一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法
【專利摘要】一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，屬于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】。所述方法是根據(jù)6LoWPAN協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)整個應(yīng)用層框架，在協(xié)議棧中引進(jìn)應(yīng)用層技術(shù)和對象概念，設(shè)計(jì)符合協(xié)議棧要求的應(yīng)用層幀頭、選擇并實(shí)現(xiàn)用于應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸和交互的節(jié)點(diǎn)間特定的通信模式，并設(shè)計(jì)對應(yīng)通信模式下的幀格式；設(shè)計(jì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互幀格式；設(shè)計(jì)應(yīng)用層快捷方式機(jī)制和對象關(guān)系建立功能以及對應(yīng)命令幀格式，并在協(xié)議棧狀態(tài)機(jī)機(jī)制下實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明定義了用戶應(yīng)用對象，以便與工業(yè)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；定義了應(yīng)用層通信服務(wù)，以此來支持工業(yè)環(huán)境中分布式應(yīng)用的多個對象之間的通信。
【專利說明】—種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法。
【背景技術(shù)】
[0002]6LoWPAN協(xié)議棧具有多層結(jié)構(gòu)，每一層都為其上下層提供特定的服務(wù):數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)服務(wù)，管理實(shí)體提供管理服務(wù)。6LoWPAN協(xié)議棧中每層都有相關(guān)協(xié)議的定義與設(shè)計(jì)。其中，PHY層和MAC層采用IEEE802.15.4協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層采用IPv6協(xié)議，并且，為了實(shí)現(xiàn)MAC層與網(wǎng)絡(luò)層的無縫連接，6LoffPAN協(xié)議棧在網(wǎng)絡(luò)層和MAC層之間定義了適配層，而對于應(yīng)用層，6LoWPAN協(xié)議棧沒有明確定義其相關(guān)功能以及通信模式。因此，本發(fā)明希望設(shè)計(jì)一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，使數(shù)據(jù)能夠在6LoWPAN協(xié)議棧應(yīng)用層上準(zhǔn)確、更快、更好的傳輸與交互。
[0003]作為6LoWPAN協(xié)議棧重要組成部分的應(yīng)用層，其采用了對象機(jī)制，通過各個對象和服務(wù)可以充分滿足用戶和工業(yè)現(xiàn)場的需求。6LoWPAN協(xié)議棧的應(yīng)用層框架分為UPL層和APS層兩層。UPL包括若干用戶應(yīng)用進(jìn)程(UAP)，每個UAP包括若干對象，其利用APS層提供的服務(wù)完成節(jié)點(diǎn)設(shè)備間的通信，UAP管理功能在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中尤為重要，其使得在設(shè)備中處理管理應(yīng)用進(jìn)程更為方便；APS層作為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口，為UPL層和網(wǎng)絡(luò)層提供了相關(guān)服務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于依據(jù)現(xiàn)有6LoWPAN協(xié)議棧的設(shè)計(jì)，以及工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，提出一種在工業(yè)環(huán)境中能夠保障正常數(shù)據(jù)傳輸與交互的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，結(jié)合工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)合理的應(yīng)用層數(shù)據(jù)格式，以此實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用對象之間的正常通信，提高工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸與交互的可靠性、保證管理用戶應(yīng)用進(jìn)程以及網(wǎng)絡(luò)中通信服務(wù)的質(zhì)量。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供技術(shù)方案如下:
[0006]一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，用于工業(yè)過程的數(shù)據(jù)傳輸與交互以及工業(yè)環(huán)境中分布式應(yīng)用的多個對象之間的通信。
[0007]所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)通過對象方式進(jìn)行，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式。
