CN101471899A - 一种支持传感器网络数据访问方法及其接入网关、系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种传感器网络数据访问方法及其接入网关、系统，各传感器网络通过网关与IP网络系统相连接、以提供对传感器网络数据访问，所述访问方法包括如下步骤：a)、在网关中保存目标访问设备信息；b)、网关对来自所连接的传感器网络的传感器数据进行路由处理时，根据其目标节点信息查找目标访问设备信息；c)、以所获得的目标访问设备信息对传感器数据进行IP数据封装并通过IP网络发送至目标访问设备；d)、目标访问设备对接收到的IP数据包进行解封装处理。

Description

一种支持传感器网络数据访问方法及其接入网关、系统

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种传感器网络(Sensor Network)所使用的数据通信处理。

背景技术

随着传感器技术、无线通信技术、计算技术的不断发展和完善，各种传感器网络将遍布我们生活环境。传感器网络可对给定区域中被观测对象的参数值测定、感兴趣事件的检测和相关参数估计、对被观测对象的分类和识别以及对被观测对象的定位和跟踪等功能，具有广阔应用前景，广泛应用于国防军事、安全反恐、环境监测、交通管理、医疗卫生、抗灾救险和工业生产制造等领域。

通常，作为孤立网的一个传感器网络系统，它在其系统内部具有相对独立的、特定的通信和路由协议方式，典型的通信协议方式如IEEE 802.15.4/ZigBee标准的无线传感器网络；典型的路由协议如泛洪(Flooding)协议、Gossiping(闲聊)协议、SPIN协议、定向扩散(Directed Diffusion)协议、LEACH(低能量自适应聚类层次结构)协议等以保证传感器节点进行合理的信息路由、传递、汇聚。但它也需要一种方式方便例如客户机、其它传感器网络中的传感器节点等在内的目标访问设备访问该传感网络系统中的传感器节点。例如：客户机可以作为管理节点，对传感器网络系统中的传感器节点进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据，此外，其它传感器网络系统中的传感器节点作为协同工作节点，也需要对传感器网络系统中的传感器节点进行访问。但是，实际客户机或其它传感器网络系统的传感器节点通常处在远离该被访问传感器网络系统的传统IP网络(或其它具体网络形式)另外一端，如此，目标访问设备与被访问的传感器网络系统中的传感器节点之间跨越了多种不同的通信体制，不能直接有效地互联互通，从而限制了传感器网络在实际中的应用，因此，传感器网络系统的远程接入访问、以及传感器网络系统之间的互联逐渐成为一个当前迫切需要解决的问题。

在图1所示网络系统中，客户机121通过IP网络系统12对传感器网络10进行访问，通过在传感器网络和IP网络系统之间设置一个定制的代理网关11，IP网络系统12中客户机121和传感器网络10中的传感器节点101间的交互都需通过代理网关11，该代理网关可以工作于两种方式：作为中继、或作为前端。1)、作为中继时，它只是简单地将来自传感器网络10中传感器节点101产生的数据传递到IP网络系统12中的客户机121，客户机121必须首先向代理网关11进行注册，代理网关再根据前述注册信息将数据从传感器网络系统传输到已注册的客户机121。显然，在这种方式下，传感器网络系统10中传感器节点必须以高频率的周期通过网关11向客户机121发送更新的数据，以确保数据的实时性，如此将导致IP网络系统的数据流量负担。2)、作为前端时，该代理网关11提前搜集来自传感器网络系统10中传感器节点数据，并将信息存储在其数据库中，客户机121可以通过各种方式(如通过SQL，或基于Web接口查询)向该代理网关11查询传感器网络系统10中特定传感器节点101的信息。很显然，在这种方式下，传感器节点必须以高频率的周期向代理网关11发送更新的数据，以确保数据库的实时性，这势必会加速消耗掉传感器节点的有限能量，导致其生存时间减少。

