CN102448195A

CN102448195A - 一种加固型ZigBee网络协调器

Info

Publication number: CN102448195A
Application number: CN2011104393307A
Authority: CN
Inventors: 梁佩莹
Original assignee: Foshan University
Current assignee: Foshan University
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2012-05-09

Abstract

本发明公开了一种加固型ZigBee网络协调器，在硬件上，包含常用ZigBee协调器（1），备用ZigBee协调器（2）、心跳线（3），常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）通过心跳线（3）电连接；在软件上，除了普通协调器所必须的协议栈及协调器应用程序以外，还包含软件控制/切换逻辑（4），它通过软件来控制上述2个协调器并负责切换上述2个协调器之间的工作状态。本发明能有效解决ZigBee网络的单点故障问题，且利用ZigBee协调器富余的接口，使得本发明的硬件设置十分简单，仅需增加一根或者一组心跳线（3）即可。本发明广泛应用于ZigBee网络设计中。

Description

一种加固型ZigBee网络协调器

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，尤其涉及ZigBee网络的可靠性管理，具体涉及一种加固型ZigBee网络协调器。

背景技术

ZigBee, 在中国被译为“紫蜂”, 它是一种依赖于IEEE 802.15.4标准所定义的物理层及MAC(媒体接入控制)层协议的，由ZigBee联盟所制定的网络层和应用层标准，是一种短距离、低功耗的无线通信技术规范。具有近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯的技术特点。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，可用于工业现场，家庭和建筑物自动化控制、智能电网管理等多种对可靠性和实时性要求较高的应用场合。

现行的ZigBee规范规定了一个网络有且仅有一个协调器设备，当协调器出现故障的时候，由于整个网络的信任管理中心一般来说位于协调器内部，这会导致该ZigBee网络无法打开或者关闭，无法加入新的设备，无法更新密钥等多种问题。换句话说，ZigBee协调器是一个ZigBee网络的单点故障源，对整个ZigBee网络的安全运行造成极大的隐患。

发明内容

本发明实施例提供了一种通过双机热备份机制来增强ZigBee协调器的可靠性, 从而避免协调器单点故障导致ZigBee网络工作异常的方案。

由于ZigBee规范定义了一个ZigBee网络有且仅有一个协调器，在不违反ZigBee协议规范的前提条件下，我们无法从逻辑层面上引入一个备份的协调器。因此在物理实现上，我们考虑双机热备份和地址共享机制来增强该协调器的可靠性。

一种加固型ZigBee网络协调器，在硬件上，包含常用ZigBee协调器1，备用ZigBee协调器2、心跳线3，常用ZigBee协调器1和备用ZigBee协调器2（下面简称为：“两个协调器”）通过心跳线3电连接；在软件上，除了普通协调器所必须的协议栈及协调器应用程序以外，还包含软件控制/切换逻辑4，它通过软件来控制“两个协调器”并负责切换“两个协调器”之间的工作状态。

上述的心跳线3是用于连接两台服务器（如工作机与备份机）之间的网线。它通过软件的方式监视工作机,备份机一旦发现工作机由于某种原因停止服务,则立即投入使用,以保证网络的畅通和服务的正常运行。

上述的软件控制/切换逻辑4包含心跳发送及监视程序逻辑41、协调器切换单元逻辑42、数据共享逻辑43，心跳发送及监视程序逻辑41负责“两个协调器”之间的心跳数据定期发送和监视，得以“两个协调器”均能互知对方的工作状态；协调器切换单元逻辑42负责“两个协调器”之间的工作状态切换，得以保持有且仅有一个协调器处于激活状态；数据共享逻辑43负责“两个协调器”之间的网络状态参数共享和交换，得以确保“两个协调器”同步工作及工作状态切换正常。

ZigBee协调器一般具备富余的通用I/O接口或者串行口、SPI接口等，因此，心跳线3经由这些富余的通用I/O接口，串行口，SPI接口、以太网接口等电连接“两个协调器”。

