CN102916969B - 一种无间断的数据通讯设备及通讯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无间断的数据通讯设备及通讯方法，设备包括网关设备，所述网关设备连接有两个或两个以上的通信协议栈，所述网关设备用于检测网络环境变化以此实现在多种网络环境中的转换，所述通信协议栈包括ZigBee协议栈、BLE协议栈、ANT协议栈和WiFi协议栈。本发明能够监测出网络环境的变化并进行网络的自动切换，在此之前的专利技术，描述的网关功能性设备仅仅适用于一种类型的环境，而不支持在一个设备上的多种网关连接，也不支持在它们之间的智能监测与自动切换。同时，本发明的通信方法可以将在固定环境以及移动环境下的医疗保健系统有机的融合在一起，即使在环境改变的情况下，也可以保证数据的无缝传输。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信的技术领域，特别涉及一种可以为用户提供不间断的数据传输服务的通讯设备及方法。
背景技术
远程医疗是指通过远程通信电信技术提供医疗服务与反馈医疗信息。许多无线通信技术已被用在不同医疗保健系统的医疗设备。考虑到需用功率水平，手机的普及性，要求的范围和预期的市场渗透之后，国际健康联盟（ContinuaHealth Alliance），一个非营利性的，开放的、领先的医疗保健和技术公司联盟，在通讯方式上选定了两种无线通讯标准，纳入其下一个互操作性的设计指南版本中。这两种无线通讯标准分别是低耗能蓝牙技术和ZigBee技术，它们分别支持用于移动环境和固定环境下的运行。低耗能蓝牙技术（BLE,BluetoothLow Energy）适用于电池供电的设备，如手表，紧急吊坠，医疗传感器和健身传感器等等。蓝牙技术已经成为普遍存在的移动设备连接的无线通讯标准。低耗能蓝牙技术（BLE）为移动医疗保健和健身应用提供了完美的连接解决方案。ZigBee技术则使设备，如运动探测器和床压力传感器，可以在各种固定地点如私人住宅，娱乐中心，退休社区，医院和养老院等地使用。
体域网（BAN,Body Area Network）或无线体域网（WBAN)组成了一套低功耗传感器装置，即人体感应装置(BSUs,Body Sensor Units)，可穿戴或植入人体显示需要的参数。人体感应装置(BSUs)通过有线或无线技术通信，传输从身体到身体中央单元（BCU,Body Centre Unit）的数据，BCU进一步有线或无线的将数据传输到体域网络基站（BBS,Body Base Station），从那里可以将数据实时地转发到医院，诊所或其他地方。其中BCU有时合并到BBS。
体域网络（BAN）是任何远程医疗系统的一个基本的基础设施元素。在大多数情况下，医疗监测需要一个以上的人体感应装置穿戴或植入到人体上，如中风患者应观察血压值，与血氧饱和度，温度和重量。BCU和BBS或合并的BCU/BBS可以收集来自人体感应装置(BSUs)的数据，并不断地传递。对健康状态长期的检测和记录对一些患有糖尿病，哮喘和心脏病的慢性病患者来说是必不可少的。例如，急性心脏发作和心脏病患者需要长期的心电图仪（ECG）为其提供早期指标和治疗控制。高血压患者是没有任何疼痛症状的，因此他们面临更甚严重的心脏疾病的风险，这样相关身体数据的持续性监测，就可以形成有效的预警机制并做出有效的预防措施。
目前的监测系统大多需要患者佩戴一组有线传感器元件。这些元件可以连接到一个或多个用来加工和形象化传感器信号的设备。最新推出的一些远程医疗系统利用无线技术，如用于无线体域网络（WBAN）通信的ZigBee技术。
图1是一个典型的在固定的环境下基于ZigBee的WPAN（Wireless PersonalArea Network）网络。这是一个病人智能家庭的监视网络。分布在饭桌上、床上和卫生间内等位置的浅色小圆环结点是ZigBee的感应器终端设备3，它们负责采集病人的体征数据并传输到ZigBee的路由器/协调器1。ZigBee的路由器/协调器1分布在各房间的角落，在图中以深色大圆环结点表示。浅色大圆环结点代表的是ZigBee协调器2，它和计算机进而于互联网连在一起。ZigBee的感应器终端设备、路由器和协调器组成了一个ZigBee的WPAN网络。病人的体征数据从ZigBee感应器终端设备传输到路由器再传输到协调器，再由协调器通过计算机的互联网传输到医护中心、医生和病人的亲属。图中病人身体上也携带了一些ZigBee的感应器终端设备，这就组成了一个ZigBee的WBAN（也可以携带一个ZigBee路由器），可以方便病人在户内由一个房间移动到另一个房间而不间断体征数据的采集和传输。但病人的活动被限制在户内，病人一旦离开了此智能家居，数据的采集和传输将会中断。因为高耗能的限制性,ZigBee不适用于移动患者。这是国际健康联盟选择支持移动环境的低耗能蓝牙和支持固定环境的ZigBee作为两种无线通讯标准的一个原因。
