CN102083227A - 一种无线接入装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线接入装置及其方法，用于将无线局域网和无线传感器网络接入互联网，目的是利用WI-FI无线接入点的无线接入功能和强大的网络支持能力实现Zigbee无线传感器节点与互联网的快速简便连接，为无线传感网与互联网融合提供支持。本发明的无线接入装置，包括：射频模块，无线局域网接入模块，物联网接入模块，公共数据处理模块；所述无线局域网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接；所述物联网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接。

Description

一种无线接入装置及其方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种无线接入装置及其方法。

背景技术

WLAN是Wireless Local Area Network（无线局域网）的缩写，指应用无线通信技术将通信设备互联起来，客户可通过笔记本电脑、PDA等终端通过无线接入点（Access Point ,AP）随时随地接入互联网和企业网，获取信息、娱乐或进行办公。支持多媒体功能，上传下载，随时欣赏网上影片或音乐。提供极速而稳定的无线连接。

业界最优的产品性能完全支持高质量、高速率和低时延的视频、语音和数据业务，主要应用场景包括城市热点、校园和商业区、无线城市、机场、星级酒店、市政、港口和物流行业，矿业开采行业以及诸多生产领域，支持恶劣环境的无线覆盖、高速移动视频传输、高速移动终端接入、宽带无线接入等。

自1997年IEEE（美国电子电气工程师协会）发布了无线局域网802.11标准，无线局域网就开始备受关注。随着技术的发展，标准不断完善并开始分化，而在标准的分化过程中，速率似乎总是WLAN发展的瓶颈。

IEEE的802.11标准系列的内容和发展过程如下：

IEEE 802.11b，也叫Wi-Fi(Wireless Fidelity)，采用波段是2.4GHz。802.11b的理论容量是11Mbps，实际最大数据速率是6Mbps。由于技术和成本的控制问题，802.11b协议是应用最为广泛的WLAN标准，符合此协议的产品也最多。速率和波段问题是802.11b进一步发展的主要障碍。

802.11a在802.11协议组中是第一个出台的标准。802.11a使用频段为5.8GHz，理论上最大传输速率是54Mbps，真正的数据吞吐量最大约为25Mbps。802.11a最明显的缺点就是不能和802.11b互通。

802.11g是IEEE为了解决802.11a与802.11b的互通而出台的一个标准，它是802.11b的延续，同样使用2.4GHz通用频段，互通性高，被看好是新一代的WLAN标准。802.11g同时支持802.11b和802.11a，而且速率上限已经提升至54Mbps，市场前景一片光明。

除了以上三个比较完善的版本之外，IEEE还出台了修正现存协议缺陷的一些加强版本，作为以上协议的扩展。

802.11e：该协议将QoS功能加入到802.11网络上，它用TDMA方式取代类似 Ethernet的MAC层，为重要的数据增加额外的纠错功能。

802.11f：该协议是为了改善802.11中的切换机制而制定的，以使用户能够在两个不同的交换分区(无线信道)之间，或在加到2个不同的网络上的接入点之间漫游的同时保持连接功能。

802.11h：该协议的主要目的是对802.11a的传输功率和无线信道选择增加更好的控制功能，它与802.11e相结合，适用于欧洲地区。

802.11i：该协议负责处理802.11网络最明显的一个问题：安全性。

Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee虽然具有低的传输速率，但具有约100m的传输距离和极低的功率消耗，大多数时间处于睡眠模式，更加适用于低功耗的传感器网络,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无 线组网通讯技术。Zigbee的应用前景主要包括： 　　◆家庭和楼宇网络：空调系统的温度控制、照明的自动控制、窗帘的自动控制、煤气计量控制、家用电器的远程控制等； 　　◆工业控制：各种监控器、传感器的自动化控制； 　　◆商业：智慧型标签等； 　　◆公共场所：烟雾探测器等； 　　◆农业控制：收集各种土壤信息和气候信息； 　　◆医疗：老人与行动不便者的紧急呼叫器和医疗传感器等。

