一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法
【专利摘要】一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，属于工业无线传感器网络【技术领域】。所述方法是根据6LoWPAN协议栈的设计和无线传感器网络的应用需求，设计整个应用层框架，在协议栈中引进应用层技术和对象概念，设计符合协议栈要求的应用层帧头、选择并实现用于应用层数据传输和交互的节点间特定的通信模式，并设计对应通信模式下的帧格式；设计应用层数据交互帧格式；设计应用层快捷方式机制和对象关系建立功能以及对应命令帧格式，并在协议栈状态机机制下实现。本发明定义了用户应用对象，以便与工业过程进行数据交互；定义了应用层通信服务，以此来支持工业环境中分布式应用的多个对象之间的通信。
【专利说明】—种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法
【技术领域】
[0001]本发明属于工业无线传感器网络【技术领域】，具体涉及一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法。
【背景技术】
[0002]6LoWPAN协议栈具有多层结构，每一层都为其上下层提供特定的服务:数据实体提供数据服务，管理实体提供管理服务。6LoWPAN协议栈中每层都有相关协议的定义与设计。其中，PHY层和MAC层采用IEEE802.15.4协议，网络层采用IPv6协议，并且，为了实现MAC层与网络层的无缝连接，6LoffPAN协议栈在网络层和MAC层之间定义了适配层，而对于应用层，6LoWPAN协议栈没有明确定义其相关功能以及通信模式。因此，本发明希望设计一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，使数据能够在6LoWPAN协议栈应用层上准确、更快、更好的传输与交互。
[0003]作为6LoWPAN协议栈重要组成部分的应用层，其采用了对象机制，通过各个对象和服务可以充分满足用户和工业现场的需求。6LoWPAN协议栈的应用层框架分为UPL层和APS层两层。UPL包括若干用户应用进程(UAP)，每个UAP包括若干对象，其利用APS层提供的服务完成节点设备间的通信，UAP管理功能在工业无线网络中尤为重要，其使得在设备中处理管理应用进程更为方便；APS层作为网络层和应用层之间的接口，为UPL层和网络层提供了相关服务。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于依据现有6LoWPAN协议栈的设计，以及工业无线传感器网络的特点，提出一种在工业环境中能够保障正常数据传输与交互的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，结合工业无线传感器网络的应用需求，设计合理的应用层数据格式，以此实现工业应用对象之间的正常通信，提高工业无线网络中数据传输与交互的可靠性、保证管理用户应用进程以及网络中通信服务的质量。
[0005]为达到上述目的，本发明提供技术方案如下:
[0006]一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，用于工业过程的数据传输与交互以及工业环境中分布式应用的多个对象之间的通信。
[0007]所述无线传感器网络中数据交互的实现通过对象方式进行，其中传输的数据具有统一的数据帧格式。
[0008]根据6LoWPAN协议栈的设计和无线传感器网络的应用需求，设计整个应用层框架，所述方法将应用层框架分为UPL层和APS层两层，其中APS层作为网络层和应用层之间的接口，为UPL层和网络层提供服务，提供的服务包括数据服务、管理服务以及对管理对象属性的操作。APS层中包含APSDE和APSME两个实体，通过这两个实体向应用对象和下层提供服务，APSDE提供数据服务给网络层以及应用端，使得应用程序之间能够在两个或多个设备间传输；APSME提供管理服务，允许应用程序与协议栈进行交互。[0009]具体地，所述应用子层APS提供六种服务，分别是:应用层设备在客户/服务器(Client/Server)通信模式下进行读、写、执行和报告确认操作；在发布/订阅(Publisher/Subscriber)通信模式下进行发布操作；在报告(R印ort/Sink)通信模式下进行报告操作。
[0010]用户应用进程和设备管理应用进程都以应用子层提供的服务为基础来进行对象之间的通信。
