CN101400159A - ZigBee蜂窝网络 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种ZigBee蜂窝网络，用于在较大的覆盖区域内有效减少位于协调器附近的路由器所承担的中继任务的次数，确保网络数据传输的效率和可靠性，该ZigBee蜂窝网络，包括：网关和蜂窝式布置的多个ZigBee子网，各相邻的ZigBee子网之间、网关和与其相邻的ZigBee子网之间采用符合ZigBee规范的无线传输或者采用433MHz频段进行无线传输；网关接收来自各ZigBee子网的数据并进行协议转换，然后与Internet网或移动网络进行无线通讯。各ZigBee子网按蜂窝式布置，有效缩短了ZigBee子网内节点间的通信距离，减少了中继次数；也减少了不同ZigBee子网之间通信时的中继次数，确保了数据传输的效率和可靠性。

Description

ZigBee蜂窝网络
技术领域
本发明涉及一种ZigBee蜂窝网络。
背景技术
现有的网络技术已比较成熟，例如：中国专利文献公告号CN1394038公开了一种IP网络节点发现方法，以IP网络中的路由器节点作为种子节点，利用其路由表和ARP表的信息查找下一跳路由器和与该节点直连的子网中各主机加以记录，并对点对点方式连接的路由器采取在IP地址范围内从两端优先进行的快速查找方法，允许人工干预跳过网络中不支持SNMP的路由器，从而提高网络节点发现方法的运行效率。
同一个网段中，若两个网络设备(如终端与终端、终端与路由器)之间可直接通讯，而无需其他中继设备，则它们的最远通信距离就被称为一跳。
ZigBee技术是一种短距离通信方式，具有低功耗、低成本、体积小等优点，被认为是构建无线传感器网络的首选方式。
对于环境监测、智能小区等应用，需要在一个很大的覆盖区域内构建无线传感器网络。虽然在ZigBee规范中，一个协调器可以控制65536个结点，但是，当网络节点数很多时会导致各个节点发送数据的时间相差很长，耗能相差悬殊。假设65536个结点均匀分布在一个半径为700米的圆形的区域内，协调器放置在圆形区域的中心，其ZigBee终端(ZE)分布密度d为：
Figure A200810172451D00051
即每100平方米内平均约4个结点。设ZigBee网络一跳的传输距离为70米，则位于圆形区域边界上的结点需要10跳才能将数据传输到协调器。这样，将会导致位于协调器附近的结点(一般为路由器)承担中继任务的次数太多、时间很长，耗电量大。对于一个实际的应用环境，传感器结点难以应用在没有遮挡的平面上，复杂的传输环境会使一跳的传输距离更短，致使跳数更多，位于协调器附近的结点的电池消耗更快。另外，随着相同数据帧重传次数的增加，使得结点竞争信道的频度增加，导致冲突概率增加，这将降低通信的可靠性。
类似的技术方案如：中国专利文献公告号CN201044130公开的一种用区域化无线网络传输公交车辆信息的装置，由网络协调器和区域路由站牌以及ZigBee终端(ZE)站牌组成一定范围的树形拓扑结构的传输网络，传输网络交界处放置有边界路由站牌；区域路由站牌和终端站牌内放置有站牌信息模块、车辆信息模块、中央处理单元和显示器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种ZigBee蜂窝网络，以在较大的覆盖区域内有效减少位于协调器附近的路由器所承担的中继任务的次数，确保网络数据传输的效率和可靠性。
为解决上述技术问题，本发明设计了一种ZigBee蜂窝网络，包括：网关和蜂窝式布置的多个ZigBee子网，各相邻的ZigBee子网之间、网关和与其相邻的ZigBee子网之间采用符合ZigBee规范的无线传输或者采用433MHz频段(免费频段)进行无线传输；网关接收来自各ZigBee子网的数据并进行协议转换，然后与Internet网或移动网络进行无线通讯。
所述ZigBee子网的覆盖区域呈正六边形，ZigBee子网包括：ZigBee协调器、以ZigBee协调器为中心而布置的多个ZigBee路由器及多个ZigBee终端；相邻的ZigBee路由器之间、ZigBee路由器和与其相邻的ZigBee终端之间、ZigBee协调器和与其相邻的ZigBee路由器之间、ZigBee协调器和与其相邻的ZigBee终端之间采用符合ZigBee规范进行无线传输，且以较低的功率发送频段在2.4GHz的无线信号，并采用CSMA/CA协议竞争第2至16信道。
