一种集中式大规模无线传感网的组织机制及装置

1.一种集中式无线传感网络体系结构，其特征在于：
a)传感网关控制器是整个无线传感网络的核心控制装置，通过控制网络内的所有无线传感接入点来实现全网的统一管理、监控、动态配置、控制、数据处理和转发功能；
b)无线传感接入点可以看作是轻量级的传感网关，它在传感网关控制器的控制下实现到传感器和传感网关控制器的数据转发功能，以及对局部无线传感网络的拓扑维护和管理功能；无线传感接入点的启动包括：传感网关控制器发现；传感网关控制器连接；无线传感接入点版本加载；无线传感接入点动态配置；其中，所述传感网关控制器通过控制报文动态更改无线传感接入点配置，获取无线传感接入点运行状态、传感器信息和传感网络拓扑信息，从而实现对整个无线传感网的动态管理；
c)传感网关控制器和无线传感接入点之间有三种连接方式：直接连接、二层交换连接和三层路由连接；所述传感网关控制器和无线传感接入点之间的通信流量分为控制报文和数据报文两类；控制报文只在传感网关控制器和无线传感接入点之间传输，实现配置、管理、监控、版本更新功能；数据报文指需要在传感网关控制器和无线传感接入点之间转发的上下行数据流；控制报文和数据报文通过不同的UDP端口进行传输；控制报文中除“发现请求/应答”是明文传输以外，其他的强制使用DTLS保护，而数据报文可选择是否使用DTLS。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络体系结构，所述传感网关控制器发现是通过DHCP或DNS获得传感网关控制器的IP地址列表；无线传感接入点根据获取的传感网关控制器的IP地址列表，向各传感网关控制器发送连接请求；收到连接请求的传感网关控制器返回应答消息给无线传感接入点；无线传感接入点在应答的传感网关控制器中，选择一个作为其传感网关控制器。
3.根据权利要求1所述的集中式无线传感网络体系结构，所述无线传感接入点接收到来自传感器的数据流；无线传感接入点对收到的数据流进行封装；无线传感接入点利用DTLS隧道把数据流发送给传感网关控制器；传感网关控制器对数据流进行解封装和相关处理；传感网关控制器将需要进一步转发的数据流转发到外部通信网络；传感网关控制器接收到要发给传感器的数据流；传感网关控制器将数据流封装；传感网关控制器利用DTLS隧道把数据流发送给无线传感接入点；无线传感接入点对数据流进行解封装；无线传感接入点转发解封装后的数据流到传感器。
4.一种采用如权利要求1集中式无线传感网络体系结构中的传感网关控制器的控制装置，其中，包括：
无线传感接入点配置装置，用于实现对无线传感接入点的配置和动态管理；
无线传感接入点固件装载装置，用于实现对无线传感接入点固件程序的动态加载功能；
传感网络中间件装置，用于实现任务调度、传感器接入控制、数据过滤、数据聚合功能；
交互认证装置，用于实现和无线传感接入点之间的双向认证功能；
无线接口管理和配置装置，用于实现对无线传感接入点在传感网络侧无线接口的参数的动态配置；
控制流收发装置，用于在传感网关控制器和无线传感接入点之间建立安全传输隧道，实现控制流的发送和接收；
数据流收发装置，用于在传感网关控制器和无线传感接入点之间建立传输隧道，实现数据流的发送和接收；
第一获取装置，用于接收来自无线传感接入点的控制流和数据流信息；
第一发送装置，用于发送控制流和数据流信息到无线传感接入点。
5.一种采用如权利要求1集中式无线传感网络体系结构中的无线传感接入点的处理装置，其中，包括：
控制流收发装置，用于在传感网关控制器和无线传感接入点之间建立安全传输隧道，实现控制流的发送和接收；
数据流收发装置，用于在传感网关控制器和无线传感接入点之间建立传输隧道，实现数据流的发送和接收；
接入点管理装置，用于根据传感网关控制器的要求对无线传感接入点进行配置和管理，并实现对无线传感接入点所连接的局部无线传感器网络的拓扑维护和管理；
接入点固件装载装置，用于实现对无线传感接入点固件程序的动态加载功能；
交互认证装置，用于实现和传感网关控制器之间的双向认证功能；
无线接口管理和配置装置，用于实现对无线传感接入点在传感网络侧无线接口的参数的动态配置；
第二获取装置，用于接收来自外部通信网络的数据流；
第三获取装置，用于接收来自传感器的数据流和控制流；
第二发送装置，用于发送数据包到外部通信网络；
第三发送装置，用于发送数据包到传感器。
6.一种在通信网络的传感网关控制器设备，包括根据权利要求4所述的控制装置。
7.一种在通信网络的无线传感接入点设备，包括根据权利要求5所述的处理装置。