[0011]进一步，根据应用层中上层和子层的模型，在无线传感器中引进应用层技术和对象概念，实现对所提供服务的分类管理。
[0012]进一步，设计符合协议栈要求的应用数据帧头格式、选择合适的用于应用层数据传输和交互的节点间特定的通信模式，包括被动客户/服务器(Client/Server)通信模式、主动发布/订阅(Publisher/Subscriber)通信模式和主动报告(Report/Sink)通信模式，并设计三种通信模式下的命令帧格式。
[0013]进一步，设计应用层数据交互帧格式，包括读、写、执行、报告、报告确认和发布功能的应用层数据交互帧格式及其相对应的负载格式。
[0014]进一步，设计应用层快捷方式机制和基于快捷方式机制的命令帧格式。实现工业无线传感器网络低能耗的数据通信。在对同一无线传感器节点的多个参数进行读、写服务时采用此机制，能够更好、更方便的实现数据通信。
[0015]进一步，设计对象关系建立功能和对象关系建立功能下的命令帧格式，网络中实现了已建立关系对象能够直接进行通信而不需要其他设备辅助，以节省能耗，使网络中的不同设备进行对象关系建立，实现不同设备间应用程序功能互补的逻辑连接。
[0016]本发明的有益效果在于，相对于现有的无线传感器网络应用层数据交互技术方法，本发明将无线传感器网络、IPv6技术、应用层数据交互技术结合起来，设计了一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法。该方法满足了 IPv6无线传感器网络协议栈的需求，可以很好的运行在IPv6无线传感器网络协议栈上，进行设备之间数据的传输与交互。同时，该方法提高了工业无线网络中数据传输的可靠性，保证了用户应用进程的管理以及网络中通信服务的质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1ΙΡν6无线传感器网络协议栈体系图
[0018]图2IPv6无线传感器网络应用层结构图
[0019]图3Client/Server通信模式数据交互图
[0020]图4Publisher/Subscriber通信模式数据交互图
[0021]图5Report/Sink通信模式数据交互图
[0022]图6快捷方式机制通信数据交互图
[0023]图7对象关系建立在线配置方式数据交互图
[0024]图8对象关系建立预配置方式集中式查询数据交互图
[0025]图9对象关系建立预配置方式分布式查询数据交互图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述:
[0027]IPv6无线传感器网络协议栈体系如图1所示，应用层位于协议栈最上层。本发明设计了整个应用层框架，将应用层框架设计分为UPL和APS两层。
[0028]IPv6无线传感器网络应用层结构如图2所示。其中，APS层包含了 IPv6设备对象、设备发现功能和服务发现功能。其中IPv6设备对象提供初始化应用支持子层、网络层、安全服务规范；APS层为网络层和应用层提供了接口，APS层中包含APSDE和APSME两个实体。APSDE提供数据服务给网络层以及应用端，使得应用程序之间能够在两个或多个设备间传输;APSME提供管理服务，允许应用程序与协议栈进行交互。通过这两个实体向应用对象和下层提供服务。
[0029]应用层管理信息对象属性由设备的应用层管理所必需的属性构成。表1详细描述了应用层管理信息对象所包含的属性。
[0030]表1:应用层管理信息对象属性
[0031]
【权利要求】
1.一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，所述无线传感器网络中数据交互的实现通过对象方式进行，其中传输的数据具有统一的数据帧格式； 所述方法将应用层框架分为UPL层和APS层两层，其中APS层作为网络层和应用层之间的接口，为UPL层和网络层提供服务，APS层中包含APSDE和APSME两个实体，通过这两个实体向应用对象和下层提供服务，APSDE提供数据服务给网络层以及应用端，使得应用程序之间能够在两个或多个设备间传输;APSME提供管理服务，允许应用程序与协议栈进行交互； 所述应用子层APS提供的服务分别是:应用层设备在客户/服务器通信模式下进行读、写、执行和报告确认操作；在发布/订阅通信模式下进行发布操作； 在报告通信模式下进行报告操作； 用户应用进程和设备管理应用进程都以应用子层提供的服务为基础来进行对象之间的通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，所述应用层设备在客户/服务器通信模式下进行读、写操作过程可采用如下快捷方式机制，步骤如下: a)源设备在需要频繁的对目标设备的对象属性进行读、写操作时，执行步骤b)； b)源设备根据快捷方式命令帧格式构造相应的申请快捷方式ID命令帧，并装载相应的快捷方式请求； c)源设备将已构造好的申请快捷方式ID命令帧发送至目标设备，并等待目标设备的响应； d)目标设备在收到来自源设备的申请快捷方式ID命令帧时，进行判断，并构造相应的响应命令帧、装载相关信息，以响应源设备的请求； e)源设备在收到目标设备返回的快捷方式ID时，随后与该设备的数据交互即对该设备的读、写操作即可直接通过快捷方式ID完成。