图2是一个典型的在移动的环境下基于BLE的WBAN网络。病人身体上携带了一些BLE的感应器从设备5，手机是一个BLE主设备4。BLE感应器从设备采集病人的体征数据并通过低耗能蓝牙通讯将数据传输到手机，手机再将数据通过手机网络传输到远方的医护中心。此BLE WBAN网络扩大了病人的活动空间。当病人进入到医院或病人居室或其他有基于ZigBee的WPAN网络的固定环境下，有必要将此BLE WBAN网络连接到ZigBee的WPAN网络，使数据的远传由手机网络切换到室内的互联网。也就是说将BLE WBAN网络和ZigBee的WPAN网络融合。这种融合的原因有多种，比如说为了节省手机的数据流量，也可能是由于在医院的某些区域手机的使用受到限制或无信号等等。
以上两种情形显示数据的远传需要由室内的互联网和手机网络的相互切换。这就需要将BLE WBAN网络和ZigBee的WPAN网络进行分离，而且要保证两个网络的正常运行。另一个需要频繁进行两种网络的融合和分离的例子是当住院病人由一个科室到另一个科室进行检查，但又需要保持数据的不间断传输。这也需要由室内的互联网切换到手机网络，将BLE WBAN网络和ZigBee的WPAN网络进行分离。
因此，要保证医疗数据的无间断采集和传输，需要一种可以将固定环境下和移动环境下的医疗保健系统相融合以适应各种环境变化和相互无间隙数据交换的设备、系统，和方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种可以将固定环境下和移动环境下的医疗保健系统相融合以适应各种环境变化和相互无间隙数据交换的设备。
本发明的另一目的在于提供一种无间断数据通讯的方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
本发明无间断的数据通讯设备，包括网关设备，所述网关设备连接有两个或两个以上的通信协议栈，所述网关设备用于检测网络环境变化以此实现在多种网络环境中的转换，所述通信协议栈包括ZigBee协议栈、BLE协议栈、ANT协议栈和WiFi协议栈，也可以是其它协议栈。
优选的，所述ZigBee协议栈下方是物理层PHY和介质访问控制MAC层，ZigBee规范定义了五个主要组件：网络层NWK，安全服务提供商，应用支持子层APS，ZigBee设备对象ZDO和制造商定义的应用程序对象，EP0是APS与ZDO之间的接口，EP1到EP240是APS和应用程序对象之间的接口，ZigBee应用配置文件是不同设备的应用程序间的信息处理协议。
优选的，所述配置文件包括公共配置文件和私人配置文件，公共配置文件是由ZigBee联盟管理，公共配置文件定义设备信息，信息格式和加工处理，以确保来自不同厂商的设备可以互相互操作；私人配置文件指由设备制造商建立专用网络作为他们自己的应用程序，这里相互操作性是不需要的，ZigBee公共配置文件之一是卫生保健文件，与此配置文件的兼容设备可用于居室、健身中心、退休社区、养老院和各种医疗设施。
优选的，一个ZigBee网络中的设备分为三个逻辑部分：协调器、路由器和终端设备，一个ZigBee网络只能有一个协调器，协调器负责创建无线个人区域网WPAN；一个路由器可以路由从一个节点到另一个节点的消息；而终端设备就没有路由功能，它只能发送和接收信息以供自己使用；终端设备的功能类似树型网络的一个枝节点，除了协调器，星型网络中其他节点都是终端设备，一个完整的网状网将不包含任何终端设备。
优选的，BLE协议栈包括控制器部分，主机协议栈和主机控制器接口HCI，所述控制器就是低耗能蓝牙物理层表和连接表层，主机协议栈包括逻辑链路控制和适配协议L2CAP,属性协议ATT，通用属性协议GATT，安全管理协议SM和通用访问协议GAP，低耗能蓝牙的应用规范定义了一个低耗能蓝牙设备与另一低耗能蓝牙设备数据交流的基本过程和数据格式，BLE医疗保健应用规范仍处于定义过程，一个BLE网络有两种类型的链接功能：主设备和从设备，主设备能连接多种从设备而从设备只能连接一个主设备。
优选的，所述网关设备包括BZGate Core（BZGate核心）和ZigBee协议栈的通讯接口GZI，BZGate Core和低耗能蓝牙BLE协议栈的通讯接口GBI，数据中心DC，信息管理器MM，智能网络管理器INM，用户接口UI和网关设备引擎BZE，如果这种网关设备需要与UI、ZigBee及BLE设备之外的其他设备关联，该网关设备将包括另外的设备组建和接口；GZI是BZGate Core和ZigBee协议栈的通讯接口，所有进出ZigBee议栈的用户数据信息和控制信息都要经过GZI，GBI是BZGate Core和低耗能蓝牙BLE协议栈的通讯接口，所有进出低耗能蓝牙协议栈的用户数据信息和控制信息都要经过GBI；数据中心DC在没有网络连接或网络连接受限制的情况下，或者在数据传输的时间点还没有到的情况下，负责存储需要转发的数据和信息；信息管理器MM负责对不同来源的信息的类型和格式进行鉴别，并决定是否要对该数据信息进行翻译和转发，应该转发去哪一个或多个数据接口；智能网络管理器INM负责对ZigBee WPAN和BLE WBAN的管理；BZGate Engine是BZGate的中枢，它连接着BZGate Core中其他所有的部件，控制着数据信息在其他部件之间的传输，决定其他部件的协同工作。
