一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，涉及物聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)領(lǐng)域。具體地說(shuō)，涉及將zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)兩種不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)進(jìn)行透明轉(zhuǎn)換，并提供硬件管理接口和動(dòng)態(tài)路由維護(hù)等輔助功能的技術(shù)。本發(fā)明以S3C6410 SoC為核心，通過(guò)UART接口外接多個(gè)zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)單元，通過(guò)USB接口外接移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)單元搭建系統(tǒng)硬件平臺(tái)。軟件部分劃分為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)外部接口動(dòng)態(tài)管理，維護(hù)路由表等功能，在網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧和zigbee協(xié)議棧，并運(yùn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。硬件部分的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)和軟件部分的分層設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)路由表機(jī)制使得該系統(tǒng)在需要大規(guī)模布置zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)景中具有極大的優(yōu)勢(shì)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，屬于物聯(lián)網(wǎng)與通信技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]隨著信息通信技術(shù)的不同進(jìn)步，通信網(wǎng)絡(luò)作為信息通信技術(shù)的重要基礎(chǔ)，已經(jīng)從人與人的通信發(fā)展到人與物以及物與物并逐漸趨向于從縱向的局部物物相連過(guò)渡到橫向的跨應(yīng)用、跨地域的物聯(lián)網(wǎng)。在這樣的背景下，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用而生并在短時(shí)間內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、大規(guī)模、自組織網(wǎng)絡(luò)等特點(diǎn)，可以以一種低成本、高效率的方式實(shí)現(xiàn)人與物、物與物間的通信。但是由于應(yīng)用場(chǎng)景的特殊性，WSN技術(shù)一般都應(yīng)用在局部區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)與網(wǎng)之間無(wú)法通信，這樣構(gòu)成了一個(gè)個(gè)信息孤島，離真正實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)互通、協(xié)同感知還有一定距離。此外，各類(lèi)感知技術(shù)種類(lèi)繁多，且采用不同的通信協(xié)議，根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。
[0003]Zigbee是WSN技術(shù)的一種，作為無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)與控制的全球性無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，因其低功耗，自組網(wǎng)等特點(diǎn)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。但是zigbee協(xié)議是一種短程無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議，并且數(shù)據(jù)傳輸能力有限，因此，要通過(guò)zigbee協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理，控制各種傳感裝置，就需要充分利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)zigbee網(wǎng)絡(luò)與其他網(wǎng)絡(luò)之間連接的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，這是zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。目前各大運(yùn)營(yíng)商已建成了覆蓋全國(guó)的有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)通信網(wǎng)帶寬高、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，通過(guò)傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)與基于zigbee的傳感器網(wǎng)絡(luò)有機(jī)結(jié)合，就可以有效解決節(jié)點(diǎn)互聯(lián)互通的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一種可以完成zigbee網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)可以外接多組zigbee子網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于從移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絲igbee子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后再分發(fā)，使數(shù)據(jù)在zigbee子網(wǎng)絡(luò)中傳輸效率提高，因此該系統(tǒng)更加適合在大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。
[0005]本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，硬件部分由移動(dòng)通信單元，zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器單元，ARMll處理器單元組成，軟件部分由運(yùn)行于ARMlI處理器之上的嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)接口，多組zigbee子網(wǎng)絡(luò)熱插拔管理模塊，動(dòng)態(tài)路由維護(hù)模塊、TCP/IP協(xié)議與zigbee協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接口組成。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果:
[0007]1.本發(fā)明針對(duì)zigbee協(xié)議與TCP/IP協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換進(jìn)行專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，使得數(shù)據(jù)在zigbee側(cè)傳輸效率提高，在移動(dòng)通信網(wǎng)一側(cè)處理更加方便。
[0008]2.本發(fā)明支持zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)多個(gè)子網(wǎng)絡(luò)接入，在不使用外接擴(kuò)展接口的情況下，支持三個(gè)子網(wǎng)絡(luò)連接，使用外接硬件接口的情況下可以支持更多，便于在大規(guī)模應(yīng)用環(huán)境下使用。
[0009]3.本發(fā)明專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)用于處理多個(gè)zigbee子網(wǎng)絡(luò)的管理模塊，使得zigbee協(xié)調(diào)器可以即插即用，符合實(shí)用要求。
