CN102548030B - 通信系统、网关和ZigBee物联网移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种ZigBee物联网移动终端、网关、和通信系统。该移动终端包括与应用处理器相连的ZigBee基带处理器和ZigBee射频；与应用处理器相连的蜂窝网络基带处理器和蜂窝网络射频；应用处理器包括：ZigBee NWK模块和与ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK切换模块，用于切换ZigBee基带处理器和蜂窝网络基带处理器与应用处理器相连，以便通过ZigBee物联网或者蜂窝网络通信。本发明的技术方案，可以将物联网延伸到蜂窝网络中，不需对现有成熟的ZigBee无线网和蜂窝无线网进行改动，就可以实现两个网络中设备之间的互连互通。随着物联网普及和大规模应用，能够扩大物联网和蜂窝网络的应用范围。

Description

通信系统、网关和ZigBee物联网移动终端

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种ZigBee物联网移动终端、网关和通信系统。

背景技术

ZigBee是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术，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。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无线网络开始主要为工业现场自动化控制数据传输而建立，ZigBee无线网络是一个由多个ZigBee节点组成的一个无线数据传输网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee节点之间可以相互通信。它具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

但是，当ZigBee节点不处于ZigBee网络覆盖时，无法与其它节点进行通信。

发明内容

本发明要解决的一个技术问题是提供一种ZigBee物联网移动终端，能够扩大通信范围。

本发明提供一种ZigBee物联网移动终端，包括：

应用处理器，与应用处理器相连的键盘、显示器、存储器和音频编解码器；

与应用处理器相连的ZigBee基带处理器，与ZigBee基带处理器相连的ZigBee射频；

与应用处理器相连的蜂窝网络基带处理器，与蜂窝网络基带处理器相连的蜂窝网络射频；

其中，应用处理器包括：

ZigBee NWK模块；

与ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK切换模块，用于切换ZigBee基带处理器和蜂窝网络基带处理器与应用处理器的ZigBee NWK模块相连，以便通过ZigBee物联网或者蜂窝网络通信。

根据本发明的ZigBee物联网移动终端的一个实施例，在ZigBee基带处理器中实现802.15.4物理层和802.15.4MAC(Media AccessControl，媒体访问控制)层；在蜂窝网络基带处理器中实现蜂窝网络物理层和蜂窝网络MAC层；ZigBee NWK(ZigBee Network Layer)切换模块，用于实现ZigBee NWK模块与802.15.4MAC层/物理层相连还是跟蜂窝网MAC层/物理层相连，以便通过ZigBee物联网或者蜂窝网络通信。

根据本发明的ZigBee物联网移动终端的一个实施例，蜂窝网络为EVDO(Evolution Data Only)网络、WCDMA网络、或者TD-SCDMA网络。

根据本发明的ZigBee物联网移动终端的一个实施例，在应用处理器中还包括：

与ZigBee NWK模块相连的ZigBee APS模块；

与ZigBee APS模块相连的ZigBee AF/ZDO模块。

根据本发明的ZigBee物联网移动终端的一个实施例，应用模块还包括与ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK Router(路由)模块，用于实现ZigBee网络和蜂窝网络之间数据中继和转换。

根据本发明的ZigBee物联网移动终端的一个实施例，基于设置启用ZigBee NWK路由模块或者ZigBee NWK切换模块。

本发明提供的ZigBee物联网移动终端，可以通过ZigBee NWK切换模块切换ZigBee基带处理器和蜂窝网络基带处理器与应用处理器相连，以便通过ZigBee物联网或者蜂窝网络通信，从而扩大了通信范围。

本发明要解决的另一个技术问题是提供一种网关，能够扩大ZigBee节点的通信范围。

本发明提供一种网关，包括：

微控制器；

与微控制器相连的ZigBee基带处理器，与ZigBee基带处理器相连的ZigBee射频；

与微控制器相连的蜂窝网络基带处理器，与蜂窝网络基带处理器相连的蜂窝网络射频；

其中，微控制器包括：

ZigBee NWK模块；

与ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK路由模块，用于实现ZigBee网络和蜂窝网络之间数据中继和转换。

