CN101977447B - 一种用于大规模组网的ZigBee智能网关实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于大规模组网的ZigBee智能网关及其实现方法。现有的ZigBee网络覆盖范围小。本发明中的两个无线ZigBee通信模块分别与微处理器模块信号连接，闪存模块与微处理器模块的FSMC口信号连接。该智能网关的实现方法为ZigBee智能网关通过第一无线ZigBee通信模块和第二无线ZigBee通信模块连接两个相邻的ZigBee网络，在网关内部对经过该智能网关的数据信息流和命令信息流进行处理，由此决定信息流的流向，进行转发或下达。本发明实现了多个不同网络的ZigBee子网的信息传递过程，使网络层上不同的ZigBee子网通过网关桥接而组成一个逻辑上的大规模网络。

Description

一种用于大规模组网的ZigBee智能网关实现方法
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体涉及一种用于大规模组网的ZigBee智能网关实现方法。
背景技术
随着通信技术的发展，短距离无线通信技术在人们生活中扮演着越来越重要的角色。ZigBee技术凭借其低成本、低功耗、组网方便等诸多优势在激烈的无线通信技术竞争中逐渐脱颖而出。特别值得一提的是ZigBee技术具备强大的网络功能。它支持目前三种主要的自组织无线网络类型，且具有很强的网络健壮性和系统可靠性，使得ZigBee网络更加灵活、高效、可靠。这种低速率无线通信技术的应用更贴近工业生产与人们的日常生活，可以很好的应用于家庭自动化、工业控制、建筑自动化、医疗护理等。
ZigBee协议基于802.15.4标准，该标准是IEEE用于低速无线个人域网(LR-WPAN)的物理层和媒体接入控制层规范，多用于小范围内的布网，ZigBee网络通常也被称为“个人区域网络”(Personal Area Network，简称PAN)。在ZigBee联盟制定的ZigBee协议栈标准中，有路由信息最多15跳的限制，这样就限制了ZigBee网络在大规模范围内的布网和应用。但在有些实际应用场合，如城市路灯控制、林区环境监测、水库水文监控等，需要利用ZigBee技术低功耗、通信可靠、容量大的优点大范围部署ZigBee节点。ZigBee协议网络路由跳数的限制大大制约了ZigBee技术在上述领域内的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种用于大规模组网的ZigBee智能网关实现方法，本发明克服了ZigBee协议栈只能小范围内组网的问题，可使ZigBee技术应用于大范围内的无线网络解决方案，如城市路灯管理、林区环境监测、湖区水文监测等。
本发明中的ZigBee智能网关包括微处理器模块、第一无线ZigBee通信模块、第二无线ZigBee通信模块、电源模块、闪存模块。
第一无线ZigBee通信模块与微处理器模块的一个SPI口信号连接，第二无线ZigBee通信模块与微处理器模块的另一个SPI口信号连接，闪存模块与微处理器模块的FSMC口信号连接；电源模块为微处理器模块、第一无线ZigBee通信模块、第二无线ZigBee通信模块和闪存模块供电。
所述的微处理器模块采用基于ARM内核Cortex-M3的微控制器STM32F103CBT6，用于控制无线ZigBee通信模块和闪存模块。
所述的第一无线ZigBee通信模块和第二无线ZigBee通信模块采用ST公司的SN260模块。
所述的电源模块提供5V直流的稳定电压。
所述的闪存模块采用三星NAND FLASH芯片K9WAG08U1A。
本发明中的ZigBee智能网关实现方法为：ZigBee智能网关通过第一无线ZigBee通信模块和第二无线ZigBee通信模块连接两个相邻的ZigBee网络，在网关内部对经过该智能网关的数据信息流和命令信息流进行处理，由此决定信息流的流向，进行转发或下达。
所述的数据信息流处理方法为：智能网关的ZigBee协调器收到本子网络节点发来的数据信息，智能网关经过设定的时延，通过本智能网关的ZigBee路由器将该数据信息发送到相邻智能网关的ZigBee协调器。相邻的智能网关重复上述步骤，通过依次传递实现了数据信息在不同PAN之间的传播，最后到达目的网络集线器出口。
所述的命令信息流处理方法为：当前智能网关的ZigBee路由器收到相邻智能网关ZigBee协调器发来的命令信息，当前智能网关判断命令信息是否属于本子网络；如果命令信息是发给所属本子网络，那么当前智能网关负责将命令下达到指定节点；如果命令信息不是发给所属本子网络，则当前智能网关将命令信息转发给另一相邻智能网关。重复上述步骤，智能网关通过依次传递将命令信息最后传递给相应的节点。
所述的ZigBee协调器由第一无线ZigBee通信模块设置而成。
所述的ZigBee路由器由第二无线ZigBee通信模块设置而成。
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：本发明中的智能网关实现了多个不同网络的ZigBee子网的信息传递过程，使网络层上不同的ZigBee子网通过网关桥接而组成一个逻辑上的大规模网络，从而克服了单个ZigBee网络覆盖范围小的问题。
附图说明
图1是本发明中的网关硬件结构示意图；
图2是本发明的ZigBee智能网关的数据流程和命令流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，ZigBee智能网关包括微处理器模块2、第一无线ZigBee通信模块3-1、第二无线ZigBee通信模块3-2、电源模块1、闪存模块4。
第一无线ZigBee通信模块3-1与微处理器模块2的一个SPI口信号连接，第二无线ZigBee通信模块3-2与微处理器模块2的另一个SPI口信号连接，闪存模块4与微处理器模块2的FSMC口信号连接；电源模块1为微处理器模块2、第一无线ZigBee通信模块3-1、第二无线ZigBee通信模块3-2和闪存模块4供电。
微处理器模块采用基于ARM内核Cortex-M3的微控制器STM32F103CBT6，具有强大的处理能力和丰富的片内外设，用于控制无线ZigBee通信模块和闪存模块。
第一无线ZigBee通信模块和第二无线ZigBee通信模块采用ST公司的SN260模块，该模块支持2.4GHz ZigBee/IEEE802.15.4标准，用于实现网络中节点之间的通信。
电源模块提供5V直流的稳定电压，该模块运转可靠，能适应各种复杂、恶劣的环境。
闪存模块采用三星的NAND FLASH系列芯片K9WAG08U1A，容量最大可扩展至8GB，能满足各种类型的任务需求。
如图2所示，ZigBee智能网关实现方法为：ZigBee智能网关通过第一无线ZigBee通信模块和第二无线ZigBee通信模块连接两个相邻的ZigBee网络，在网关内部对经过该智能网关的数据信息流和命令信息流进行处理，由此决定信息流的流向，进行转发或下达。
数据信息流处理方法为：智能网关的ZigBee协调器收到本子网络节点发来的数据信息，智能网关经过设定的时延，通过本智能网关的ZigBee路由器将该数据信息发送到相邻智能网关的ZigBee协调器。相邻的智能网关重复上述步骤，通过依次传递实现了数据信息在不同PAN之间的传播，最后到达目的网络集线器出口。
命令信息流处理方法为：当前智能网关的ZigBee路由器收到相邻智能网关ZigBee协调器发来的命令信息，当前智能网关判断命令信息是否属于本子网络；如果命令信息是发给所属本子网络，那么当前智能网关负责将命令下达到指定节点；如果命令信息不是发给所属本子网络，则当前智能网关将命令信息转发给另一相邻智能网关。重复上述步骤，智能网关通过依次传递将命令信息最后传递给相应的节点。
ZigBee协调器由第一无线ZigBee通信模块设置而成。
ZigBee路由器由第二无线ZigBee通信模块设置而成。
本发明中的ZigBee智能网关拥有传感、计算与通信能力，具有低成本、低功耗的特点，同时具有以下突出的优点：
1.可根据实际项目需要增加传感器模块，减少硬件成本。该智能网关在进行两个ZigBee网络之间路由通信的同时，本身也可作为一个普通的ZigBee节点采集数据，可减少一个ZigBee节点的部署，降低成本。
2.数据通信能力强。通过将一个大规模网络由ZigBee网关划分为几个小的子网，极大的降低了PAN内部的路由开销，保证了子网内部节点之间通信的稳定性；而PAN-PAN间的信息传输是在智能网关内部，不需要占用无线资源。
3.环境适应性强。智能网关各部件均采用符合工业级标准的器件，即使在野外恶劣的环境条件下具有较强的适应能力。电源管理模块、低功耗处理器(STM32F103CBT6)以及低功耗传输模式(ZigBee)，延长了节点在野外的生存时间。
4.数据处理速度快，功能强，保证信息传输有很好的实时性。本发明采用ST公司的STM32F103CBT6作为处理器芯片，该芯片基于ARM最新的Cortex-M3架构设计，拥有强大的数据处理和数据传输能力，同时增强了系统可靠性并有利于今后的系统升级和功能更新。
5.电路结构清晰，工作稳定可靠。节点设备各功能模块和接口定义清晰，其中STM32F103CBT6处理器作为整个节点设备的控制中心，协调两个ZigBee模块互不干扰的实现无线通信。
6.系统成本低。如果不采用ZigBee智能网关，在无线覆盖区域内需要多个逻辑上不同的ZigBee子网，每个子网都需要一个集线器出口(如GPRS网关)，而采用智能网关的网络在逻辑上是一体的，整个网络只需要一个网关出口，保证了设备利用率，降低了设备采购费用。