另外，上述代理方式还存在如下缺陷：一个代理网关通常专用于特定的任务或特定的协议，因此，特定的应用需要特定的代理实现，代理网关之间也没有通用的路由机制，传感器网络系统之间的互联存在一定的问题。

在图2所示网络系统中，传感器网络10将TCP/IP协议作为其通信协议，可以实现其与任何IP网络系统12的无缝联接。只需将一个或多个传感器节点联接到IP网络12而不需引入中介节点或网关。然而，一般的传感器节点缺少必要的内存和计算资源，无法运行完整的TCP/IP协议栈。尽管可将TCP/IP协议栈进行裁减以满足资源需求，如瑞典计算机科学学院实现了uIP在仅有2kB内存、8位处理器节点上的运行，但将TCP/IP协议用于传感器网络还存在大量问题。其主要表现在：路由算法不适合于传感器网络、数据包头开销太大、TCP重传机制耗费过多能量、无法提供安全机制，以及需要假设传感器网络中的节点分配有IP地址。

图3揭示了另一种基于延时容忍网络(DTN)的传感器网络与IP网络集成的方案。在DTN框架下，IP网络12与传感器网络10之间放置了一个DTN网关14(与图1所述的代理网关11放置位置相似)，但是DTN网关14采用特有的覆盖层(Overlay)技术来实现传感器网络10与IP网络12之间的连接。它可以采用两种覆盖层方案：1)、IP网络覆盖传感器网络；2)、传感器网络覆盖IP网络。在传感器网络10覆盖IP网络12结构下，客户机121被看成是配置在IP网络12中的传感器网络10的一个虚拟节点，该虚拟节点是相对传感器网络10而言的，逻辑上被当作与传感器网络10中传感器节点101功能相同的同等实体。传感器网络中实际传感节点101与作为虚拟节点的客户机121通过覆盖层技术互联，形成虚拟传感器网络。通常在DTN中，对信道可靠性没有要求，采用机会主义的方式接收和发送数据，通信延时不可预测，因此DTN的特点是能够允许大的通信延时。

发明内容

本发明旨在基于现有IP网络系统提供给目标访问设备对远程传感器网络系统接入访问方法、以及所对应的系统、网关设备等。

根据本发明的一个方面，这里提供一种传感器网络数据访问方法，所述传感器网络通过网关与IP网络系统相连接、以提供对传感器网络数据访问，包括如下步骤：a)、在网关中保存目标访问设备信息；b)、网关对来自所连接的传感器网络的传感器数据进行路由处理时，根据其目标节点信息查找目标访问设备信息；c)、根据所获得的目标访问设备信息对传感器数据进行IP数据封装并通过IP网络发送至目标访问设备；d)、目标访问设备对接收到的IP数据包进行解封装处理。

根据本发明的另外一个方面，这里提供一种传感器网络系统，包括：第一传感器网络，由若干传感器节点组成；第一网关，与所述第一传感器网络相连，对来自第一传感器网络的协议数据进行路由处理时，根据其目标节点信息查找其目标访问设备信息、并以目标访问设备信息对特定协议数据进行IP数据封装并提供给IP网络；IP网络系统，与所述第一网关相连，对其IP数据进行路由；目标访问设备，与所述IP网络系统相连，对接收到的IP数据包进行解封装处理

根据本发明的另外一个方面，这里提供一种一种支持对传感器网络数据访问的网关，其包括：传感器网络接口装置：接收来自传感器网络的传感器节点特定协议数据并进行相应路由处理；映射装置：用于保存目标访问设备信息、并根据所述传感器节点协议数据的目标节点信息获得所述目标访问设备信息；IP网络接口装置：以所获得的目标访问设备信息对所述特定协议数据进行IP数据封装并发送至所连接的IP网络。

