无线传感器网络智能技术与应用 课件 第8章 WSN接入技术

无线传感器网络智能技术与应用武汉理工大学清华大学出版社2025.8

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第8章WSN接入技术

第8章WSN接入技术学习目标•了解接入WSN的方式。•掌握无线以太网接入WSN。•了解无线局域网接入WSN。•了解移动通信网接入WSN。•了解WSN接入体系结构。•了解传感器网络接入Internet的方法。•了解WSN接入网关设计。•了解Internet→WSN数据包转换。•了解WSN→Internet数据包转换。•了解数据包转换表生成。•了解服务提供体系。•了解服务提供网络中间件。•了解服务提供步骤。•了解网关接入外部基础设施网络的实现。学习目标8.1多网融合体系结构1

多网融合的无线传感器网络是在传统无线传感器网络的基础上，利用网关接入技术，实现无线传感器网络与以太网、无线局域网、移动通信网等多种网络的融合,其体系结构如图8-1所示。图8-18.2面向WSN接入8.2.1概述1.网关研究现状

由于无线传感器网络系统的特殊性，其应用领域与普通通信网络有着显著的区别，在实际应用中的无线传感器网络并不能以一个独立的通信网络形式存在。2.网关分类目前应用比较广泛、技术比较成熟的无线传感器网络网关主要有以下三类。（1）基于Internet的WSN网关

（2）基于无线通信的WSN网关（3）利用公用电话网的WSN网关3.网关设计接入方式考虑因素在实际应用中，选择网关的接入方式时，该综合考虑以下三个方面：（1）应该考虑WSN的应用环境所能提供的可能的网络接入方式；（2）与现有网络相比，WSN是一种以数据为中心的网络，网关节点的上行数据量大而下行数据量小。（3）网关节点的成本和集成难度也是一个关键因素。8.2.2面向以太网的WSN接入

1.以太网接入WSN方式

以太网是总线形拓扑结构局域网的典型代表，图8-2说明了这个概念。

2.以太网数据传输的实现

网关与远程终端之间的以太网数据传输程序，采用的是面向连接的客户机——服务器模型，其通信过程如图7-3所示。图8-2图8-38.2.3面向无线局域的WSN接入

网关节点通过无线网卡模块以无线的方式接入无线局域网，从而实现无线传感器网络与Internet的互联互通。无线网卡按照接口的不同可以下四多种。

（1）台式机专用的PCI接口无线网卡；

（2）笔记本电脑专用的PCMCIA接口网卡；

（3）USB无线网卡；

（4）笔记本电脑内置的MINI-PCI无线网卡。

网关节点还可以通过GSM移动台空中接口、TD-SCDMA移动台空中接口和相应的编码调制系统接入移动网络。8.2.4面向移动通信网的WSN接入

以GPRS和TD-SCDMA为例，介绍面向移动通信网的无线传感器网络接入技术。1.短消息收发方式2.短消息PDU编码3.GPRS数据传输程序设计数据传输流程图如图7-4所示。4.协议栈结构TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准(简称3G)

以无线传感器网络与目前主流的TD-SCDMA网络为例，其协议栈结构如图7-5所示。

GPRS---GeneralPacketRadioService，通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。通俗地讲，GPRS是一项高速数据处理的技术，方法是以"分组"的形式传送资料到用户手上。虽然GPRS是作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，但是它在许多方面都具有显著的优势。目前，香港作为第一个进行GPRS实地测试的地区，已经取得了良好的收效。图8-4图8-58.3WSN接入Internet8.3.1概述

目前，传感器网络接入Internet的研究尚处于初级阶段，主要方式如下：利用网关或者是赋予IP地址的节点，屏蔽下层无线传感器节点，向远端的Internet用户提供实时的信息服务，并且实现互操作；利用移动代理技术，在移动代理中实现传感器网络协议栈和传统的TCP/IP协议栈的数据包转换，实现传感器网络接入Internet。8.3.2WSN接入Internet的结构

根据传感器网络节点是否能够支撑TCP/IP协议栈，其接入Internet的结构分为同构网络和异构网络接入方式。1.同构网络接入方式

在传感器网络和Internet之间设置一个或几个独立网关节点，实现传感器网络接入Internet的网络称为同构网络，如图8-6所示。在同构网络中，除了网关节点外，所有节点具有相同的资源。