一种集中式大规模无线传感网的组织机制及装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及信息与通信技术领域，尤其涉及一种新型集中式大规模无线传感网络组织机制及实现装置。\n背景技术\n[0002] 近年来，无线传感网络技术得到了快速的发展。但是目前部署的无线传感网络的规模还普遍很小。随着泛在传感网络业务的逐渐推广，大规模无线传感网络的建立和使用将是无线传感网络下一步发展的重要趋势。\n[0003] 图1示出了现有技术的网络拓扑结构示意图。在无线传感网络中，传感网关通常被用来管理控制传感网络，并实现和外部网络的通信接口。一个传感网关的启动，需要大量的配置工作。对于一个大规模的传感网络而言，通常需要部署大量的传感网关，并且需要对每个传感网关进行动态管理、监视及控制。对于一个包含成百上千传感网关的大规模传感网络而言，网络管理的负担将会非常大。在业务管理方面，为了取得更好的业务性能，需要在全网进行动态协调，但由于传感网关相对独立，要达成这一点非常困难。安全性方面，由于覆盖需求，传感网关经常会被安装在无法保证安全的地方，如果传感网关被盗，静态保存在传感网关中的配置信息就会成为泄密渠道。同时，如何防止非法传感网关接入也对传感网络的安全性提出了挑战。目前，这些从小规模无线传感网络向大规模无线传感网络发展过程中遇到的问题还没有合适的解决方案。\n发明内容\n[0004] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种新型集中式无线传感网络的组织机制及装置。从而可以有效地解决大规模无线传感网络在网络管理、安全、业务控制和互操作性等方面的问题。\n[0005] 根据本发明的第一方面，提供了一种新型集中式无线传感网络体系结构，从图2可以看出，相比目前的无线传感网络体系结构，集中式无线传感网络体系结构增加了传感网关控制器这个要素，传感网关控制器可以看作是一组逻辑设备，实现了全网的管理、监控、动态配置、控制等功能。无线传感接入点与目前无线传感网络的传感网关有所不同，传感网关实现了传感网络的全部网络管理、控制和数据转发功能，而无线传感接入点只需要实现其中部分功能，如：传感网物理层、MAC层功能等。因此，可以把无线传感接入点看作是轻量级的传感网关。如图3所示，传感网关控制器和无线传感接入点之间有三种连接方式：直接连接、二层交换连接和三层路由连接。其中，三层路由连接使无线传感接入点可通过IP网络连接传感网关控制器，从而使无线传感接入点的部署更灵活。\n[0006] 根据本发明的第二方面，提供了一种传感网关控制器的控制装置，其中，包括：无线传感接入点配置装置，用于实现对无线传感接入点的配置和动态管理；无线传感接入点固件装载装置，用于实现对无线传感接入点固件程序的动态加载功能；传感网络中间件装置，用于实现任务调度、传感器接入控制、数据过滤、数据聚合等传感网络控制和数据处理功能；交互认证装置，用于实现和无线传感接入点之间的双向认证功能；无线接口管理和配置装置，用于实现对无线传感接入点在传感网络侧无线接口的参数动态配置；控制流收发装置，用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立安全的传输隧道，实现控制流的发送和接收；数据流收发装置，用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立安全的传输隧道，实现数据流的发送和接收；第一获取装置，用于获取来自无线传感接入点的数据流和控制流信息；第一发送装置，用于发送数据流和控制流到无线传感接入点。无线传感网络的大部分管理和控制功能在传感网关控制器装置上实现。传感网关控制器对无线传感网络内的无线传感接入点集中统一配置和控制，对传感网络流量集中进行桥接、转发和加密，以增强大规模无线传感网络的可管理性。\n[0007] 根据本发明的第三方面，提供了一种用于无线传感接入点的处理装置，其中，包括：控制流收发装置，用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立安全传输隧道，实现控制流的发送和接收；数据流收发装置，用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立安全传输隧道，实现数据流的发送和接收；接入点管理装置，用于根据传感网关控制器装置的要求对无线传感接入点进行动态配置和管理，并实现对无线传感接入点所连接的局部无线传感器网络的拓扑维护和管理；接入点固件装载装置，用于根据传感网关控制器传送的固件更新版本实现对无线传感接入点固件程序的动态加载功能；交互认证装置，用于实现和传感网关控制器之间的双向认证功能；无线接口管理和配置装置，用于实现对无线传感接入点在传感网络侧无线接口的参数的动态配置；第二获取装置，用于接收来自传感网关控制器的数据流量；第三获取装置，用于接收来自传感器的数据流量；\n第二发送装置，用于发送数据流量到传感网关控制器；第三发送装置，用于发送数据流量到传感器。