本发明所带来的有益效果为：将不同的特定协议方式的传感器网络能通过通用的IP网络互相连接起来，从而多个小规模的、孤立的、异构的传感器网络之间能够无缝地互联、执行数据交换、执行统一的任务和服务，同时也方便客户机对所述传感器网络的管理、访问。该发明也不改变现有传感器网络的结构和协议方式，它通过现有的IP网络为传感器网络间数据交换提供了一种有效的、实用的机制，无需在现有的传感器设备上开发附加的任何嵌入式IP协议栈或复杂的覆盖层网络。

附图说明

通过下面提出的结合附图的详细描述，本发明的特征、性质和优点将变得更加明显，附图中相同的元件具有相同的标识，其中：

图1是基于代理网关方式的传感器网络系统访问示意；

图2是基于TCP/IP协议实现的传感器网络系统访问示意；

图3是基于延时容忍网络(DTN)网关方式的传感器网络系统访问方式；

图4是本发明所提供的传感器网络系统访问、互联系统结构示意图；

图5是本发明所提供的传感器网络接入网关结构实施例；

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。

图4是本发明所提供的传感器网络互联系统结构示意图，它包括两个独立的传感器网络10A、10B、IP网络系统12、传感器网络10A、10B分别通过各自接入网关15A、15B与IP网络系统12连接构成一个更大范围内意义上的传感器网络系统，客户机121(15c)可以作为访问节点或管理节点通过IP网络系统12、接入网关15A、15B对传感器网络10A、10B中的传感器节点分别进行访问、配置。

一般说来，传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，由于携带有限的电池供电，它的处理能力、存贮能力和通信能力相对较弱。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其它传感器节点转发来得数据进行存贮、管理和信息融合等处理，同时与其它传感器节点协作完成一些特定任务。以传感器网络10B为例说明，大量传感器节点随机部署在检测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点102B监测的数据沿着其它传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测的数据可能被多个传感器节点处理，经过多跳路由后到达作为汇聚节点的接入网关15B，最后通过IP网络(或卫星等其它方式)到达目标访问设备-客户机121、或通过接入网关15A与IP网络相连的传感器网络10A中的目标传感器节点进行通信。

前述目标访问设备要实现对传感器网络10A中传感器节点的数据访问，接入网关15B需要知道客户机121、或目标传感器网络10A的接入网关15A的IP地址，并能够将其接入的传感器网络10B的被访问的传感器节点数据(包括路由消息、数据消息等)实时地、透明地传输给客户机121、或目标传感器网络10A所在的接入网关15A并由其转发给所接入的传感器网络中的目标传感器节点(例如102A)。

同样，我们也可以对接入网关15A进行配置，使其对应的传感器网络10A中的被访问的传感器节点数据实时地、透明地扩散到传感器网络10B中的目标传感器节点。

在接入网关15B与目标访问设备之间，可以采用特定的隧道协议对传感器IP数据进行封装处理并发送给目标访问设备，该方式利用Internet或其它公共互联网络的基础设施为用户创建隧道，并提供与专用网络一样的安全和功能保障。

下面进一步揭示网关15A、15B如何支持目标访问设备对传感器网络的数据访问。

首先、我们需要在网关中保存目标访问设备信息，可以通过管理配置或消息扩散配置等方式。

作为一种可选实施方式，客户机121可以通过IP网络对需要互相访问的传感器网络10A、10B所接入的网关15A、15B进行配置，分别将对端的传感器网络的传感器节点、接入网关的IP地址进行设置。

作为一种可选实施方式，每个传感器网络的网关将该网关内的传感器节点拓扑信息扩散到异地的对等通信的传感器网络的网关。这样传感器网络网关可以共享得到每个异地传感器节点的路由信息。比如，通过扩散共享，接入网关15B中可以保存传感器网络10A中所有传感器节点的信息以及所对应的接入网关15A的IP地址对。