相邻两个ZigBee子网中的ZigBee协调器之间、网关和与其相邻的ZigBee协调器之间的无线传输采用第一信道，用于实现相邻ZigBee子网之间或ZigBee子网与网关之间进行点对点通信，且所述无线传输采用较高功率。
所述网关包括：MCU模块、以及与MCU模块相连的采用2.4GHz频带的ZigBee收发模块、与MCU模块相连的用于与Internet网进行无线通讯的以太网模块、与MCU模块相连的用于与移动网络进行无线通讯的GSM/CDMA模块。
ZigBee蜂窝网络一跳的传输距离为70-1000米，则：当ZigBee终端与一ZigBee协调器的距离在一跳范围内时，ZigBee终端直接将数据发送给该ZigBee协调器；当ZigBee终端与一ZigBee协调器的距离超过一跳范围时，该ZigBee终端通过至少一个ZigBee路由器将数据转发到该ZigBee协调器。
ZigBee协调器对接收到的数据按数据帧进行判断：
若是重复帧，则删除该帧；
若不是重复帧，且该ZigBee协调器距网关在一跳范围内，则ZigBee协调器直接将数据发送到网关，网关对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet或移动网络；
若不是重复帧，且该ZigBee协调器距网关不在一跳范围内，则ZigBee协调器将接收的数据发送到相邻ZigBee子网的ZigBee协调器，由其负责中继，直至将所述数据发送到网关；网关对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet网或移动网络。
与现有技术相比，本发明具有以下积极效果：(1)本发明中，各ZigBee子网按蜂窝式布置，有效缩短了ZigBee子网内节点(包括路由器和终端设备)之间的彼此通信距离，减少了中继次数；同时也减少了不同ZigBee子网之间通信时的中继次数，确保了ZigBee网络数据传输的效率和可靠性。(2)本发明中，各ZigBee路由器和ZigBee终端以ZigBee协调器为中心而布置，有效缩短了ZigBee子网内各节点间数据传输的实际距离，确保了ZigBee网络数据传输的效率和可靠性，并满足数据传输时间延迟的要求。各ZigBee子网之间通过ZigBee协调器通信；两ZigBee协调器可直接通信，或通过1个或多个ZigBee协调器中继后通信，这取决于其间的距离。(3)本发明中，ZigBee子网内各节点间的间距较短，故采用较低的功率发送无线信号，并采用CSMA/CA协议竞争第2至16信道；相邻两个ZigBee子网之间、ZigBee子网与网关之间距离相对较大，故采用功率较高的无线信号；其间采用第一信道，有效防止了在ZigBee子网之间、ZigBee子网与网关之间通讯时发生信道堵塞的现象，确保了ZigBee网络数据传输的效率和可靠性。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明实施例1中的ZigBee蜂窝网络的原理结构图。
图2为本发明实施例2中的ZigBee蜂窝网络的原理结构图。
图3为本发明实施例1中网关的结构图。
图4为本发明实施例2中基站的结构图。
图5为本发明实施例2中网关的结构图。
图6为本发明实施例2的433MHz无线收发模块所发送数据帧的格式，其中帧类型用于表示数据帧和命令帧。
具体实施方式
(实施例1)
见图1，本实施例的ZigBee蜂窝网络，包括：网关2和蜂窝式布置的多个ZigBee子网1，各相邻的ZigBee子网1之间、网关2和与其相邻的ZigBee子网1之间采用符合ZigBee规范的无线传输；网关2接收来自各ZigBee子网1的数据并进行协议转换，然后与Internet网4或移动网络3进行无线通讯。
所述ZigBee子网1的覆盖区域呈正六边形，ZigBee子网1包括：ZigBee协调器ZC、以ZigBee协调器ZC为中心而布置的多个ZigBee路由器ZR及多个ZigBee终端ZE；相邻的ZigBee路由器ZR之间、ZigBee路由器ZR和与其相邻的ZigBee终端ZE之间、ZigBee协调器ZC和与其相邻的ZigBee路由器ZR之间、ZigBee协调器ZC和与其相邻的ZigBee终端ZE之间采用符合ZigBee规范进行无线传输，且以较低的功率发送频段在2.4GHz的无线信号，并采用CSMA/CA(即载波监听多路访问/冲突防止)协议竞争第2至16信道。