IEEE 802．15．4标准的物理层采用了3个频段：北美采用的2．4 GHz ISM频段和915 MHz频段，以及欧洲采用的868 MHz频段。故而IEEE 802．15．4提供两种物理层的选择(868／915 MHz和2．4 GHz)。每个频段的规范略有不同。2．4 GHz ISM频段总共有16个不同的信道，最大数据传输速率为250 kb／s；915 MHz频段有10个信道，最大数据传输速率为40kb／s；而868 MHz频段只有1个信道，最大数据传输速率为20 kh／s 。

如图1所示，无线接入点做为WLAN的基础性产品，起到连接无线网络与有线网络的桥梁作用，用户无线终端（计算机、手机、PDA等）通过空中802.11标准的无线信道与无线接入点（AP）相关联，AP把用户的空中信息转换为合符有线互联网络协议的信息传输到有线互联网络中，而有线互联网络的信息通过相反的过程把信息传输给用户。

Zigbee模块主要是嵌入各种监控器、传感器中，体积很小，各模块之间能相互通信，需要专门的无线服务器进行管理和维护。

针对目前无线宽带网络的迅速发展，全球范围内数以亿计的家庭和企业使用 Wi-Fi 技术，而且消费者也习惯在计算设备、家庭娱乐系统和手机中使用Wi-Fi技术。ABI Research 报告显示，仅2009年一年，市场上的Wi-Fi设备出货量就达到5.8亿台， Wi-Fi无线接入点成为Wi-Fi终端连接到互联网上的无线接入基础设备。

现有技术关于Wi-Fi的专利如：申请号为200710164001.X的一种无线接入装置、系统及方法，该专利仅仅介绍了使用Wi-Fi终端接入功能，接入功能单一。

而同时，基于Zigbee技术的无线传感器网络也在飞速发展，成为物联网的主要形态，由于无线传感器网络的节点分布众多，无线传感器各节点监控、维护和管理变得非常重要和复杂，目前Zigbee无线传感器节点需要通过专门的无线服务器进行网络管理，组网和远程管理都存在一些困难。

发明内容

本发明的目的是利用WI-FI无线接入点的无线接入功能和强大的网络支持能力实现Zigbee无线传感器节点与互联网的快速简便连接，实现Zigbee无线传感器节点的网络化管理和维护，使得此无线接入点既能提供WI-FI无线终端接入互联网的服务，又能为无线传感网络和互联网之间搭建一个简便快速的通道，为无线传感网与互联网融合提供支持。

