通过该中间件，物理层通信对应用层用户实行透明传输。

6.根据权利要求1所述的一种面向服务的无线传感器网络能量管理中间件，其工作方法为：

（1）若为软件系统，则首先编译此中间件系统，并将其下载至整个传感器节点系统中；若为硬件系统，则将此中间件按照设计好的电气接口加入到传感器节点硬件系统中；

（2）设置网关节点中间件，使其与传感器节点中间件进行协议匹配；

（3）开始工作后，传感器节点通过自组织形成多跳无线网络，启动各自的能量管理中间件系统，并把网络拓扑信息传回给网关节点中间件系统；

（4）网关节点中间件负责解析各节点的能量数据，并将解析后的数据通过蜂窝网络传给基站，并最终将数据传给用户服务器及数据采集网络控制系统；

（5）控制系统根据能量管理调度算法对数据经行分析并给出计算结果；

（6）用户根据无线传感器网络传回的数据和控制系统给出的计算结果对各个节点的能量信息进行分析并给出能量调度指令；

（7）该指令通过有线网络或者无线网络传回无线传感器网络网关节点，节点中间件将指令信息进行解析并下发各传感器节点；

（8）传感器节点中间件将网关节点传来的控制指令进行解析，根据指令调整自身能量分配，完成能量管理过程。

Images