[0008]根據(jù)6LoWPAN協(xié)議棧的設(shè)計(jì)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)整個應(yīng)用層框架，所述方法將應(yīng)用層框架分為UPL層和APS層兩層，其中APS層作為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口，為UPL層和網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，提供的服務(wù)包括數(shù)據(jù)服務(wù)、管理服務(wù)以及對管理對象屬性的操作。APS層中包含APSDE和APSME兩個實(shí)體，通過這兩個實(shí)體向應(yīng)用對象和下層提供服務(wù)，APSDE提供數(shù)據(jù)服務(wù)給網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用端，使得應(yīng)用程序之間能夠在兩個或多個設(shè)備間傳輸；APSME提供管理服務(wù)，允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧進(jìn)行交互。[0009]具體地，所述應(yīng)用子層APS提供六種服務(wù)，分別是:應(yīng)用層設(shè)備在客戶/服務(wù)器(Client/Server)通信模式下進(jìn)行讀、寫、執(zhí)行和報(bào)告確認(rèn)操作；在發(fā)布/訂閱(Publisher/Subscriber)通信模式下進(jìn)行發(fā)布操作；在報(bào)告(R印ort/Sink)通信模式下進(jìn)行報(bào)告操作。
[0010]用戶應(yīng)用進(jìn)程和設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程都以應(yīng)用子層提供的服務(wù)為基礎(chǔ)來進(jìn)行對象之間的通信。
[0011]進(jìn)一步，根據(jù)應(yīng)用層中上層和子層的模型，在無線傳感器中引進(jìn)應(yīng)用層技術(shù)和對象概念，實(shí)現(xiàn)對所提供服務(wù)的分類管理。
[0012]進(jìn)一步，設(shè)計(jì)符合協(xié)議棧要求的應(yīng)用數(shù)據(jù)幀頭格式、選擇合適的用于應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸和交互的節(jié)點(diǎn)間特定的通信模式，包括被動客戶/服務(wù)器(Client/Server)通信模式、主動發(fā)布/訂閱(Publisher/Subscriber)通信模式和主動報(bào)告(Report/Sink)通信模式，并設(shè)計(jì)三種通信模式下的命令幀格式。
[0013]進(jìn)一步，設(shè)計(jì)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互幀格式，包括讀、寫、執(zhí)行、報(bào)告、報(bào)告確認(rèn)和發(fā)布功能的應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互幀格式及其相對應(yīng)的負(fù)載格式。
[0014]進(jìn)一步，設(shè)計(jì)應(yīng)用層快捷方式機(jī)制和基于快捷方式機(jī)制的命令幀格式。實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低能耗的數(shù)據(jù)通信。在對同一無線傳感器節(jié)點(diǎn)的多個參數(shù)進(jìn)行讀、寫服務(wù)時采用此機(jī)制，能夠更好、更方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。
[0015]進(jìn)一步，設(shè)計(jì)對象關(guān)系建立功能和對象關(guān)系建立功能下的命令幀格式，網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)了已建立關(guān)系對象能夠直接進(jìn)行通信而不需要其他設(shè)備輔助，以節(jié)省能耗，使網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備進(jìn)行對象關(guān)系建立，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備間應(yīng)用程序功能互補(bǔ)的邏輯連接。
[0016]本發(fā)明的有益效果在于，相對于現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互技術(shù)方法，本發(fā)明將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、IPv6技術(shù)、應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法。該方法滿足了 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的需求，可以很好的運(yùn)行在IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧上，進(jìn)行設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸與交互。同時，該方法提高了工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，保證了用戶應(yīng)用進(jìn)程的管理以及網(wǎng)絡(luò)中通信服務(wù)的質(zhì)量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1ΙΡν6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧體系圖
[0018]圖2IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)圖
[0019]圖3Client/Server通信模式數(shù)據(jù)交互圖
[0020]圖4Publisher/Subscriber通信模式數(shù)據(jù)交互圖