Claims (1)

1.一种用于大规模组网的ZigBee智能网关实现方法，其特征在于：ZigBee智能网关通过第一无线ZigBee通信模块和第二无线ZigBee通信模块连接两个相邻的ZigBee网络，在网关内部对经过该智能网关的数据信息流和命令信息流进行处理，由此决定信息流的流向，进行转发或下达；
所述的数据信息流处理方法为：智能网关的ZigBee协调器收到本子网络节点发来的数据信息，智能网关经过设定的时延，通过本智能网关的ZigBee路由器将该数据信息发送到相邻智能网关的ZigBee协调器，相邻的智能网关重复上述步骤，通过依次传递实现了数据信息在不同PAN之间的传播，最后到达目的网络集线器出口；
所述的命令信息流处理方法为：当前智能网关的ZigBee路由器收到相邻智能网关ZigBee协调器发来的命令信息，当前智能网关判断命令信息是否属于本子网络；如果命令信息是发给所属本子网络，那么当前智能网关负责将命令下达到指定节点；如果命令信息不是发给所属本子网络，则当前智能网关将命令信息转发给另一相邻智能网关；重复上述步骤，智能网关通过依次传递将命令信息最后传递给相应的节点；
所述的ZigBee协调器由第一无线ZigBee通信模块设置而成，所述的ZigBee路由器由第二无线ZigBee通信模块设置而成。
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