同构网络利用应用层网关作为接口，将传感器网络接入Internet。

对于网络结构简单的传感器网络，网关可以作为Web服务器，传感器节点的数据存储在网关上，并以Web服务的形式提供给用户。

对于结构复杂的多层次传感器网络，网关可以视为分布式数据库的前台，用户通过SQL语言提交查询，查询的应答和优化在传感器网络内部完成，结果通过网关返回给用户。

此方式实际上是把与互联网标准IP的接口置于传感器网络外部的网关节点。同构网络接入方式比较适合于传感器网络的数据流模式，易于管理，无需对传感器网络本身进行大的调整。

此方式的缺点是，由于查询造成大量数据流在网关节点周围聚集，并不符合网内处理的原则，会造成一定程度的信息冗余。

其改进方案是使用多个网关节点，多出口方案的好处在于解决网络瓶颈问题，并且避免了网络的局部拥塞，但是信息冗余的问题依然没有得到解决。图8-62.异构网络接入方式

如果网络中部分节点拥有比其他大部分节点更高的能力，并被赋予IP地址，运行TCP/IP协议栈，这种网络称为异构网络，如图8-7所示。

异构网络的特点是：部分能力高的节点被赋予IP地址，作为与互联网标准IP的接口。这些高能力的节点可以完成复杂的任务，承担更多的负荷，可以充当簇头节点。

在分簇的异构网络中，可以在底层传感器网络的基础上，以这些被赋予IP地址的簇头节点建立一个IP网络。

与同构网络相比，异构网络的能耗分布较为均衡，而且采用网内处理原则，减少信息冗余。

但是异构网络需要对传感器网络进行较大的调整，包括节点功能、路由算法等，增加了传感器网络设计与管理的难度。图8-78.3.3WSN接入Internet方法(1)

目前，研究人员对传感器网络如何接入Internet没有达成共识。

无论是采用同构还是异构网络结构，接入节点的设计以及传感器网络的服务提供方式是非常重要的。

现有传感器网络接入Internet方案主要有以下五种。

1.应用层网关应用层网关方式互联WSN

和Internet体系结构如图8-８所示。图8-８8.3.3WSN接入Internet方法(2)

2.延时容忍网络(DTN)DTN方式互联WSN和Internet体系结构如图8-9所示。

图8-98.3.3WSN接入Internet方法(3)TCP/IP覆盖WSN方式互联WSN和Internet体系结构如图7-10所示.3.TCP/IP覆盖传感器网络协议栈WSN覆盖TCP/IP方式互联WSN和Internet体系结构如图7-11所示.４．传感器网络协议栈覆盖TCP/IP

５．移动代理图8-10图8-11

移动代理技术被提议解决传感器网络接入Internet问题,主要方法是在通信移动代理中封装。8.3.4WSN接入Internet体系结构设计传感器网络接入Internet需要解决两个问题：

WSN-Internet网关实现传感器网络和Internet的网络层互联：

在网关上实现协议转换，包括传感器网络数据包转换成Internet数据包和Internet数据包转化成传感器网络数据包。

设计的接入体系结构如图8-13所示。图8-138.3.4WSN接入Internet体系结构设计1.接入网关设计设计的WSN-Internet网关结构如图8-13所示。图8-138.3.4WSN接入Internet体系结构设计2.Internet--->WSN数据包转换具体的转换算法如下所示。(1)对来自Internet用户请求数据包中的请求令牌进行认证(具体认证方式可采用证书方式),若请求令牌非法,则丢弃此信息;若请求令牌合法,提取数据包中的用户IP地址。(2)在请求令牌认证通过之后,提取此请求数据包中的地址转换类型,若转换类型为基于数据信息的发现,则执行(3);若转换类型为基于IP地址的发现,则执行(4)。(3)提取数据包内容,根据请求数据包的内容查找信息库得到相应传感器节点的ID/位置。(4)根据步骤(1)中提取的用户IP地址查找IP映射库得到相应的传感器节点的ID/位置。(5)将步骤(1)中提取的用户IP地址和步骤(3)中得到的传感器节点ID/位置保存在IP地址和传感器节点映射记录表中,供此请求的响应消息使用。(6)生成传感器网络中的数据包。