相邻两个ZigBee子网1中的ZigBee协调器ZC之间、网关2和与其相邻的ZigBee协调器ZC之间的无线传输采用第一信道，用于实现相邻ZigBee子网1之间或ZigBee子网1与网关2之间进行点对点通信，且所述无线传输采用较高功率。
见图2，所述网关2包括：MCU模块、以及与MCU模块相连的采用2.4GHz频带的ZigBee收发模块、与MCU模块相连的用于与Internet网4进行无线通讯的以太网模块、与MCU模块相连的用于与移动网络3进行无线通讯的GSM/CDMA模块。
ZigBee蜂窝网络一跳的最大传输距离为100米(其他实施例中，可以为70-1000米间的任意值)，则：当ZigBee终端ZE与一ZigBee协调器ZC的距离在一跳范围内时，ZigBee终端ZE直接将数据发送给该ZigBee协调器ZC；当ZigBee终端ZE与一ZigBee协调器ZC的距离超过一跳范围时，该ZigBee终端ZE通过至少一个ZigBee路由器ZR将数据转发到该ZigBee协调器ZC。
ZigBee协调器ZC对接收到的数据按数据帧进行判断：
若是重复帧，则删除该帧；
若不是重复帧，且该ZigBee协调器ZC距网关2在一跳范围内，则ZigBee协调器ZC直接将数据发送到网关2，网关2对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet4或移动网络3；
若不是重复帧，且该ZigBee协调器ZC距网关2不在一跳范围内，则ZigBee协调器ZC将接收的数据发送到相邻ZigBee子网1的ZigBee协调器ZC，由其负责中继，直至将所述数据发送到网关2；网关2对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet网4或移动网络3。
(实施例2)
在实施例1的基础上，本实施例有如下变形：
各相邻的ZigBee子网1之间、网关2和与其相邻的ZigBee子网1之间采用433MHz频段进行无线传输。
见图2，所述ZigBee子网1包括：基站BS、以基站BS为中心而布置的多个ZigBee路由器ZR及多个ZigBee终端ZE；相邻的ZigBee路由器ZR之间、ZigBee路由器ZR和与其相邻的ZigBee终端ZE之间、基站BS和与其相邻的ZigBee路由器ZR之间、基站BS和与其相邻的ZigBee终端ZE之间采用符合ZigBee规范的无线传输，且以较低的功率发送频段在2.4GHz的无线信号，并采用CSMA/CA协议竞争第1至16信道。
所述相邻ZigBee子网1中的基站BS之间、网关2和与其相邻的基站BS之间采用点对点的无线传输，且发射功率较高、频段为433MHz。
见图4，所述基站BS包括：依次相连的ZigBee协调器、协议转换模块和433MHz无线收发模块；ZigBee协调器将接收的数据进行解码后传输给协议转换模块，协议转换模块将该数据进行格式转换并传输给433MHz无线收发模块，433MHz无线收发模块以较高功率发射频段在433MHz。
ZigBee子网内各节点间的通讯采用较低功率且频段在2.4GHz的无线信号；相邻两个ZigBee子网之间、ZigBee子网与网关之间采用较高功率且发射频段在433MHz的无线信号；使ZigBee子网内各节点间的数据传输可采用16个信道，确保了传输效率；ZigBee子网之间、ZigBee子网与网关之间通讯时采用另一频段，避免了发生信道堵塞的现象，确保了ZigBee网络数据传输的效率和可靠性。
见图5，所述网关2包括：MCU模块、与MCU模块相连的433MHz无线收发模块、与MCU模块相连的用于与Internet网4进行无线通讯的以太网模块、以及与MCU模块相连的用于与移动网络3进行无线通讯的GSM/CDMA模块；基站BS中的ZigBee协调器将来自各ZigBee终端ZE的数据传输到协议转换模块，以进行格式转换并发送至433MHz无线收模块，433MHz无线收模块将该数据发送到相邻ZigBee子网1的基站BS或网关2，以与移动网络3或Internet4进行无线通讯。
ZigBee蜂窝网络一跳的传输距离为70米，则：
当ZigBee终端ZE与一基站BS的距离在一跳范围内时，ZigBee终端ZE直接将数据发送给该基站BS；
当ZigBee终端ZE与一基站BS的距离超过一跳范围时，ZigBee终端ZE通过至少一个ZigBee路由器ZR将数据转发到该基站BS；
