CN104936202B - 基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于CoAP协议的无线传感网络管理系统，包括：终端模块，每个终端模块管理至少一个终端设备，终端模块包括资源抽象层和传感器抽象层，资源抽象层定义终端设备的地址，传感器抽象层定义传感器的结构；网关模块，一端连接终端模块，另一端连接数据服务器模块和管理模块，实现无线传感网络和IPv6网络的连接；数据服务器模块，存储系统数据以及终端设备的地址和状态信息，供管理模块调用和处理；管理模块，向终端模块发送指令，处理数据。利用本发明能动态的发现网络中各种终端设备的变化，同时能够利用发现机制找出自己需要的资源，利用订阅机制能获得实时的消息推送，利用终端模块的资源抽象层和传感器抽象层能够充分利用网络终端设备的资源。

Description

基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络管理系统
技术领域
本发明涉及无线传感器网络通信领域，尤其是基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络管理系统。
背景技术
无线传感网络作为物联网的感知层，一直是世界各国研究的热点，近年来随着6LoWPAN技术标准(即IPV6 over 802.15.4)的发布及应用，使得无线传感网络更加备受瞩目，因为这一标准的发布使得无线传感网络能够无缝的接入到现有互联网中，这样能够真正的实现物联网中物物相联的价值，必然伴随着应用于各种场景的6LoWPAN无线传感网络的搭建，同时网络的设备的数量也会不断增加。
虽然对如何管理无线传感网络现有一些方法和方案，但是这些方案中大部分是针对特定的场景设计的，不具备广泛的使用，每当应用或者场景改变之后，都需要重新设计管理的方案。而且，传统的无线传感网络的管理方案大部分是针对于具体数据进行管理，而且不能够有效的发现网络中各种设备或者传感器或者网络状态的变化，不能够灵活的对网络的各种情况进行动态的实时的监控，如果网络中设备损坏或者设备新进入的时候，不能及时的发现。这样会管理带来极大的滞后性，不利于网络的实时管理。
发明内容
针对于以上无线传感网络中的各种缺点和不足之处，本发明利用6LoWPAN技术标准，从互联网的管理角度出发，提出了一种更加实用的、符合互联网规范的管理方案，基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络的管理系统。
基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络的管理系统，包括：终端模块，每个所述终端模块管理至少一个终端设备，所述终端模块包括资源抽象层和传感器抽象层，所述资源抽象层定义终端设备的地址，所述传感器抽象层定义传感器的结构；
网关模块，一端连接所述终端模块，另一端连接数据服务器模块和管理模块，实现无线传感网络和IPv6网络的连接；
数据服务器模块，存储系统数据以及终端设备的地址和状态信息，供管理模块调用和处理；
管理模块，向终端模块发送指令，处理数据。
所述终端设备的地址为IPv6地址。
所述网关模块为所述终端设备自动分配地址,并定时轮询地址的状态。
该系统还包括GSM模块，与所述网关模块相连。
通过对各种设备或者数据进行资源抽象，使得每一个网络设备能够对外提供各种资源服务，管理员利用CoAP协议中的资源发现功能发现网络中可用的资源，选取此刻需要的资源以及发现网络中设备的变动。同时，利用CoAP协议中的资源订阅功能，实现订阅的资源发生改变的时候能够及时通知管理员。
利用本发明能动态的发现网络中各种终端设备的变化，同时能够利用发现机制找出自己需要的资源，利用订阅机制能获得实时的消息推送，利用终端模块的资源抽象层和传感器抽象层能够充分利用网络终端设备的资源。
附图说明
图1为本发明基于CoAP协议的无线传感网络管理系统的结构示意图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明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。