\n[0008] 根据本发明的第四方面，提供了一种无线传感接入点的启动流程。其中，包括以下主要步骤：传感网关控制器发现；传感网关控制器连接；无线传感接入点版本加载；无线传感接入点动态配置。\n[0009] 根据本发明的第五方面，提供了一种集中式无线传感网的报文实现方法。在集中式无线传感网中，传感网关控制器和无线传感接入点之间的通信流量分为控制报文和数据报文两类。控制报文只在传感网关控制器和无线传感接入点之间传输，实现配置、管理、监控等功能；数据报文则指需要在传感网关控制器和无线传感接入点之间转发的上下行数据流，如：从外部通信网络发送到无线传感网络的数据流，从无线传感网络发送到外部通信网络的数据流，等等。两种报文通过不同的UDP端口进行传输，控制报文中除“发现请求/应答”是明文传输以外，其他的强制使用DTLS(传输层数据包安全协议)保护，而数据报文可选择是否使用DTLS。\n[0010] 根据本发明的第六方面，提供了一种集中式无线传感网的动态管理方法。传感网关控制器通过控制报文动态更改无线传感接入点配置，获取无线传感接入点运行状态、传感器信息、传感网络拓扑信息等等，从而实现对整个无线传感网络的动态管理。\n[0011] 根据本发明的第七方面，提供了一种集中式无线传感网络和外部通信网络之间的数据流传输方法。无线传感接入点对来自传感器的数据流进行加密，封装到DTLS隧道内，发送给传感网关控制器；传感网关控制器对该数据流进行解密，将还原后的数据流继续转发到外部通信网络。传感网关控制器对从外部通信网络接收到的要发往无线传感网络的数据流进行加密，封装到DTLS隧道内，发送给无线传感接入点；无线传感接入点对该数据流进行解密，将还原后的数据流继续转发到传感器。\n[0012] 采用本发明的方案，可以实现对大规模无线传感网的高效组织、集中控制与管理。\n附图说明\n[0013] 通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：\n[0014] 图1示出了现有技术的网络拓扑结构示意图；\n[0015] 图2示出了根据本发明的一个具体实施例的集中式无线传感网络体系结构示意图；\n[0016] 图3示出了根据本发明的一个具体实施例的集中式无线传感网络的网络连接方式示意图；\n[0017] 图4示出了根据本发明的一个具体实施例的无线传感接入点的启动流程图；\n[0018] 图5示出了根据本发明的一个具体实施例的传感网关控制器的发现流程图；\n[0019] 图6示出了根据本发明的一个具体实施例的传感网关控制器的控制装置示意图；\n[0020] 图7示出了根据本发明的一个具体实施例的无线传感接入点的处理装置示意图；\n[0021] 图8示出了根据本发明的一个具体实施例的集中式无线传感网络和外部通信网络之间的数据流传输流程图。\n[0022] 其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的步骤特征或装置/模块。\n具体实施方式\n[0023] 下面结合附图，对本发明的优选实施方式进行详细的说明。\n[0024] 如图3所示，包含有本发明的一个具体实施例的传感网关控制器装置可以通过三种连接方式和包含有本发明的一个具体实施例的无线传感接入点装置相连接。(1)直接相连：即传感网关控制器装置和无线传感接入点装置通过以太网网线直接连接，连接链路中间不存在交换机或者路由器设备。(2)二层交换：即传感网关控制器装置和无线传感接入点装置位于同一个二层网络内，两者间通过二层交换机相连接。(3)三层路由连接：即传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间可以通过任何IP网络连接。\n[0025] 图4示出了本发明的一个具体实施例的无线传感接入点装置的启动流程。其中，包括以下步骤：\n[0026] 步骤S10，传感网关控制器发现。\n[0027] 步骤S11，建立无线传感接入点装置和步骤S10的发现过程中所选择的传感网关控制器装置之间的DTLS连接。