[0010]4.本發(fā)明移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接口支持移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)，具有很好的通用性和實(shí)用性。
[0011]5.本發(fā)明提供zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理功能，通過(guò)調(diào)用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)側(cè)的API應(yīng)用接口，可以了解底層網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。
[0012]6.本發(fā)明具有zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)路由功能，通過(guò)維護(hù)zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與物理接口之間的映射表，完成移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送至zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)的路由功能，使得zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器器網(wǎng)絡(luò)的低功耗特性更加顯著。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明涉及的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖2為本發(fā)明涉及的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件模塊圖。
[0015]圖3為本發(fā)明涉及的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件執(zhí)行流程圖。
[0016]圖4為本發(fā)明涉及的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)路由功能流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清楚，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]如圖1所示，一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件部分由移動(dòng)通信單元，zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)單元和ARM處理器單元組成。
[0019]ARM處理器單元處于核心位置，該單元以三星公司armll處理器S3C6410SoC為核心，外接多個(gè)UART接口和一個(gè)USB接口，通過(guò)UART接口與zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器相連，通過(guò)USB接口與移動(dòng)通信單元相連，而NAND FLASH則用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行所必須的軟件程序以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息。
[0020]zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)單元可以在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中掛接多個(gè)，因此該系統(tǒng)可以用于連接多個(gè)zigbee子網(wǎng)絡(luò)，使得系統(tǒng)可以在大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)布置的環(huán)境中使用。Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類(lèi)型有協(xié)調(diào)器，路由器和終端節(jié)點(diǎn)三種，一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)路由器和終端節(jié)點(diǎn)，只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器，因此，一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中唯一的協(xié)調(diào)器接入網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，收集其他兩種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型采集的數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，或者將網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送至對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器是傳感器網(wǎng)絡(luò)單元中的核心組成部件。
[0021]移動(dòng)通信單元為USB接口的3G上網(wǎng)卡，該單元采用華為E1750無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)卡，支持WCDMA 3G網(wǎng)絡(luò)制式。
[0022]如圖2所示，一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和內(nèi)核層組成。
[0023]應(yīng)用層提供傳感器網(wǎng)絡(luò)接口和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接口，運(yùn)行熱插拔管理程序和動(dòng)態(tài)路由管理程序，該層不斷地監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)接口和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)接口，當(dāng)有數(shù)據(jù)收到時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行處理。熱插拔管理程序負(fù)責(zé)在后臺(tái)監(jiān)測(cè)硬件的變化，并與動(dòng)態(tài)路由管理程序一起負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)路由表的維護(hù)。也就是說(shuō)，當(dāng)系統(tǒng)初始化或者有硬件改動(dòng)時(shí)，傳遞對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)到動(dòng)態(tài)路由表管理程序中。
[0024]網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧和zigbee協(xié)議棧，以及運(yùn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。TCP/IP協(xié)議是互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，得益于LINUX系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的完善支持，使得協(xié)議轉(zhuǎn)換程序幾乎不需要做任何網(wǎng)絡(luò)底層操作，只需要調(diào)用socket接口即可。協(xié)議轉(zhuǎn)換程序?qū)ocket接口收到的數(shù)據(jù)加入PANID信息，查詢(xún)動(dòng)態(tài)路由表，之后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)zigbee子網(wǎng)的UART接口。同時(shí)，將各個(gè)UART接口接收到的數(shù)據(jù)去掉PANID信息，發(fā)送到socket接口。