接下来，网关15B对来自所连接的传感器网络的传感器数据进行路由处理时，根据其目标节点信息查找目标访问设备信息；

例如，传感器网络10B中的传感器节点101B的数据需要发送给客户机121，当其数据包被路由至网关15B，根据前述保存目标访问设备信息可以获得客户机121的IP地址“10.10.1.101”。

同样，传感器网络10B中的传感器节点102B的数据被配置为发送给目标传感器网络10A中的一个节点102A时，当其特定协议数据包被路由至网关15B，根据前述保存的目标访问设备信息，可以获得目标传感器网络10A所对应的接入网关15A的IP地址为“10.10.1.102”。

接下来，、网关15B以所获得的目标访问设备信息对传感器数据进行IP数据封装并通过IP网络发送至目标访问设备。

例如，网关15B决定传感器数据需要传送至客户机121，它执行IP数据包封装处理并将封装后的IP数据包转发至IP网络12.

同样，网关15B在获得目标传感器网络10A所对应的接入网关15A的IP地址“10.10.1.102”后，可以执行IP数据包封装处理并将封装后的IP数据包转发至IP网络12并由其路由到接入网关15A。

优选地，网关15B可以采用特定的隧道协议对传感器IP数据进行封装处理并发送给目标访问设备。隧道技术可分别以第2层或第3层隧道协议为基础，第2层隧道协议对应于OSI模型的数据链路层，使用帧作为数据交换单位，PPTP(点对点隧道协议)、L2TP(第二层隧道协议)、L2F(第2层转发协议)都属于第2层隧道协议，是将用户数据封装在点对点协议(PPP)帧中通过互联网发送；第3层隧道协议对应于OSI模型的网络层，使用包作为数据交换单位。IPIP(IP over IP)、IPSec隧道模式属于第3层隧道协议，是将IP包封装在附加的IP包头中，通过IP网络传送。无论哪种隧道协议都是由传输的载体、不同的封装格式以及用户数据包组成的。

最后，目标传感器网络的网关15A对接收到的传感器IP数据包进行解封装处理并进一步将所述传感器数据转发给传感器节点。

若前面网关15B采用隧道技术对传感器IP数据进行封装，这里，目标传感器网络10A所对应的网关15A采用同样的协议处理方式对话所接收到IP数据包进行反向处理。

图5是本发明所提供的传感器网络接入网关15B结构实施例，它主要包括：传感器网络装置51、映射处理装置52、IP网络接口装置53，其中。

传感器网络接口装置51作为南向接口、用于支持与其连接的本地传感器网络中的传感器节点进行通信，其它可以实现如下协议栈结构：物理层提供简单但健壮的信号调制和无线收发技术，例如IEEE 802.15.4无线个人区域网定义了2.4GHz频段和868/915MHz频段两种物理层标准，其主要功能包括：激活和休眠射频收发器，信道能量检测，信道接收数据包的链路质量指示，空闲信道评估，收发数据；数据链路层负责数据成帧、帧检测、媒体访问和差错控制，例如IEEE802.15.4标准把数据链路层分为媒质接入层MAC和逻辑链路控制层LLC，MAC子层支持多种LLC标准，MAC子层使用物理层提供的服务实现设备之间的数据帧传输，而LLC子层在MAC子层的基础上，给设备提供面向连接和无连接的服务；网络层主要负责路由生成与路由选择(例如：Zigbee)及其相应的路由机制(例如Flooding协议、Gossiping协议等)。

映射处理装置52保存有目标传感器标识及其对应的接入网关IP地址映射表或相应的远端访问客户机的IP地址，通过检索该映射表，处理装置能发现目标传感器节点所对应的接入网关或客户机的IP地址，作为传感器网络接口装置和IP网络处理装置之间的桥接装置，它向IP网络处理装置初始化一个端到端的IP通信，这样，无论传感器网络与目标访问设备各自所采用的何种内部通信、路由机制，IP网络可以将一个传感器网络中的传感器节点数据透明地传输给远端访问客户机、或另外一个传感器网络中的目标传感器节点。