\n[0028] 步骤S12，无线传感接入点装置通过DTLS通道发送“加入请求”给传感网关控制器装置，传感网关控制器装置回复“加入应答”确认无线传感接入点装置加入该传感网关控制器装置的管理范围。\n[0029] 步骤S13，若无线传感接入点装置的固件版本过期，则进入升级固件过程。否则，执行步骤S16。\n[0030] 步骤S14，无线传感接入点装置从传感网关控制器装置下载最新的固件，并更新固件版本。\n[0031] 步骤S15，固件版本升级成功后，无线传感接入点装置重启，重新进入发现过程。\n[0032] 步骤S16，若无线传感接入点装置的固件为最新版本，则从传感网关控制器装置下载配置参数，并根据相关参数对无线传感接入点装置进行配置。\n[0033] 步骤S17，进入运行阶段。\n[0034] 图5示出了传感网关控制器的发现流程。其中，包括以下步骤：\n[0035] 步骤S10，无线传感接入点被连接到网络时即进入发现传感网关控制器的过程。无线传感接入点装置通过DHCP或DNS获得传感网关控制器装置的IP地址列表。此过程可能获得1到多个传感网关控制器装置的IP地址。\n[0036] 步骤S11，无线传感接入点装置根据第一步获取的传感网关控制器装置的IP地址列表，向各传感网关控制器装置发送连接请求。\n[0037] 步骤S12，收到连接请求的传感网关控制器装置返回应答消息给无线传感接入点装置。无线传感接入点装置等待接收传感网关控制器装置返回的连接应答消息。\n[0038] 步骤S13，无线传感接入点装置在收到应答消息的传感网关控制器装置中，选择一个作为其传感网关控制器。\n[0039] 图6示出了根据本发明的一个具体实施例的传感网关控制器的控制装置示意图。\n它主要包括：无线传感接入点配置装置101、无线传感接入点固件装载装置102、传感网络中间件装置103、交互认证装置104、无线接口管理和配置装置105、控制流收发装置106、数据流收发装置107、第一获取装置108、第一发送装置109。其中：\n[0040] 无线传感接入点配置装置101用于实现对无线传感接入点装置的动态配置和管理。当无线传感接入点装置启动并发现了传感网关控制器后，传感网关控制器装置会传递配置信息到无线传感接入点装置。无线传感接入点配置装置101负责将无线传感接入点配置信息发送给已连接的无线传感接入点装置。无线传感接入点装置本身可以是零配置，所有配置信息都来自传感网关控制器的无线传感接入点配置装置101。\n[0041] 无线传感接入点固件装载装置102用于实现对无线传感接入点固件程序的动态加载功能。当无线传感接入点装置启动并发现了传感网关控制器后，无线传感接入点装置会上报其固件版本信息，如果固件版本不是最新版本，则传感网关控制器的无线传感接入点固件装载装置102会传送最新固件版本到无线传感接入点装置进行新版本加载。\n[0042] 传感网络中间件装置103用于实现任务调度、传感器接入控制、数据过滤、数据聚合等传感网络控制和数据处理功能。\n[0043] 交互认证装置104用于实现和无线传感接入点装置之间的双向认证功能，从而防止非法传感网关控制器或者非法无线传感接入点接入到无线传感网络系统。\n[0044] 无线接口管理和配置装置105用于实现对无线传感接入点装置在传感网络侧接口的动态参数配置。传感网络侧接口用于和传感器节点相连接，它可以是Zigbee接口，也可以是WiFi接口，或者是其他无线网络接口。无线接口管理和配置装置105可以统一协调其所控制的所有无线传感接入点装置的无线网络接口的参数配置。\n[0045] 控制流收发装置106用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立安全传输隧道，实现控制流的发送和接收。控制流信息仅存在于传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间，实现对无线传感接入点装置的动态控制和管理。\n[0046] 数据流收发装置107用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立安全传输隧道，实现数据流的发送和接收。无线传感接入点装置将来自传感器的数据流封装在隧道内，传送到传感网关控制器装置，由数据流收发装置107解密后继续传送到外部通信网络。同时数据流收发装置107也会将要发送到无线传感网络的数据流量封装在DTLS隧道内，发送给无线传感接入点装置。