[0025]內(nèi)核層運(yùn)行l(wèi)inux kernel，考慮到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)需要同時(shí)完成硬件管理，動(dòng)態(tài)路由表維護(hù)，協(xié)議轉(zhuǎn)換等任務(wù)，整個(gè)系統(tǒng)基于操作系統(tǒng)而不是裸跑來(lái)運(yùn)行，是一個(gè)更好的選擇。嵌入式Iinux豐富的外設(shè)驅(qū)動(dòng)、完善的網(wǎng)絡(luò)支持等特性，使其成為該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的首選。內(nèi)核層由進(jìn)程調(diào)度系統(tǒng)、內(nèi)存管理系統(tǒng)、虛擬文件系統(tǒng)、進(jìn)程間通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)以進(jìn)程調(diào)度為核心，各個(gè)部分相互依賴(lài)，相互合作，共同搭建起Iinux的內(nèi)核系統(tǒng)。另外，內(nèi)核層還需要管理USB接口和UART接口驅(qū)動(dòng)，在內(nèi)核源代碼的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)內(nèi)核的裁剪定制，添加了 3G上網(wǎng)卡的驅(qū)動(dòng)，完成內(nèi)核的移植。
[0026]如圖3所示為網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)作流程。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能是監(jiān)測(cè)連接UART接口的zigbee協(xié)調(diào)器和連接USB接口的3G網(wǎng)卡設(shè)備，如果收到UART接口的數(shù)據(jù)，則將其轉(zhuǎn)化為T(mén)CP/IP數(shù)據(jù)，并從網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送出去；如果收到3G網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，則將其轉(zhuǎn)化為zigbee數(shù)據(jù)，并查詢(xún)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)路由表，選擇相應(yīng)的UART接口，將數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中。
[0027]如圖4所示，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用的一種基于"動(dòng)態(tài)路由表"的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)需要維護(hù)一張UART端口號(hào)到zigbee協(xié)調(diào)器PANID之間的路由表。當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，檢查文件系統(tǒng)中是否存在路由表，若不存在則建立該路由表；每當(dāng)有socket數(shù)據(jù)收到時(shí)，解析收到的數(shù)據(jù)，提取出zigbee子網(wǎng)絡(luò)的PANID信息，查詢(xún)對(duì)應(yīng)的UART端口并將數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)去；在每次收發(fā)數(shù)據(jù)之后，更新路由表。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種應(yīng)用于大規(guī)模Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在于該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件部分分為移動(dòng)通信單元、zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)單元和ARMll處理器單元三個(gè)部分；系統(tǒng)軟件部分由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和內(nèi)核層三部分組成；系統(tǒng)采用一種基于“動(dòng)態(tài)路由表”的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于ARMll處理器單元通過(guò)UART接口與zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)單元相連，通過(guò)USB接口與移動(dòng)通信單元相連。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于該系統(tǒng)采用的zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)單元通過(guò)UART接口接入ARMll處理器單元，可以接入三個(gè)或者更多。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于通過(guò)擴(kuò)展UART接口，系統(tǒng)可以接入多個(gè)zigbee傳感器子網(wǎng)絡(luò)，便于在大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)景下布置實(shí)施。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)單元與移動(dòng)通信單元支持熱插拔，系統(tǒng)能夠?qū)τ布K進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)管理。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于系統(tǒng)軟件部分劃分為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層負(fù)責(zé)外設(shè)接口管理和動(dòng)態(tài)路由表維護(hù)，在接口收到數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層運(yùn)行TCP/IP協(xié)議棧和zigbee協(xié)議棧，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)在不同協(xié)議棧中的解包和打包過(guò)程，完成不同協(xié)議間數(shù)據(jù)的透明轉(zhuǎn)換。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于應(yīng)用層維護(hù)動(dòng)態(tài)路由表，根據(jù)系統(tǒng)初始化和硬件熱插拔機(jī)制來(lái)維護(hù)一張UART端口到zigbee協(xié)調(diào)器PANID之間的路由表。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)側(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)不訪(fǎng)問(wèn)路由表，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)側(cè)的數(shù)據(jù)則需要訪(fǎng)問(wèn)路由表來(lái)決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的端口，從而顯著提高系統(tǒng)帶寬，降低功耗。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種應(yīng)用于大規(guī)模zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動(dòng)通信網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，其特征在還在于在系統(tǒng)斷電時(shí)，可以將動(dòng)態(tài)路由表保存到文件系統(tǒng)中，在系統(tǒng)重啟時(shí)可根據(jù)配置信息選擇重建路由表或者重新載入保存的路由表。
【文檔編號(hào)】H04W88/16GK105898900SQ201510034237
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日
【發(fā)明人】王軍, 王一軍, 張?jiān)? 徐川, 王國(guó)成
【申請(qǐng)人】王軍, 王一軍, 張?jiān)? 徐川, 王國(guó)成