基站BS中的ZigBee协调器对所述数据按数据帧进行判断：
若是重复帧，则删除该帧；
若不是重复帧，则将该数据传输给协议转换模块，由其进行数据的格式转换后送至433MHz无线收发模块；
若所述基站BS距网关2在一跳范围内，则该433MHz无线收发模块直接将该数据发送到网关2；网关2对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet4或移动网络3；
若所述基站BS距网关2不在一跳范围内，则该433MHz无线收发模块将该数据发送到相邻ZigBee子网1的基站BS，由其负责中继，直至将数据发送到网关2；网关2对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet4或移动网络3。
ZigBee协调器中存储各ZigBee子网的地址，当ZigBee终端向ZigBee协调器或网关传输信号时(数据帧)，ZigBee协调器根据ZigBee子网地址和结点地址判断接收的数据帧是否需要中继。当网关向ZigBee终端发送控制命令时，ZigBee协调器根据子网地址和结点地址来决定接收命令的结点。
由于ZigBee蜂窝网络的数据传输量相对较少，为了有效的利用信道，433MHz收发模块之间收发数据时，采用CSMA/CA协议。

Claims (9)

1、一种ZigBee蜂窝网络，其特征在于包括：网关(2)和蜂窝式布置的多个ZigBee子网(1)，各相邻的ZigBee子网(1)之间、网关(2)和与其相邻的ZigBee子网(1)之间采用符合ZigBee规范的无线传输或者采用433MHz频段进行无线传输；
网关(2)接收来自各ZigBee子网(1)的数据并进行协议转换，然后与Internet网(4)或移动网络(3)进行无线通讯。
2、根据权利要求1所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：所述ZigBee子网(1)的覆盖区域呈正六边形，ZigBee子网(1)包括：ZigBee协调器(ZC)、以ZigBee协调器(ZC)为中心而布置的多个ZigBee路由器(ZR)及多个ZigBee终端(ZE)；
相邻的ZigBee路由器(ZR)之间、ZigBee路由器(ZR)和与其相邻的ZigBee终端(ZE)之间、ZigBee协调器(ZC)和与其相邻的ZigBee路由器(ZR)之间、ZigBee协调器(ZC)和与其相邻的ZigBee终端(ZE)之间采用符合ZigBee规范进行无线传输，且以较低的功率发送频段在2.4GHz的无线信号，并采用CSMA/CA协议竞争第2至16信道。
3、根据权利要求2所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：相邻两个ZigBee子网(1)中的ZigBee协调器(ZC)之间、网关(2)和与其相邻的ZigBee协调器(ZC)之间的无线传输采用第一信道，用于实现相邻ZigBee子网(1)之间或ZigBee子网(1)与网关(2)之间进行点对点通信，且所述无线传输采用较高功率。
4、根据权利要求1-3之一所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：所述网关(2)包括：MCU模块、以及与MCU模块相连的采用2.4GHz频带的ZigBee收发模块、与MCU模块相连的用于与Internet网(4)进行无线通讯的以太网模块、与MCU模块相连的用于与移动网络(3)进行无线通讯的GSM/CDMA模块。
5、根据权利要求4所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：ZigBee蜂窝网络一跳的传输距离为70-1000米，则：
当ZigBee终端(ZE)与一ZigBee协调器(ZC)的距离在一跳范围内时，ZigBee终端(ZE)直接将数据发送给该ZigBee协调器(ZC)；
当ZigBee终端(ZE)与一ZigBee协调器(ZC)的距离超过一跳范围时，该ZigBee终端(ZE)通过至少一个ZigBee路由器(ZR)将数据转发到该ZigBee协调器(ZC)；
ZigBee协调器(ZC)对接收到的数据按数据帧进行判断：
若是重复帧，则删除该帧；