根据本发明网关的一个实施例，ZigBee基带处理器实现802.15.4物理层和802.15.4MAC层；蜂窝网络基带处理器实现蜂窝网络物理层和蜂窝网络MAC层。

根据本发明网关的一个实施例，蜂窝网络为EVDO网络、WCDMA网络、或者TD-SCDMA网络。

本发明还提供一种通信系统，包括上述ZigBee物联网移动终端和网关。

本发明提供的网关和通信系统，可以通过ZigBee NWK路由模块实现ZigBee网络和蜂窝网络之间数据交换，从而支持ZigBee终端通过ZigBee物联网或者蜂窝网络通信，扩大了通信范围。

附图说明

图1示出本发明的ZigBee物联网移动终端一个实施例的结构图；

图2示出本发明的通信系统的一个实施例的系统架构图；

图3示出本发明的网关的一个实施例的结构图；

图4示出本发明的通信系统的另一个实施例的系统架构图；

图5(a)示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作物联网网络监测器的例子的系统示意图；

图5(b)示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作移动1xEV-DORev.A-ZigBee网关的系统示意图；

图6示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作物联网Router功能的系统架构图。

图7示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作物联网CDMA-Zigbee移动网关功能的系统架构图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明进行更全面的描述，其中说明本发明的示例性实施例。在附图中，相同的标号表示相同或者相似的组件或者元素。

图1示出本发明的ZigBee物联网移动终端一个实施例的结构图。如图1所示，该移动终端包括应用处理器11，与应用处理器11相连的键盘/显示器16、存储器17、和音频编解码器18；该终端还包括与应用处理器11相连的ZigBee基带处理器12，与ZigBee基带处理器12相连的ZigBee射频13以及天线；该终端还包括与应用处理器11相连的蜂窝网络基带处理器14、与蜂窝网络基带处理器14相连的蜂窝网络射频15。其中，应用处理器11包括：ZigBee NWK模块111和与ZigBeeNWK模块111相连的ZigBee NWK切换模块112。ZigBee NWK切换模块112用于切换ZigBee基带处理器12和蜂窝网络基带处理器14与应用处理器11的ZigBee NWK模块相连，以便通过ZigBee物联网或者蜂窝网络终端的终端进行通信。可选地，该终端还可以包括照相机或摄像机19，以及蓝牙/红外(未示出)。根据本发明的ZigBee物联网移动终端的一个实施例，在ZigBee基带处理器12中实现802.15.4物理层和802.15.4MAC层；在蜂窝网络基带处理器14中实现蜂窝网络物理层和蜂窝网络MAC层；ZigBee NWK切换模块实现ZigBee NWK模块与802.15.4MAC层/物理层相连还是跟蜂窝网MAC层/物理层相连，以便与ZigBee物联网或者蜂窝网通信。蜂窝网络可以是EVDO网络、WCDMA网络或者TD-SCDMA网络。应用处理器中还可以包括比如电话，短信，浏览器，多媒体，JAVA等模块。

当ZigBee物联网移动终端检测到ZigBee无线信号，ZigBee NWKSwitch切换到802.15.4MAC层/物理层一侧，与物联网网络中其他ZigBee节点进行通信。当ZigBee物联网移动终端移动到ZigBee物联网之外，移动终端检测不到ZigBee无线信号，但有蜂窝网络无线信号时，ZigBee NWK Switch切换到TCP/UDP/IP，蜂窝网络MAC层/物理层另一侧，通过蜂窝网络网关连接IP网络。例如，当CDMA无线信号时，ZigBee NWK Switch切换到TCP/UDP/IP，CDMA MAC层/物理层一侧，ZIGBEE ZigBeeNWK层数据加载到TCP/UDP/IP的报文格式中，交由满足CDMA通信协议的通信模块发送出去。ZigBeeNWK层数据是TCP/UDP/IP报文的有效载荷。

上述实施例中的ZigBee物联网移动终端，如果有ZigBee无线网信号，通过ZigBee NWK Switch切换到802.15.4MAC层/物理层一侧，与物联网网络中其他ZigBee结点进行通信；如果有蜂窝网络信号，通过ZigBee NWK Switch切换到TCP/UDP/IP，蜂窝MAC层/物理层另一侧，与蜂窝网络通信。上述切换可以通过手动实现，也可以根据检测ZigBee无线信号和蜂网络信号的强弱来自动切换。ZigBee物联网移动终端能够跨ZigBee无线网和1xEV-DO Rev.A无线网之间使用，基于蜂窝网络的广泛分布，几乎可以随时随地接入。