[0021]圖5Report/Sink通信模式數(shù)據(jù)交互圖
[0022]圖6快捷方式機(jī)制通信數(shù)據(jù)交互圖
[0023]圖7對象關(guān)系建立在線配置方式數(shù)據(jù)交互圖
[0024]圖8對象關(guān)系建立預(yù)配置方式集中式查詢數(shù)據(jù)交互圖
[0025]圖9對象關(guān)系建立預(yù)配置方式分布式查詢數(shù)據(jù)交互圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述:
[0027]IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧體系如圖1所示，應(yīng)用層位于協(xié)議棧最上層。本發(fā)明設(shè)計(jì)了整個應(yīng)用層框架，將應(yīng)用層框架設(shè)計(jì)分為UPL和APS兩層。
[0028]IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，APS層包含了 IPv6設(shè)備對象、設(shè)備發(fā)現(xiàn)功能和服務(wù)發(fā)現(xiàn)功能。其中IPv6設(shè)備對象提供初始化應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、安全服務(wù)規(guī)范；APS層為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供了接口，APS層中包含APSDE和APSME兩個實(shí)體。APSDE提供數(shù)據(jù)服務(wù)給網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用端，使得應(yīng)用程序之間能夠在兩個或多個設(shè)備間傳輸;APSME提供管理服務(wù)，允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧進(jìn)行交互。通過這兩個實(shí)體向應(yīng)用對象和下層提供服務(wù)。
[0029]應(yīng)用層管理信息對象屬性由設(shè)備的應(yīng)用層管理所必需的屬性構(gòu)成。表1詳細(xì)描述了應(yīng)用層管理信息對象所包含的屬性。
[0030]表1:應(yīng)用層管理信息對象屬性
[0031]
【權(quán)利要求】
1.一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，所述無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交互的實(shí)現(xiàn)通過對象方式進(jìn)行，其中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式； 所述方法將應(yīng)用層框架分為UPL層和APS層兩層，其中APS層作為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口，為UPL層和網(wǎng)絡(luò)層提供服務(wù)，APS層中包含APSDE和APSME兩個實(shí)體，通過這兩個實(shí)體向應(yīng)用對象和下層提供服務(wù)，APSDE提供數(shù)據(jù)服務(wù)給網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用端，使得應(yīng)用程序之間能夠在兩個或多個設(shè)備間傳輸;APSME提供管理服務(wù)，允許應(yīng)用程序與協(xié)議棧進(jìn)行交互； 所述應(yīng)用子層APS提供的服務(wù)分別是:應(yīng)用層設(shè)備在客戶/服務(wù)器通信模式下進(jìn)行讀、寫、執(zhí)行和報(bào)告確認(rèn)操作；在發(fā)布/訂閱通信模式下進(jìn)行發(fā)布操作； 在報(bào)告通信模式下進(jìn)行報(bào)告操作； 用戶應(yīng)用進(jìn)程和設(shè)備管理應(yīng)用進(jìn)程都以應(yīng)用子層提供的服務(wù)為基礎(chǔ)來進(jìn)行對象之間的通信。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，所述應(yīng)用層設(shè)備在客戶/服務(wù)器通信模式下進(jìn)行讀、寫操作過程可采用如下快捷方式機(jī)制，步驟如下: a)源設(shè)備在需要頻繁的對目標(biāo)設(shè)備的對象屬性進(jìn)行讀、寫操作時，執(zhí)行步驟b)； b)源設(shè)備根據(jù)快捷方式命令幀格式構(gòu)造相應(yīng)的申請快捷方式ID命令幀，并裝載相應(yīng)的快捷方式請求； c)源設(shè)備將已構(gòu)造好的申請快捷方式ID命令幀發(fā)送至目標(biāo)設(shè)備，并等待目標(biāo)設(shè)備的響應(yīng)； d)目標(biāo)設(shè)備在收到來自源設(shè)備的申請快捷方式ID命令幀時，進(jìn)行判斷，并構(gòu)造相應(yīng)的響應(yīng)命令幀、裝載相關(guān)信息，以響應(yīng)源設(shè)備的請求； e)源設(shè)備在收到目標(biāo)設(shè)備返回的快捷方式ID時，隨后與該設(shè)備的數(shù)據(jù)交互即對該設(shè)備的讀、寫操作即可直接通過快捷方式ID完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，在應(yīng)用層設(shè)計(jì)對象關(guān)系建立功能ORE，通過在線配置方式或者預(yù)配置方式來實(shí)現(xiàn)，其中預(yù)配置方式又分為集中式查詢方式、分布式查詢方式以及固定IP地址方式。