3.根据权利要求1所述的一种基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，在应用层设计对象关系建立功能ORE，通过在线配置方式或者预配置方式来实现，其中预配置方式又分为集中式查询方式、分布式查询方式以及固定IP地址方式。
4.根据权利要求3所述的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，通过在线配置方式来实现对象关系建立功能的主要步骤如下: a)设备在入网成功之后构造相应的数据帧，并主动将自身设备信息发送给协调器: b)协调器在接收到设备发送来的设备信息后，将其保存在协调器中，在所有的节点入网后协调器开始设定各个设备之间的应用对象关系； c)协调器将设定好的应用对象关系发送给对应的设备，在设备接收到协调器发送的对象关系建立结果后便可以与建立关系的设备进行通信。
5.根据权利要求3所述的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，通过预配置集中式查询方式来实现对象关系建立功能的主要步骤如下: a)在网络中的设备入网之前将目标设备的参数预先配置到源设备中； b)网络中的设备入网成功之后即向协调器汇报自身的设备信息，并构造相应的数据帧，将数据帧发送给协调器，协调器将接收到的设备信息保存在的表中； c)在所有的设备都已发送完设备信息之后，源设备即向协调器发送查询目标设备请求帧，该目标设备请求帧包含预配置的目标设备参数； d)协调器根据源设备发送的目标设备请求帧查询相应的信息表，并将查询的结果以及符合条件的目标设备地址以响应帧的格式发送给源设备； e)源设备在接收到协调器发送的目标设备地址后便可与其进行数据交互。
6.根据权利要求3所述的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，通过预配置分布式查询方式来实现对象关系建立功能的主要步骤如下: a)网络中的设备入网之前将目标设备的参数预先配置到源设备中； b)网络中的设备入网成功之后，源设备开始构造关系发现帧，并向网络中的其他设备发送关系发现帧，该关系发现帧中包含预配置的目标设备参数； c)网络中的其他设备接收到关系发现帧之后，通过核对目标设备参数查询自己是否为目标设备，如果目标设备参数与自身参数一致，那么该设备即为目标设备，这时符合条件的目标设备将发送响应帧给源设备； d)源设备收到目标设备的响应帧后便可与其进行数据交互。
7.根据权利要求1-6之一所述的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，所述三种通信模式下的命令帧格式分别为: a)客户端/服务器通信模式下的命令帧格式如下:
8.根据权利要求1-6之一所述的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，所述读、写、执行、报告、报告确认和发布操作的应用层数据交互帧负载格式分别是: a)客户端/服务器通信模式下的读请求负载帧格式如下:
9.根据权利要求2-6之任一所述的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，所述应用层快捷方式机制的命令帧格式为: a)应用层快捷方式机制关于申请快捷方式ID命令帧格式如下:
10.根据权利要求3-6之任一所述的基于IPv6的无线传感器网络应用层数据交互方法，其特征在于，所述对象关系建立功能的命令帧格式为: a)对象建立关系功能关于在线配置方式设备向协调器发送设备信息命令帧格式如下:
【文档编号】H04W80/04GK103731510SQ201410036153
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月24日 优先权日:2014年1月24日
【发明者】王恒, 王平, 王娜, 邹继 申请人:重庆邮电大学