本发明的第一个发明目的在于提供一种无线接入装置，以解决现有技术中，未能实现Wi-Fi与物联网融合的技术问题。

为了实现本发明的第一个发明目的，采用的技术方案如下：

一种无线接入装置，用于将无线局域网和无线传感器网络接入互联网，所述装置包括：

射频模块，用于收发信号；

无线局域网接入模块，用于与所述无线局域网进行通讯；

物联网接入模块，用于与所述无线传感器网络进行通讯；

公共数据处理模块，用于信号的处理和转换；

所述无线局域网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接；

所述物联网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接。

优选地，无线局域网接入模块在为使用Wi-Fi协议的为Wi-Fi接入模块，物联网接入模块采用使用Zigbee协议的Zigbee接入模块。

作为一种优选方案，所述装置还包括与公共数据处理模块连接的有线接入模块，所述有线接入模块用于通过有线传输接入互联网。

作为一种优选方案，所述射频模块包括依次连接的天线、射频滤波器和射频开关，所述射频开关与无线局域网接入模块及物联网接入模块分别连接。

作为一种优选方案，所述无线局域网接入模块包括互相连接的第一子模块和第二子模块：第一子模块和第二子模块可以是物理上分开，也可以是物理上共用平台，逻辑上分开

第一子模块包括依次连接的第一发射器、第一频率综合器、第一接收器和第一控制器，所述第一发射器和第一接收器分别与射频模块连接；

第二子模块包括模/数转换器、数/模转换器、基带处理器和媒体介质控制及储存器；

所述接收器与模/数转换器连接，通过模/数转换器接入基带处理器；

基带处理器与媒体介质控制及储存器连接，从媒体介质控制及储存器获取数据；

发射器与数/模转换器连接，基带处理器从媒体介质控制及储存器获取数据后，通过数/模转换器从发射器发射。

作为一种优选方案，所述物联网接入模块包括相互连接的第三子模块和第四子模块：

第三子模块包括依次连接的第二发射器、第二频率综合器、第二接收器和第二控制器，所述第二发射器和第二接收器分别与射频模块连接；

第四子模块包括依次连接的定时器、逻辑控制器和仲裁器，定时器和仲裁器连接后再与数字收发器连接。

作为一种优选方案，所述公共数据处理模块包括相互连接的中央处理器和储存器。

本发明的第二个发明目的，在于提供一种无线接入方法，以应用本发明的第一个发明目的所提供无线接入装置。

为了实现本发明的第二个发明目的，采用的技术方案如下：

一种无线接入方法，所述方法包括以下步骤：

对于下行数据执行如下步骤：

（71）无线信号通过天线接收后经过射频滤波器滤波后送到射频开关；

（72）射频开关把信号导向无线局域网接入模块和物联网接入模块；

（73）无线局域网接入模块和物联网接入模块分别对信号进行采样和解调，区分出信号的类型，对于无线局域网信号，执行步骤（74），对于物联网信号，执行步骤（75）；

（74）无线局域网接入模块对无线局域网信号进行基带信号处理后，把信号送到公共数据处理模块的中央处理器进行数字信号处理后，通过有线接入模块传输到有线互联网中；

物联网接入模块对无线局域网信号直接清零；

（75）物联网接入模块对物联网信号进行信号处理后送入公共数据处理模块的中央处理器进行数字信号处理后，通过有线接入模块传输到有线互联网中；

 无线局域网接入模块对物联网信号直接清零。

作为一种优选方案，所述方法还包括以下步骤：

对于上行数据执行如下步骤：

（81）有线接入模块接收有线互联网传输的数字信号后送入公共数据处理模块的中央处理器中；

（82）中央处理器判断数字信号的类型后根据不同信号的协议转换标准，把数字信号转换为对应协议的基带信号：

如果是无线局域网信号，中央处理器把信号送入无线局域网接入模块进行基带处理、调制和D/A转换后通过天线发射到空中；

如果是物联网信号，中央处理器把信号送入互联网接入模块，进行基带处理、调制和D/A转换后通过天线发射到空中。

本发明相对于现有技术的有益效果是：

用接入点的方式把Zigbee信号和Wi-Fi信号接入互联网，能实现互联网和物联网的有机融合，减少很多转换环节，能快速实现无线传感节点的网络部署，对无线传感节点能实现简便、及时的远程监控和维护，降低无线传感网络的组网成本，同时提高无线接入点的带宽利用效率，为未来多信息网络融合提供一定的基础。

附图说明

图1 为现有技术的无线接入装置；

图2为本发明实施例一种无线接入装置的原理图。

图3 为本发明实施例的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图通过对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例如图2所示，一种无线接入装置，用于将无线局域网和无线传感器网络接入互联网，所述装置包括：射频模块，无线局域网接入模块，物联网接入模块，公共数据处理模块；所述无线局域网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接；所述物联网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接。无线局域网接入模块在本实施例中采用使用Wi-Fi协议的为Wi-Fi接入模块，物联网接入模块采用使用Zigbee协议的Zigbee接入模块。