本发明所涉及的无线传感网络中的所有终端设备都搭载6LoWPAN技术标准，在该基础上提出并划分功能模块。
如图1所示，该系统包括四个模块：终端模块、网关模块、数据服务器模块和管理模块。终端模块管理着若干终端设备，如各种传感器、LED灯等，终端模块从软件上又分为资源抽象层和传感器抽象层。资源抽象层使用CoAP协议中规定的格式，采用URL来描述资源的地址，由于该系统使用6LoWPAN标准，所以每一个终端设备都被分配了一个IPv6地址，使用IPv6地址作为URL，同时用/name/的路径表示资源，通过GET，PUT，POST，DELETE等方法来对资源进行相应的操作，如GET方法是用来获取网络中传感器数据，PUT方法用来控制设备的开关等等。传感器抽象层则定义了一个通用的传感器结构，该结构中包括传感器型号(SensorID)、传感器类型(SensorType)、传感数据(SensorData)、传感器状态(SensorStatus)、传感器操作(SensorOperation)，其中传感器操作包括获取数据和控制传感器。通过这个传感器的抽象，结合资源抽象，能够更加有效的管理网络中的各种资源和设备。
终端模块与网关模块相连，以使终端设备接入到IPv6网络中。网关模块实现了三个功能，包括(1)HTTP-CoAP转换，实现HTTP协议与CoAP协议的转换；(2)地址分配与存储，当有网络设备加入时候自动分配给该网络终端设备一个IPv6地址，并且记录接入该网关的所有终端设备的IPv6地址，同时记录地址存入的时间以及地址状态，地址状态根据网络终端设备是否活跃来判定以及新的网络终端设备的加入；(3)轮询，通过定时轮询地址的状态，如果超过时间没有更新，则判定该网络终端设备已脱离网络，以此网络终端设备是否退出该网络。同时，该网关模块也可以根据具体设备的硬件性能情况，还可以加载别的模块，比如GSM模块，可以直接与手机通信等。
在地址分配与存储功能部分中，地址分配功能通过IPv6技术中的DHCP(DynamicHost Configuration Protocol，动态主机配置协议)实现，每当检测到有网络终端设备加入就自动分配一个可用IPv6地址并存储起来，而地址存储功能通过数据库实现，建立一个地址存储表，每一个表中分为这样包括三个字段：地址字段、时间字段(指最新更新的时间)、地址状态字段。
轮询功能，通过一个定时器实现，规定一个确定的时间作为轮询时间，每次到规定时间就去查询存储的地址中的存入时间以及地址状态，如果没有过期，那么更新地址的最新时间但不改变地址状态，如果过期那么就更新地址的时间字段，同时将地址状态字段改为不活跃。对于新加入的网络终端设备的地址，地址状态都是活跃状态。
HTTP-CoAP转换代理功能，该功能完成HTTP协议与CoAP协议的转换，以便管理员能通过现有的互联网的方式对底层的6LoWPAN无线传感网络进行访问以及管理和监控。该功能主要是在两种协议的报文格式以及操作方式进行转换，将来自管理员的HTTP请求转换为CoAP请求并发送给指定的网络终端设备，同时能够将来自网络终端设备的CoAP响应转换为HTTP响应返回给管理员。在网关模块上定义了两种操作，一是LIST操作，一是HISTORY操作。
LIST操作是为了查询网络中有哪些实际可用的IPv6地址，因为一个IPv6地址代表了一个网络终端设备，这一操作主要目的是为了让管理员了解该网关管理的终端模块中有哪些可用的终端设备以及检查自己关注的终端设备是否正常工作。同时由于网关存储的IPv6地址中会附加一个表示其状态的字段，而LIST操作是为了获取该状态字段为活跃的IPv6地址，这代表获取管理员可以访问的终端设备。具体操作如下：管理员发送LIST请求报文，网关模块收到报文后检查是否是LIST操作请求，如是则查询网关存储的地址列表，对于其中状态为活跃的地址，网关模块以HTTP格式返回给管理员，让管理员得知网络中现在可访问的终端设备有哪些。通过这种方式，也能让管理员了解自己关注的终端设备是否还在正常运作，可以用来检查设备的故障问题。
HISTORY操作主要分为两个方向，第一个方向是发送给网关模块的请求，第二个方向是发送给数据服务器的请求。