数据共享逻辑43共享“两个协调器”之间的网络地址，短地址, 网络密钥，网络ID, 扩展网络ID ，收发包缓存和必要的应用层数据等网络状态参数。数据共享逻辑43使“两个协调器”在内部逻辑状态上保持同步以确保产生活动协调器切换动作时不至于丢失网络状态等数据。“两个协调器”共享这些参数，因此也共享了同一个MAC地址，但由于有且仅有一个协调器处于激活状态，而另一个协调器并不实际发生从物理层进行收发包的动作，所以不会引起MAC地址的冲突；同时他们所属ZigBee网络中的其他设备也不会意识到处于待机状态的协调器的存在，这样有且仅有一个协调器处于激活状态的设置符合ZigBee协议规范。

本发明的工作过程如下：在正常情况下，加电开机以后，通过竞争法则或者事先约定，“两个协调器”中有且仅有一个ZigBee收发器处于激活状态，所有的ZigBee无线输入输出信号均通过该激活状态的协调器完成，而另一个协调器处于待机状态。

“2个协调器”通过心跳线3和软件控制/切换逻辑4中的发送及监视程序逻辑41互发数据和互相监视对方的工作状态，并通过心跳线3和软件控制/切换逻辑4中的数据共享逻辑43获取其内部的网络状态参数，使“两个协调器”在内部逻辑状态上保持同步以确保产生活动协调器切换动作时不至于丢失网络状态等数据。当处于待机状态的协调器发现处于激活状态的协调器工作异常时，“2个协调器”通过心跳线3和软件控制/切换逻辑4中的协调器切换单元逻辑42完成“两个协调器”之间的状态切换，始终保持网络的畅通。这样，协调器的单点故障问题得以解决，这种通过双机热备份和地址共享机制来增强协调器的可靠性，正是本发明的目的所在。

另外，“两个协调器”共享网络状态参数，因此也共享了同一个MAC地址，但由于只有一个协调器处于激活状态，而另一个协调器并不实际发生从物理层进行收发包的动作，所以不会引起MAC地址的冲突；同时他们所属ZigBee网络中的其他设备也不会意识到处于待机状态的协调器的存在，这样有且仅有一个协调器处于激活状态的设置符合ZigBee协议规范。

本发明的有益效果在于：（1）通过心跳线3和状态共享的机制，通过双机互为热备份的手段来避免单点故障的出现。一旦激活的协调器出现异常，协调器切换逻辑可以立刻激活待机状态的协调器并通过其发送接收数据。由于网络状态机是共享的，所以切换协调器进行通信时其他ZigBee设备不会注意到该协调器此前发生的异常。（2）利用ZigBee协调器富余的接口，如通用I/O接口，串行口，SPI接口、以太网接口等，心跳线3可以有效电连接“两个协调器”，使得本发明的硬件设置十分简单，仅需增加一根或者一组心跳线3即可。

由于上述有益效果，本发明广泛应用于ZigBee网络中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明软件控制/切换逻辑4的模块示意图；

图3是本发明软件控制/切换逻辑4实施例流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步阐述本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种加固型ZigBee网络协调器，在硬件上，包含常用ZigBee协调器1，备用ZigBee协调器2、心跳线3，常用ZigBee协调器1和备用ZigBee协调器2（下面简称为：“两个协调器”）通过心跳线3电连接；在软件上，除了普通协调器所必须的协议栈及协调器应用程序以外，还包含软件控制/切换逻辑4，它通过软件来控制“两个协调器”并负责切换“两个协调器”之间的工作状态。

如图2所示，软件控制/切换逻辑4包含心跳发送及监视程序逻辑41、协调器切换单元逻辑42、数据共享逻辑43，心跳发送及监视程序逻辑41负责“两个协调器”之间的心跳数据定期发送和监视，得以“两个协调器”均能互知对方的工作状态；协调器切换单元逻辑42负责“两个协调器”之间的工作状态切换，得以保持有且仅有一个协调器处于激活状态；数据共享逻辑43负责“两个协调器”之间的网络状态参数共享和交换，得以确保“两个协调器”同步工作及工作状态切换正常。