\n[0047] 第一获取装置108，用于接收来自无线传感接入点的控制流和数据流信息。\n[0048] 第一发送装置109，用于发送控制流和数据流信息到无线传感接入点。\n[0049] 图7是本发明所提供的无线传感接入点的处理装置的结构实施例，它主要包括：控制流收发装置201、数据流收发装置202、接入点管理装置203、接入点固件装载装置204、交互认证装置205、无线接口管理和配置装置206、第二获取装置207、第三获取装置208、第二发送装置209、第三发送装置210。其中：\n[0050] 控制流收发装置201用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立安全传输隧道，实现控制流的发送和接收。\n[0051] 数据流收发装置202用于在传感网关控制器装置和无线传感接入点装置之间建立传输隧道，实现数据流的发送和接收。数据流收发装置202将来自无线传感器的数据流封装在数据流传输隧道内，传送到传感网关控制器装置；同时也会将来自传感网关控制器的数据流解密后，转发到无线传感器。\n[0052] 接入点管理装置203用于根据传感网关控制器装置的要求对无线传感接入点装置进行动态配置和管理。当无线传感接入点装置启动并发现了传感网关控制器后，传感网关控制器装置会传递配置信息到无线传感接入点装置。无线传感接入点配置装置203在接收到相关配置信息后，会对无线传感接入点装置进行相关配置。无线传感接入点本身可以是零配置，所有配置信息都来自传感网关控制器装置。接入点管理装置203也负责实现对无线传感接入点装置所连接的局部无线传感器网络的拓扑维护和管理。\n[0053] 接入点固件装载装置204用于实现对无线传感接入点固件程序的动态加载功能。\n当无线传感接入点装置启动并发现了传感网关控制器装置后，无线传感接入点装置会上报其固件版本信息，如果固件版本不是最新版本，则传感网关控制器装置会传送最新固件版本到无线传感接入点装置。接入点固件装载装置204将会利用最新版本来更新原有固件版本。\n[0054] 交互认证装置205用于实现和传感网关控制器装置之间的双向认证功能，从而防止非法传感网关控制器装置或者非法无线传感接入点装置接入到无线传感网络系统。\n[0055] 无线接口管理和配置装置206用于实现对无线传感接入点装置在传感网络侧无线接口的参数动态配置。传感网络侧无线接口可以是Zigbee接口，也可以是WiFi接口，甚至是其他无线网络接口。\n[0056] 第二获取装置207用于接收来自传感网关控制器装置的控制和数据流量。\n[0057] 第三获取装置208用于接收来自传感器的控制和数据流量。\n[0058] 第二发送装置209用于发送控制和数据流量到传感网关控制器装置。\n[0059] 第三发送装置210用于发送控制和数据流量到传感器。\n[0060] 根据本发明实施例，还提供了一种集中式无线传感网络和外部通信网络之间的数据流传输流程，其可以使用上述的系统结构和装置。\n[0061] 下面根据图8并结合图2来介绍该流程。该流程包括以下处理步骤：\n[0062] 步骤S10，无线传感接入点装置接收到来自传感器1的数据流；\n[0063] 步骤S11，无线传感接入点装置对接收到的数据流进行封装；\n[0064] 步骤S12，无线传感接入点装置利用DTLS隧道发送数据流给传感网关控制器装置；\n[0065] 步骤S13，传感网关控制器装置对收到的数据流进行解封装，并进行设备预先定义的各种相关处理；\n[0066] 步骤S14，传感网关控制器装置将需要进一步转发的数据流转发到外部通信网络(如：Internet)，如：发送给通过Internet连接的传感网络应用服务器；\n[0067] 步骤S15，传感网关控制器装置从外部通信网络接收到要发给传感器1的数据流，如：通过Internet远程连接的传感网络应用服务器发送给传感器1的数据流；\n[0068] 步骤S16，传感网关控制器装置对数据流进行处理和封装；\n[0069] 步骤S17，传感网关控制器装置利用DTLS隧道把数据流发送给无线传感接入点装置；\n[0070] 步骤S18，无线传感接入点装置对收到的数据流进行解封装；\n[0071] 步骤S19，无线传感接入点装置转发解封装后的数据流到传感器1。\n[0072] 上述设备实施例中描述的多个细节同样适用于方法实施例，因此，省略了对相同或相似部分的重复描述。\n[0073] 以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。