图2示出本发明的通信系统的一个实施例的系统架构图。如图2所示，该通信系统包括ZigBee物联网移动终端21、网关22和ZigBee节点23。其中，ZigBee物联网移动终端21包括ZigBee AF/ZDO 211、ZigBee APS 212、ZigBee NWK层213、ZigBee NWK Switch/Router(切换/路由模块)214；ZigBee NWK Switch/Router 214下面分两侧：ZigBee侧和蜂窝网络侧；ZigBee侧包括802.15.4MAC层215和802.15.4物理层216；蜂窝网络侧包括TCP/UDP/IP 217，蜂窝网络MAC层218和蜂窝网络物理层219。网关22包括ZigBee NWK层223、下面是ZigBee NWK Router层224，ZigBee NWK Router层224下面分两侧，ZigBee侧包括802.15.4MAC层225和802.15.4物理层226，蜂窝网络侧包括TCP/UDP/IP 227、蜂窝网络MAC层228和蜂窝网络物理层229。ZigBee结点23包括ZigBee AF/ZDO 231、ZigBee APS 232、ZigBee NWK层233、802.15.4MAC层234和802.15.4物理层235。

通过图2可以看出，当ZigBee物联网移动终端21处于蜂窝网络中时，ZigBee NWK Switch/Router 214切换到蜂窝网络侧；当ZigBee物联网移动终端21需要和物联网中ZigBee结点23进行通信时，由蜂窝网络-ZigBee网关22来执行中继和数据包的转换工作。当ZigBee物联网移动终端21需要和物联网中ZigBee结点23进行通信时，蜂窝网络-ZigBee网关22根据TCP/UDP/IP协议从蜂窝网络物理层/MAC层解出ZigBee NWK层数据，然后将ZigBee NWK层数据加载到802.15.4MAC层/802.15.4物理层上，交由满足ZigBee通信协议的模块发送出去，从而实现将蜂窝网络中接收到的信息传输到ZigBee物联网网络中，即蜂窝网络-ZigBee网关实现了中继和数据包的转换工作。

上述实施例中，当ZigBee物联网终端移动到ZigBee物联网之外检测不到ZigBee无线信号、但有蜂窝网络(例如1xEV-DO Rev.A)无线信号时，ZigBee NWK Switch切换到TCP/UDP/IP，蜂窝网络MAC层/物理层另一侧，由蜂窝网络-ZigBee网关来执行中继和数据包的转换工作，实现了ZigBee物联网终端和物联网中ZigBee结点进行通信。这样，即使在ZigBee物联网网络不能覆盖的地方，如果存在蜂窝网络，ZigBee物联网终端可以通过蜂窝网络与物联网内部任何ZigBee节点互通，从而扩大了ZigBee物联网终端的通信范围。

图3示出本发明的网关的一个实施例的结构图。如图3所示，该网关包括微控制器31，与微控制器31相连的ZigBee基带处理器32，与ZigBee基带处理器相连的ZigBee射频部分33；该网关还包括与微控制器31相连的蜂窝网络基带处理器34，与蜂窝网络基带处理器34相连的蜂窝网络射频35；其中，微控制器31包括ZigBee NWK模块311和与ZigBee NWK模块311相连的ZigBee NWK路由(Router)模块312，ZigBee NWK路由模块312用于实现ZigBee基带处理器32和蜂窝网络基带处理器34之间的数据中继和转换。根据本发明的网关的一个实施例，ZigBee基带处理器32用于实现802.15.4物理层和802.15.4MAC层；蜂窝网络基带处理器34用于实现蜂窝网络物理层和蜂窝网络MAC层。蜂窝网络可以是EVDO网络、WCDMA网络、或者TD-SCDMA网络。

通过上述实施例的网关，可以实现蜂窝网络和ZIGBEE网络的数据交换，从而扩大ZigBee节点间的通信范围。

图4示出本发明的通信系统的另一个实施例的系统架构图。在图4中，ZigBee物联网移动终端41和网关42支持CDMA网络，ZigBee物联网移动终端41包括1xEVDO Rev.A MAC层418和1xEVDORev.A物理层419；网关42包括1xEVDO Rev.A MAC层428和1xEVDO Rev.A物理层429。