若不是重复帧，且该ZigBee协调器(ZC)距网关(2)在一跳范围内，则ZigBee协调器(ZC)直接将数据发送到网关(2)，网关(2)对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet(4)或移动网络(3)；
若不是重复帧，且该ZigBee协调器(ZC)距网关(2)不在一跳范围内，则ZigBee协调器(ZC)将接收的数据发送到相邻ZigBee子网(1)的ZigBee协调器(ZC)，由其负责中继，直至将所述数据发送到网关(2)；网关(2)对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet网(4)或移动网络(3)。
6、根据权利要求2所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：所述ZigBee子网(1)包括：基站(BS)、ZigBee路由器(ZR)及ZigBee终端(ZE)；
相邻的ZigBee路由器(ZR)之间、ZigBee路由器(ZR)和与其相邻的ZigBee终端(ZE)之间、基站(BS)和与其相邻的ZigBee路由器(ZR)之间、基站(BS)和与其相邻的ZigBee终端(ZE)之间采用符合ZigBee规范的无线传输，且以较低的功率发送频段在2.4GHz的无线信号，并采用CSMA/CA协议竞争第1至16信道；
所述相邻ZigBee子网(1)中的基站(BS)之间、网关(2)和与其相邻的基站(BS)之间采用点对点通信方式，且发射功率较高、频段为433MHz。
7、根据权利要求6所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：所述基站(BS)包括：依次相连的ZigBee协调器、协议转换模块和433MHz无线收发模块；
所述ZigBee协调器将接收的数据进行解码后传输给协议转换模块，协议转换模块将该数据进行格式转换并传输给433MHz无线收发模块，433MHz无线收发模块以较高功率发射频段在433MHz。
8、根据权利要求7所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：所述网关(2)包括：MCU模块、与MCU模块相连的433MHz无线收发模块、与MCU模块相连的用于与Internet网(4)进行无线通讯的以太网模块、以及与MCU模块相连的用于与移动网络(3)进行无线通讯的GSM/CDMA模块；
基站(BS)中的ZigBee协调器将来自各ZigBee终端(ZE)的数据传输到协议转换模块，以进行格式转换并发送至433MHz无线收模块，433MHz无线收模块将该数据发送到相邻ZigBee子网(1)的基站(BS)或网关(2)，以与移动网络(3)或Internet(4)进行无线通讯。
9、根据权利要求8所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于：ZigBee蜂窝网络内一跳的传输距离为70米，基站(BS)之间一跳的传输距离为500-1000米，则：
当ZigBee终端(ZE)与一基站(BS)的距离在一跳范围内时，ZigBee终端(ZE)直接将数据发送给该基站(BS)；
当ZigBee终端(ZE)与一基站(BS)的距离超过一跳范围时，ZigBee终端(ZE)通过至少一个ZigBee路由器(ZR)将数据转发到该基站(BS)；
基站(BS)中的ZigBee协调器对所述数据按数据帧进行判断：
若是重复帧，则删除该帧；
若不是重复帧，则将该数据传输给协议转换模块，由其进行数据的格式转换后送至433MHz无线收发模块；
若所述基站(BS)距网关(2)在一跳范围内，则该433MHz无线收发模块直接将该数据发送到网关(2)；网关(2)对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet(4)或移动网络(3)；
若所述基站(BS)距网关(2)不在一跳范围内，则该433MHz无线收发模块将该数据发送到相邻ZigBee子网(1)的基站(BS)，由其负责中继，直至将数据发送到网关(2)；网关(2)对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet(4)或移动网络(3)。
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