第一个方向，发送给网关模块。该功能的主要目的是为了检测该网关模块连接的终端模块中有哪些终端设备加入过，也是通过获取网关存储的地址来获取的。由于终端设备不一定一直处于工作(活跃)状态，可能由于更换终端设备或者断电或损坏等因素会使得该设备不再属于这个网络，但是在最近一段时间内，该终端设备在本网络中工作过。HISTORY操作请求就是为了查询网关中存储的所有的代表网络终端设备的IPv6地址，不管改地址的状态是否活跃。具体操作如下：管理员向网关模块发送HISTORY请求报文，网关模块收到报文后，检查是否是HISTORY操作请求，如果是则获取网关中存储的地址列表，不管该地址的状态如何，将全部的地址返回给管理员。
第二个方向，发送给数据服务器模块。这个操作是为了获取存储在数据服务器中的历史数据，目的在于数据的分析，通过了解历史数据来满足管理员的一些要求，如分析比例、分类、制作图表等。具体操作如下：管理员向数据服务器模块发送HISTORY请求报文，数据服务器模块收到报文后，检查是否是HISTORY操作请求，如果是，就将管理员需要的历史数据返回给管理员。
数据服务器模块，该模块是对历史数据进行存储，以及存储6LoWPAN网络中的终端设备状态，以此来判断网络的稳定性，以及发生的变化。该模块既可以设置在普通PC机上，也可以设置在大型的服务器上。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (3)

1.基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络管理系统，其特征在于，包括：
终端模块，每个所述终端模块管理至少一个终端设备，所述终端模块包括资源抽象层和传感器抽象层，所述资源抽象层使用CoAP协议中规定的格式定义终端设备的地址，所述传感器抽象层定义传感器的结构，该结构中包括传感器型号、传感器类型、传感数据、传感器状态及传感器操作，其中传感器操作包括获取数据和控制传感器；
网关模块，一端连接所述终端模块，另一端连接数据服务器模块和管理模块，实现无线传感网络和IPv6网络的连接，包括(1)HTTP-CoAP转换，即实现HTTP协议与CoAP协议的转换；(2)地址分配与存储，即当有网络设备加入时候自动分配给该网络终端设备一个地址，并且记录接入该网关的所有终端设备的地址，同时记录地址存入的时间以及地址状态，地址状态根据网络终端设备是否活跃来判定以及新的网络终端设备的加入；(3)轮询，通过定时轮询地址的状态，如果超过时间没有更新，则判定该网络终端设备已脱离网络，以此网络终端设备是否退出该网络；
所述地址分配与存储中，地址分配通过DHCP实现，每当检测到有网络终端设备加入就自动分配一个可用地址并存储起来，而地址存储功能通过数据库实现，建立一个地址存储表，每一个表中分为这样包括三个字段：地址字段、时间字段以指向最新更新的时间、地址状态字段；
所述轮询，通过一个定时器实现，规定一个确定的时间作为轮询时间，每次到规定时间就去查询存储的地址中的存入时间以及地址状态，如果没有过期，那么更新地址的最新时间但不改变地址状态，如果过期那么就更新地址的时间字段，同时将地址状态字段改为不活跃；对于新加入的网络终端设备的地址，地址状态都是活跃状态；
所述HTTP-CoAP转换代理功能，用于使管理员通过现有的互联网的方式对底层的6LoWPAN无线传感网络进行访问以及管理和监控，主要是在两种协议的报文格式以及操作方式进行转换，将来自管理员的HTTP请求转换为CoAP请求并发送给指定的网络终端设备，同时能够将来自网络终端设备的CoAP响应转换为HTTP响应返回给管理员；数据服务器模块，存储系统数据以及终端设备的地址和状态信息，供管理模块调用和处理；管理模块，向终端模块发送指令，处理数据。
2.根据权利要求1所述的基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络管理系统，其特征在于，所述终端设备的地址为IPv6地址。
3.根据权利要求1所述的基于CoAP协议的6LoWPAN无线传感网络管理系统，其特征在于，还包括GSM模块，与所述网关模块相连。
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