如图3所示，为软件控制/切换逻辑4的一种具体工作流程，也即软件控制/切换逻辑4的一个实施例，也是本发明的一个实施例。

当通电开机以后，本实施例通过事先约定，“两个协调器”中有且仅有一个ZigBee收发器处于激活状态（图示中的协调器1，也即常用ZigBee协调器1），所有的ZigBee无线输入输出信号均通过该激活状态的协调器1完成，而另一个协调器（图示中的协调器2，也即备用ZigBee协调器2）处于待机状态。协调器2监视协调器1的工作状态并通过心跳线3从协调器1接收协调器1内部的网络状态机参数（包括但不限于MAC地址，网络短地址，PAN ID, EPID, 网络密钥，收发包缓存和必要的应用层数据），使协调器2在内部逻辑状态上与协调器1保持同步以确保产生活动协调器切换动作时不至于丢失网络状态等数据。“两个协调器”共享这些参数，因此也共享了同一个MAC地址，但由于只有活动协调器1处于激活状态，而协调器2并不实际发生从物理层进行收发包的动作，所以不会引起MAC地址的冲突；同时他们所属ZigBee网络中的其他设备也不会意识到处于待机状态的协调器2的存在。

活动协调器1在处理普通协调器所必须的数据包收发工作的同时，额外需要完成的工作包括：1）定期发送心跳数据到协调器2，表示自己工作正常；2）每当有收发包事件产生时，将收发包缓冲区中的数据通过心跳线发送到协调器2，使协调器2能够得到必要的信息以与协调器1保持状态同步；3）通过心跳线监视协调器2发送过来的心跳数据，确认协调器2工作正常。如果该心跳数据接收超时，则表明协调器2故障，这时候协调器1需要在内部标记协调器2的故障状态，同时可以停止向协调器2发送数据包，也即解除双机热备份状态，当做单个普通协调器工作，也可以继续原有的同步逻辑，只是协调器2由于故障原因可能不能接收到。

处于待机状态的协调器2需要完成的工作包括：1）定期发送心跳数据到协调器1，表示自己工作正常；2）每当收到协调器1通过心跳线发送过来的包数据时，更新内部状态，以与协调器1保持一致；3）通过心跳线监视协调器1发送过来的心跳数据，确认协调器1工作正常。如果该心跳数据接收超时，则表明协调器1故障，这时候协调器2需要在内部标记协调器1的故障状态，同时通过协调器切换单元逻辑42进入活动协调器切换流程。该流程描述如下：

1）待机状态的协调器2发送协调器切换通知给当前活动协调器1。由于此时协调器1由于故障状态可能无法接收到该通知，所以对于协调器2来说无需等待协调器1的反馈；

2）待机状态的协调器2将自己激活为活动状态，开始通过自己的物理层进行数据包收发。

3）每当有收发包事件产生时，协调器2将收发包缓冲区中的数据通过心跳线发送到协调器1。

由于ZigBee协调器一般为嵌入式系统，软硬件资源有限，所以在具体实现上可以不用故障状态的协调器1修复后的活动协调器切换回去的问题，所以上述步骤3）在具体实现时可以考虑跳过。

Claims

1.一种加固型ZigBee网络协调器，其特征在于：包含常用ZigBee协调器（1），备用ZigBee协调器（2）、心跳线（3）、软件控制/切换逻辑（4），所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）通过所述的心跳线（3）电连接；所述的软件控制/切换逻辑（4）软件控制所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）并负责切换所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）之间的工作状态。

2.根据权利要求1所述的一种加固型ZigBee网络协调器，所述的软件控制/切换逻辑（4）包含心跳发送及监视程序逻辑（41）、协调器切换单元逻辑(42)、数据共享逻辑(43)，所述的心跳发送及监视程序逻辑（41）负责所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）之间的心跳数据定期发送和监视，得以所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）均能互知对方的工作状态；所述的协调器切换单元逻辑(42) 负责所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）之间的工作状态切换，得以保持有且仅有一个ZigBee协调器处于激活状态；所述的数据共享逻辑(43) 负责所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）之间的网络状态参数共享和交换，得以确保所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）同步工作及正常切换工作状态。

3.根据权利要求1所述的一种加固型ZigBee网络协调器，其特征在于：所述的心跳线（3）经由通用I/O接口、串行口、SPI接口、以太网接口等电连接所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）。

4.根据权利要求2所述的一种加固型ZigBee网络协调器，其特征在于：所述的数据共享逻辑(43)共享所述的常用ZigBee协调器（1）和备用ZigBee协调器（2）之间的网络地址、短地址、网络密钥、网络ID、扩展网络ID、收发包缓存和必要的应用层数据等网络状态参数。