下面介绍一个本发明的系统和终端的应用例。当ZigBee物联网终端在ZigBee物联网网络中，终端检测到ZigBee无线信号，ZigBeeNWK Switch切换到802.15.4MAC层/PHY层一侧，与物联网网络中其他ZigBee结点进行通信，无需蜂窝网络通信流量；当ZigBee物联网终端移动到ZigBee物联网之外，终端检测不到ZigBee无线信号，但有1xEV-DO Rev.A无线信号时，ZigBee NWK Switch切换到TCP/UDP/IP，1xEV-DO Rev.A MAC层/物理层另一侧，当某终端需要和物联网中ZigBee结点进行通信时，由1xEV-DO Rev.A-ZigBee网关来执行中继和数据包的转换工作。ZigBee物联网终端利用信号检测和软件协议栈转变，实现ZigBee无线网和1xEV-DO Rev.A无线网之间无缝切换，优先使用ZigBee无线网，在ZigBee无线网无信号时，自动切换到1xEV-DO Rev.A无线网中，保证用户体验。

根据本发明的一个实施例，带有Coordinator性质ZigBee物联网终端的应用模块还包括与ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK路由(Router)模块，用于实现ZigBee基带处理器和蜂窝网络基带处理器之间数据中继和转换。在没有1xEV-DO Rev.A-ZigBee网关的情况下，可以增加并激活ZigBee NWK Router层，屏蔽ZigBee NWK Switch层，起到1xEV-DO Rev.A-ZigBee移动网关功能，临时现场连通ZigBee物联网和1xEV-DO Rev.AIP网络，随时将物联网检测到的现场实时数据上传到IP网络中的服务器。图5(b)示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作移动1xEV-DO Rev.A-ZigBee网关的系统示意图。

带有Router性质ZigBee物联网终端，可以插入在Router(或结点)与1xEV-DO Rev.A-ZigBee网关之间，将截获数据在终端上动态显示出来，动态监测某路网络流量，网络活动和通信情况。图5(a)示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作物联网网络监测器的例子的系统示意图。

图6示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作物联网Router功能的系统架构图。如图6所示，带有Router性质ZigBee物联网终端61，分别连接ZigBee节点23和CDMA-ZigBee网关62。其中，ZigBee物联网终端61包括802.15.4MAC层215/802.15.4物理层216，ZigBeeNWK层213，ZigBee AF/ZDO 211和ZigBee APS 212；其他模块都不使能。CDMA-ZigBee网关62包括TCP/UDP/IP 627、RLP/PPP CDMAMAC层628和CDMA物理层629，ZigBee NWK层223，ZigBeeNWK Router层224，802.15.4MAC层225/802.15.4物理层226。带有Router性质ZigBee物联网终端61，在zigbee网络中充当路由器，路由某路Zigbee节点23和CDMA-ZigBee网关62之间的Zigbee网络数据，并把数据传到高层ZigBee AF/ZDO 211和ZigBee APS 212在ZigBee物联网终端61上动态显示出来，动态监测某路网络流量，网络活动和通信情况。

图7示出本发明的ZigBee物联网移动终端用作物联网CDMA-Zigbee移动网关功能的系统架构图。如图7所示，带有Coordicator性质ZigBee物联网移动网关63，分别连接ZigBee节点23和ZigBee物联网移动终端61。其中，ZigBee物联网移动终端61同图2的21，ZigBee物联网移动网关63除了ZigBee AF/ZDO 211和ZigBee APS 212模块不使能和ZigBee NWK Switch/Router变成ZigBee NWK Router外，其他模块同图2的21，ZigBee物联网移动网关功能同图2的网关22，还有移动性，灵活性等特点。

ZigBee物联网终端中ZigBee部分配备成全功能设备形式，例如，初始化网络时通过物联网终端上软件设置，可将该终端置成End Device，Router或Coordinator三种设备类型之一。当设成End Device时，ZigBee物联网终端作为终端节点可以跟其他ZigBee结点进行通信；当设成Coordinator时，ZigBee物联网终端用作移动网关；当设成Router时，ZigBee物联网终端用作物联网网络监测器。ZigBee物联网终端中ZigBee结点性质的改变，终端功能可以随时变化，可以起到移动网关，网络活动监测器等作用。

本发明的技术方案，可以将物联网延伸到蜂窝网络中，不需对现有成熟的ZigBee无线网和蜂窝无线网进行改动，就可以实现两个网络中设备之间的互连互通。随着物联网普及和大规模应用，能够扩大物联网和蜂窝网络的应用范围。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种ZigBee物联网移动终端，其特征在于，包括：