如果目标传感器网络有大量的传感器节点，该映射表空间将变得十分庞大，为了快速查找和映射，可采用一定的优化机制压缩索引空间，此外，结构ID的汇聚分配可用来完成分级路由。

IP网络接口装置53作为北向接口运行TCP/IP协议以将传感器数据包或应用数据封装成为IP数据包，并初始化IP数据包的端到端通信；或作为一个虚拟的传感器节点用于代表其所连接的所有传感器节点与其它传感器网络进行数据通信。

IP网络接口装置可进一步采用IP隧道机制来传送传感器数据包，例如常见的以第2层或第3层隧道协议为基础的隧道机制。底层物理接口上可扩展为支持任何网络通信接口类型，例如：符合IEEE802.3技术标准的以太网网络接口、符合IEEE802.11技术标准的无线网络接口、或GPRS/CDMA等通信网络接口。

尽管上述说明为本发明提供了一些实施例，并非用来限定本发明的保护范围，本技术领域的专业人员可以在不脱离本发明的范围和精神的前提下，对实施例进行各种修改，这种修改均属于本发明的范围内。

Claims (10)

1、一种传感器网络数据访问方法，所述传感器网络通过网关与IP网络系统相连接、以提供对传感器网络数据访问，其特征在于：

a)、在网关中保存目标访问设备信息；

b)、网关对来自所连接的传感器网络的传感器数据进行路由处理时，根据其目标节点信息查找目标访问设备信息；

c)、根据所获得的目标访问设备信息对传感器数据进行IP数据封装并通过IP网络发送至目标访问设备。

d)、目标访问设备对接收到的IP数据包进行解封装处理。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a)中目标访问设备信息为第二传感器网络传感器节点及其对应的第二网关IP地址信息，步骤d)中第二网关进一步将所接收的传感器数据转发给第二传感器网络中的目标传感器节点。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤a)目标访问设备信息为访问客户机的IP地址信息。

4、如权利要求1至3所述的方法，其特征在于所述步骤c)中，网关进一步以特定隧道协议对IP数据包进行封装处理，步骤d)中，目标访问设备对所接收到的进行数据相应的解封装处理。

5、一种传感器网络系统，包括：

第一传感器网络，由若干传感器节点组成；

第一网关，与所述第一传感器网络相连，对来自第一传感器网络的协议数据进行路由处理时，根据其目标节点信息查找其目标访问设备信息、并以目标访问设备信息对特定协议数据进行IP数据封装并提供给IP网络；

IP网络系统，与所述第一网关相连，对其IP数据进行路由；

目标访问设备，与所述IP网络系统相连，对接收到的IP数据包进行解封装处理。

6、如权利要求5所述的传感器网络系统，其特征在于所述目标访问设备为通过第二网关与IP网络相连接的第二传感器网络传感器节点，所述第二网关进一步将所接收的传感器数据转发给第二传感器网络中的目标传感器节点。

7、如权利要求5所述的传感器网络系统，其特征在于所述目标访问设备为访问客户机。

8、如权利要求5至7所述的传感器网络系统，其特征在于所述第一网关进一步以特定隧道协议对IP数据进行封装，所述目标访问设备对来自IP网络系统的IP数据包进一步进行相应的反向解封装处理。

9、一种支持对传感器网络数据访问的网关，其特征在于包括：

传感器网络接口装置：接收来自传感器网络的传感器节点特定协议数据并进行相应路由处理；

映射处理装置：用于保存目标访问设备信息、并根据所述传感器节点协议数据的目标节点信息获得所述目标访问设备信息；

IP网络接口装置：以所获得的目标访问设备信息对所述特定协议数据进行IP数据封装并发送至所连接的IP网络。

10、如权利要求9所述的网关，其特征在于所述IP网络接口装置进一步以特定隧道协议对IP数据进行封装处理。

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