所述装置还包括如图2所示与公共数据处理模块连接的有线接入模块，所述有线接入模块用于通过有线传输接入互联网。

所述射频模块包括依次连接的天线、射频滤波器和射频开关，所述射频开关与无线局域网接入模块及物联网接入模块分别连接。

所述无线局域网接入模块包括互相连接的第一子模块和第二子模块：

第一子模块包括依次连接的第一发射器、第一频率综合器、第一接收器和第一控制器，所述第一发射器和第一接收器分别与射频模块连接；

第二子模块包括模/数转换器、数/模转换器、基带处理器和媒体介质控制及储存器；

所述接收器与模/数转换器连接，通过模/数转换器接入基带处理器；

基带处理器与媒体介质控制及储存器连接，从媒体介质控制及储存器获取数据；

发射器与数/模转换器连接，基带处理器从媒体介质控制及储存器获取数据后，通过数/模转换器从发射器发射。

所述物联网接入模块包括相互连接的第三子模块和第四子模块：

第三子模块包括依次连接的第二发射器、第二频率综合器、第二接收器和第二控制器，所述第二发射器和第二接收器分别与射频模块连接；

第四子模块包括依次连接的定时器、逻辑控制器和仲裁器，定时器和仲裁器连接后再与数字收发器连接。

所述公共数据处理模块包括相互连接的中央处理器和储存器。

Wi-Fi标准协议和Zigbee标准协议规定的射频双工方式都是时分复用方式，采用的频率都包括2.4GHZ ISM频段，2.4~2.483GHz，当采用相同频段时，就可以共用天线，当Wi-Fi和Zigbee 采用不同的ISM频段时就采用不同的天线分别进行收发，射频开关用于控制上行下行信号的流向。Zigbee在 2.4 GHz ISM频段总共有16个不同的信道，每个信道2MHz，最大数据传输速率为250 kb／s；

Wi-Fi在2．4 GHz ISM频段总共有13个不同的信道，每个信道5MHz，非交叠信道3个，最大传输速率54Mb/s，通过信道的自动设置可以避免频率的相互干扰。

由于WI-FI和Zigbee均采用2.4GHz频段， WI-FI的发射器和蓝牙发射器采用合成功放的形式共用一个功放模块进行发射，这样可以节约成本，但是采用不同的频率时，采用独立功放形式，Zigbee和WI-FI分别用不同的功放进行发射，接收端同理也采用合成的形式，共用一个低噪声放大器进行接收或者独立接收。WI-FI的发射器和Zigbee发射器频率综合器可以共用本振源，采用不同锁相环和数字频率寄存器。WI-FI和Zigbee的基带部分都在同一个FPGA（可编程逻辑阵列）硬件平台下采用不同的软件模块来实现。WI-FI和Zigbee的控制部分也在同一个CPU硬件平台上分别进行处理

如图3所示为系统的工作流程图。

信号的流向和处理过程如下

（1）下行信号流向如下：

空中无线信号通过天线接收后经过射频滤波器滤波后送到射频开关

射频开关把信号导向接收端的低噪声放大器，滤波后变频为中频信号便于A/D采样转换为数字信号，数字信号再经过FPGA 中Wi-Fi无线接入模块和Zigbee无线接入模块两大软件模块分别进行试解调，确定是WI-FI信号还是Zigbee信号，区分出信号的类型，

对于 Wi-Fi信号，Wi-Fi接入模块就进行后续的媒体介质访问、基带信号处理工作，最后把信号送到CPU进行协议转换、认证等数字信号处理后通过网口传输到有线互联网中，而Zigbee接入模块对Wi-Fi信号直接清零，不做后续处理。

同理对于Zigbee信号，Zigbee接入模块对信号进行信号处理后也送入CPU进行协议转换、安全加密等数字信号处理后通过网口传输到有线互联网中，而Wi-Fi接入模块对Zigbee信号直接清零，不做后续处理

（2）上行信号流向如下

网口接收有线互联网传输的数字信号后送入CPU中

CPU通过对数字信号的读取和判断，确定数字信号的类型后根据不同信号的协议转换标准，把数字信号转换为对应协议的基带信号，基带信号处理在FPGA中进行，不同的信号对应不同的处理模块，如果是Wi-Fi信号，CPU就把信号送入Wi-Fi接入模块进行基带处理（(数字上变频)、调制和D/A转换后变换为中频模拟信号，然后把中频信号变频为射频信号，经过功率放大滤波后通过天线发射到空中，同理，如果是Zigbee信号，CPU就把信号送入Zigbee接入模块，进行基带处理、调制和D/A转换后后变换为中频模拟信号，然后把中频信号变频为射频信号，经过功率放大滤波后通过天线发射到空中。