应用处理器，与所述应用处理器相连的键盘、显示器、存储器、和音频编解码器；

与所述应用处理器相连的ZigBee基带处理器，与所述ZigBee基带处理器相连的ZigBee射频；

与所述应用处理器相连的蜂窝网络基带处理器，与所述蜂窝网络基带处理器相连的蜂窝网络射频；

其中，所述应用处理器包括：

ZigBee NWK模块；

位于所述ZigBee NWK模块上的与所述ZigBee NWK模块相连的ZigBee APS模块；

位于ZigBee APS模块上的与所述ZigBee APS模块相连的ZigBeeAF/ZDO模块；

位于所述ZigBee NWK模块下的与所述ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK切换模块，用于切换所述ZigBee基带处理器和所述蜂窝网络基带处理器与所述应用处理器的ZigBee NWK模块相连，以便通过

ZigBee物联网或者所述蜂窝网络通信；

所述ZigBee基带处理器中实现802.15.4物理层和802.15.4MAC层；

所述蜂窝网络基带处理器中实现蜂窝网络物理层和蜂窝网络MAC层；

所述ZigBee NWK切换模块，用于实现所述ZigBee NWK模块与所述802.15.4MAC层/物理层相连还是跟所述蜂窝网MAC层/物理层相连，以便通过ZigBee物联网或者蜂窝网络通信。

2.根据权利要求1所述的ZigBee物联网移动终端，其特征在于，蜂窝网络侧还包括位于蜂窝网络MAC层之上的TCP/UDP/IP层，所述TCP/UDP/IP层位于所述ZigBee NWK切换模块之下。

3.根据权利要求1所述的ZigBee物联网移动终端，其特征在于，所述蜂窝网络为EVDO网络、WCDMA网络、或者TD-SCDMA网络。

4.根据权利要求2所述的ZigBee物联网移动终端，其特征在于，

当ZigBee物联网移动终端处于蜂窝网络中时，ZigBee NWKSwitch模块切换到蜂窝网络侧；当ZigBee物联网移动终端需要和物联网中ZigBee结点进行通信时，蜂窝网络-ZigBee网关根据TCP/UDP/IP协议从蜂窝网络物理层/MAC层解出ZigBee NWK层数据，然后将ZigBee NWK层数据加载到802.15.4MAC层/802.15.4物理层上，交由满足ZigBee通信协议的模块发送出去。

5.根据权利要求1所述的ZigBee物联网移动终端，其特征在于，所述应用模块还包括与所述ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK路由模块，用于实现所述ZigBee基带处理器和所述蜂窝网络基带处理器之间数据中继和转换。

6.根据权利要求5所述的ZigBee物联网移动终端，其特征在于，基于设置启用所述ZigBee NWK路由模块或者所述ZigBee NWK切换模块。

7.一种网关，其特征在于，包括：

微控制器；

与所述微控制器相连的ZigBee基带处理器，与所述ZigBee基带处理器相连的ZigBee射频；

与所述微控制器相连的蜂窝网络基带处理器，与所述蜂窝网络基带处理器相连的蜂窝网络射频；

其中，所述微控制器包括：

ZigBee NWK模块；

位于所述ZigBee NWK模块之下的与所述ZigBee NWK模块相连的ZigBee NWK路由模块，用于实现所述ZigBee基带处理器和所述蜂窝网络基带处理器之间数据中继和转换；

位于所述ZigBee NWK路由模块之下的蜂窝网络物理层和蜂窝网络MAC层，以及位于所述ZigBee NWK切换模块之下802.15.4物理层和802.15.4MAC层；

所述ZigBee基带处理器用于实现802.15.4物理层和802.15.4MAC层；

所述蜂窝网络基带处理器用于实现蜂窝网络物理层和蜂窝网络MAC层。

8.根据权利要求7所述的网关，其特征在于，还包括位于所述蜂窝网络MAC层之上的TCP/UDP/IP层，所述TCP/UDP/IP层位于所述ZigBee NWK切换模块之下。

9.根据权利要求7所述的网关，其特征在于，所述蜂窝网络为EVDO网络、WCDMA网络、或者TD-SCDMA网络。

10.一种通信系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-6中任意一项所述的ZigBee物联网移动终端；以及

如权利要求7-9中任意一项所述的网关。