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，通過在線配置方式來實(shí)現(xiàn)對象關(guān)系建立功能的主要步驟如下: a)設(shè)備在入網(wǎng)成功之后構(gòu)造相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，并主動將自身設(shè)備信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器: b)協(xié)調(diào)器在接收到設(shè)備發(fā)送來的設(shè)備信息后，將其保存在協(xié)調(diào)器中，在所有的節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后協(xié)調(diào)器開始設(shè)定各個設(shè)備之間的應(yīng)用對象關(guān)系； c)協(xié)調(diào)器將設(shè)定好的應(yīng)用對象關(guān)系發(fā)送給對應(yīng)的設(shè)備，在設(shè)備接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的對象關(guān)系建立結(jié)果后便可以與建立關(guān)系的設(shè)備進(jìn)行通信。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，通過預(yù)配置集中式查詢方式來實(shí)現(xiàn)對象關(guān)系建立功能的主要步驟如下: a)在網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備入網(wǎng)之前將目標(biāo)設(shè)備的參數(shù)預(yù)先配置到源設(shè)備中； b)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備入網(wǎng)成功之后即向協(xié)調(diào)器匯報(bào)自身的設(shè)備信息，并構(gòu)造相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)幀發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將接收到的設(shè)備信息保存在的表中； c)在所有的設(shè)備都已發(fā)送完設(shè)備信息之后，源設(shè)備即向協(xié)調(diào)器發(fā)送查詢目標(biāo)設(shè)備請求幀，該目標(biāo)設(shè)備請求幀包含預(yù)配置的目標(biāo)設(shè)備參數(shù)； d)協(xié)調(diào)器根據(jù)源設(shè)備發(fā)送的目標(biāo)設(shè)備請求幀查詢相應(yīng)的信息表，并將查詢的結(jié)果以及符合條件的目標(biāo)設(shè)備地址以響應(yīng)幀的格式發(fā)送給源設(shè)備； e)源設(shè)備在接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的目標(biāo)設(shè)備地址后便可與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，通過預(yù)配置分布式查詢方式來實(shí)現(xiàn)對象關(guān)系建立功能的主要步驟如下: a)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備入網(wǎng)之前將目標(biāo)設(shè)備的參數(shù)預(yù)先配置到源設(shè)備中； b)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備入網(wǎng)成功之后，源設(shè)備開始構(gòu)造關(guān)系發(fā)現(xiàn)幀，并向網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備發(fā)送關(guān)系發(fā)現(xiàn)幀，該關(guān)系發(fā)現(xiàn)幀中包含預(yù)配置的目標(biāo)設(shè)備參數(shù)； c)網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備接收到關(guān)系發(fā)現(xiàn)幀之后，通過核對目標(biāo)設(shè)備參數(shù)查詢自己是否為目標(biāo)設(shè)備，如果目標(biāo)設(shè)備參數(shù)與自身參數(shù)一致，那么該設(shè)備即為目標(biāo)設(shè)備，這時符合條件的目標(biāo)設(shè)備將發(fā)送響應(yīng)幀給源設(shè)備； d)源設(shè)備收到目標(biāo)設(shè)備的響應(yīng)幀后便可與其進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，所述三種通信模式下的命令幀格式分別為: a)客戶端/服務(wù)器通信模式下的命令幀格式如下:
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，所述讀、寫、執(zhí)行、報(bào)告、報(bào)告確認(rèn)和發(fā)布操作的應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互幀負(fù)載格式分別是: a)客戶端/服務(wù)器通信模式下的讀請求負(fù)載幀格式如下:
9.根據(jù)權(quán)利要求2-6之任一所述的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，所述應(yīng)用層快捷方式機(jī)制的命令幀格式為: a)應(yīng)用層快捷方式機(jī)制關(guān)于申請快捷方式ID命令幀格式如下:
10.根據(jù)權(quán)利要求3-6之任一所述的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互方法，其特征在于，所述對象關(guān)系建立功能的命令幀格式為: a)對象建立關(guān)系功能關(guān)于在線配置方式設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送設(shè)備信息命令幀格式如下:
【文檔編號】H04W80/04GK103731510SQ201410036153
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】王恒, 王平, 王娜, 鄒繼 申請人:重慶郵電大學(xué)