Claims (8)

1.一种无线接入装置，用于将无线局域网和无线传感器网络接入互联网，其特征在于，所述装置包括：

射频模块，用于收发信号；

无线局域网接入模块，用于与所述无线局域网进行通讯；

物联网接入模块，用于与所述无线传感器网络进行通讯；

公共数据处理模块，用于信号的处理和转换；

所述无线局域网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接；

所述物联网接入模块与射频模块和公共数据处理模块分别连接。

2.如权利要求1所述的一种无线接入装置，其特征在于，所述装置还包括与公共数据处理模块连接的有线接入模块，所述有线接入模块用于通过有线传输接入互联网。

3.如权利要求1所述一种无线接入装置，其特征在于，所述射频模块包括依次连接的天线、射频滤波器和射频开关，所述射频开关与无线局域网接入模块及物联网接入模块分别连接。

4.如权利要求1所述一种无线接入装置，其特征在于，所述无线局域网接入模块包括互相连接的第一子模块和第二子模块：

第一子模块包括依次连接的第一发射器、第一频率综合器、第一接收器和第一控制器，所述第一发射器和第一接收器分别与射频模块连接；

第二子模块包括模/数转换器、数/模转换器、基带处理器和媒体介质控制及储存器；

所述接收器与模/数转换器连接，通过模/数转换器接入基带处理器；

基带处理器与媒体介质控制及储存器连接，从媒体介质控制及储存器获取数据；

发射器与数/模转换器连接，基带处理器从媒体介质控制及储存器获取数据后，通过数/模转换器从发射器发射。

5.如权利要求1所述一种无线接入装置，其特征在于，所述物联网接入模块包括相互连接的第三子模块和第四子模块：

第三子模块包括依次连接的第二发射器、第二频率综合器、第二接收器和第二控制器，所述第二发射器和第二接收器分别与射频模块连接；

第四子模块包括依次连接的定时器、逻辑控制器和仲裁器，定时器和仲裁器连接后再与数字收发器连接。

6.如权利要求1所述一种无线接入装置，其特征在于，所述公共数据处理模块包括相互连接的中央处理器和储存器。

7.一种无线接入方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

对于下行数据执行如下步骤：

（71）无线信号通过天线接收后经过射频滤波器滤波后送到射频开关；

（72）射频开关把信号导向无线局域网接入模块和物联网接入模块；

（73）无线局域网接入模块和物联网接入模块分别对信号进行采样和解调，区分出信号的类型，对于无线局域网信号，执行步骤（74），对于物联网信号，执行步骤（75）；

（74）无线局域网接入模块对无线局域网信号进行基带信号处理后，把信号送到公共数据处理模块的中央处理器进行数字信号处理后，通过有线接入模块传输到有线互联网中；

物联网接入模块对无线局域网信号直接清零；

（75）物联网接入模块对物联网信号进行信号处理后送入公共数据处理模块的中央处理器进行数字信号处理后，通过有线接入模块传输到有线互联网中；

 无线局域网接入模块对物联网信号直接清零。

8.如权利要求7所述的无线接入方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

对于上行数据执行如下步骤：

（81）有线接入模块接收有线互联网传输的数字信号后送入公共数据处理模块的中央处理器中；

（82）中央处理器判断数字信号的类型后根据不同信号的协议转换标准，把数字信号转换为对应协议的基带信号：

如果是无线局域网信号，中央处理器把信号送入无线局域网接入模块进行基带处理、调制和D/A转换后通过天线发射到空中；

如果是物联网信号，中央处理器把信号送入互联网接入模块，进行基带处理、调制和D/A转换后通过天线发射到空中。

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