数据包转换的具体流程如图8-14所示。

图8-148.3.4WSN接入Internet体系结构设计

3.WSNInternet数据包转换

数据包转换的具体流程如图8-15所示。

具体的转换步骤如下所示。

(1)提取来自WSN的请求响应数据包中的传感器节点ID/位置。

(2)根据获得的节点ID/位置,查找IP地址和传感器节点映射记录表获得对应的lP地址。

(3)生成WSN-Internet网关给用户的请求响应数据包。

(4)从IP地址-传感器节点映射记录表中删除该条记录。

4.数据包转换表生成在上述的数据包转换过程中,需要在网关建立三张映射表:

分别为信息服务表、IP映射表和IP地址-传感器节点映射表。

这三张表是数据包转换的依据,由WSN-Internet网关负责生成和维护图8-158.4WSN服务提供方法8.4.1服务提供体系

传感器网络接入Internet,将Internet的功能延伸到物理世界的各个角落。借助Web图8-16传感器网络的服务提供示意Service的思想设计传感器网络服务提供方式。

管理服务器为用户提供传感器网络服务的查找、定购和使用服务。服务提供方式如图8-17所示。8.4.2服务提供网络中间件

为了完成传感器网络服务提供,设计如图7-18所示的网络中间件。8.4.3服务提供步骤

传感器网络服务访问由服务注册、服务查询、服务定购和服务调用4个步骤组成。

服务注册分为两个步骤:传感器网络将自己能够提供的服务向WSN-Internet网关注;

WSN_x0002_Internet网关将传感器网络提供的服务向管理服务器注册。

服务查询为Internet用户向管理服务器查询传感器网络服务。

服务定购为Internet用户定购传感器网络服务,定购传感器网络服务的用户能够得到服务访问令牌和服务访问方法。

服务调用为用户在令牌认证通过后,通过WSN-Internet网关调用传感器网络服务,具体流程如图7-19所示。8.5多网融合网关的硬件设计

网关的构建以实用性、开放性、功能的可扩展性、技术的先进性为指导原则，通过对无线传感器网络数据传输过程的分析，并按照嵌入式系统的开发流程总结出网关的设计需求如下。

1.硬件需求；

2.软件需求。

根据上述的硬件和软件需求，无线传感器网络网关的总体实现目标如下。

①网关设计要具备良好的可扩展性；

②实现对无线传感器网络不同节点信息的采集和转换；

③远程数据传输应具备无线和有线两种方式，提高可靠性；

④网关可以实现各模块程序并行执行。8.5.1网关总体结构设计1.网关节点设备的技术指标

2.网关设备的典型结构网关典型的系统架构图如图所示，包括以下七个组成模块。8.5.1网关总体结构设计

1）多类型网络控制与接入模块

2）异构网络协议转换模块

3）核心控制与处理模块

4）IEEE802.15.4无线通信模块

5）外部存储和能量供应模块

6）多类型网络协议栈存储模块

7）基础服务与管理模块3.面向多类型异构的WSN网关节点设备实现策略

1）功能化、模块化与集成化设计策略

2）通用部件复用策略

3）可重用及二次开发策略8.5.2现代WSN网关实验平台

1.总体结构图现代无线传感器网络网关开发，有许多公司都有自己的产品，虽然品种很多，但结构原理基本一样，现就以武汉创维特的CVT-WSN-S全功能无线传感网络教学实验系统为例来说明网关的相关结构知识如图所示。2.平台网关

在CVT-WSN-S实验板有五种不同形式的网关。

1)Cortex-A8网关开发板

Cortex-A8网关开发板如图8-21所示,硬件参数如下：2）IPv6网关,IPv6网关板如图7-22，3）WIFI网关,WIFI网关板如图４)蓝牙网关,如图8-23所示５)ZigBee网关,图8-24网关协议转化过程.

8.6网关接入外部基础设施网络的实现

WSN网关设计的一个关键功能就是实现与Internet的互联。实现WSN通信协议与当前互联网传输控制协议/网间协议(TCP/IP)的转换。

WSN网络与Internet互联通常采用如下3种方式进行。

①在WSN与TCP/IP网络之间设置一个服务代理，代理既可以与WSN网络节点通信，也可以在TCP/IP网络上的主机进行通信。本书设计的网关正是充当此代理的作用。

②在WSN与TCP/IP网络之间采用一种时延自适应网(DT