为了达到上述第二发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明无间断数据通讯设备的通讯方法，当BZGate网关设备是BLE无线体域网的一部分时，BLE网络主控权由移动设备或其它设备转交给BZGate网关设备的步骤如下：
S1、移动的BLE无线体域网进入一个固定环境ZigBee无线个域网，BZGate网关设备加入ZigBee网络，此时BLE网络的主控权开始从移动设备转移到BZGate网关设备；
S2、主控权转换在BZGate网关设备成功加入ZigBee网络并成为ZigBee终端设备或协调器或路由器时开始，转换也在连通性降低于预定水平的情况下由移动设备的网络信号触发，或由用户操作触发；
S3、BZGate网关设备通过数据通道发送主控权转移请求消息到移动设备来表达其接管主控权的意图，当移动设备收到这个消息，并同意转移主控权，移动设备将回复一个主控权转移回应消息到BZGate网关设备；
S4、移动设备发送一个断开请求命令给其他从设备，所有的从设备回复断开连接ACK消息给移动设备后就会从广播器状态变成待机模式；
S5、BLE BSUs在与移动设备失去了连接后变成广播器状态，BZGate网关设备变成扫描器获得相邻BLE设备地址，然后它变成一个启动设备Initiator，并开始向其他设备发送连接请求命令；
S6、其他设备回复连接回应消息，BZGate网关设备变成一个主设备并连接其他从设备，如果在移动设备断开与BZGate网关设备的连接之前，移动设备转移网络信息，这样可以省去BZGate网关设备扫描和发现相邻BLE设备的过程；
S7、如果其他BLE BSUs在与移动设备断开连接后不能自动地转为广播器状态，则网络信息从移动设备转移到BZGate网关设备是必要的，这会使整个主控权转移过程自动化，发现相邻BLE设备的过程也可以被省去，如果BZGate网关设备将相邻BLE设备的信息存储在本地。
优选的，当网关设备是BLE无线体域网的一部分时，上述步骤也是合并一个BLE无线体域网和ZigBee无线个域网的步骤。
本发明无间断的数据通讯设备的通讯方法，当BZGate网关设备是BLE无线体域网一个节点时，BLE网络主控权由BZGate网关设备转交给移动设备或其它设备的步骤如下:
S1、BZGate网关设备是ZigBee无线个域网的ZigBee终端设备，同时也是BLE无线体域网的一个主设备，移动设备是BLE无线体域网的从设备或是处于待机模式，BZGate网关设备也可以是ZigBee无线个域网的一个协调器或路由器；
S2、当BLE无线体域网移出ZigBee无线个域网的覆盖范围，BZGate网关设备将会从ZigBee网络中断开，此时，BLE网络的主控权开始从BZGate网关设备转移到移动设备，然后BZGate网关设备会进入待机模式，进而变成一个从属节点；
S3、主控权的转移从BZGate网关设备从ZigBee网络中断开连接的那一刻开始，或从移动设备恢复蜂窝网连接的那一刻开始，或者转换由用户操作启动，如果转换是由BZGate网关设备触发，BZGate网关设备就会将一个主控权转移请求消息通过数据通道发送到移动设备上，告知主控权移交，当移动设备收到这个消息，并同意接管主控权，一个主控权转移回应的消息将被传输到BZGate网关设备，然后BZGate网关设备发送断开请求命令给其他从设备；
S4、在所有的从设备都回应断开ACK消息后，BZGate网关设备本身便会从广播器状态变成待机模式，其他BLE BSUs会在与BZGate网关设备断开连接后变成为广播器状态；
S5、移动设备变成一个扫描器获取相邻BLE设备的地址，然后它变成一个启动设备，并开始向其他设备发送连接请求命令，其他设备响应连接回复消息，移动设备变成主设备且连接其他从设备；
S6、如果移动设备将相邻BLE设备的信息存储在本地的话，移动设备扫描和发现相邻BLE设备的过程可以被省去，另外，如果与移动设备断开前，BZGate网关设备将网络信息转移到移动设备，则发现相邻BLE设备的过程也可以省去，当其他BLE BSUs在与BZGate网关设备的断开连接后不能自动进入广播器状态的情况下，此网络信息的转移是必要的，它使整个主控权转移过程自动化。
优选的，当BZGate网关设备是BLE无线体域网一个节点时，上述步骤也是将一个BLE无线体域网从一个ZigBee无线个域网中分离出来的步骤。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
1、本发明能够监测出网络环境的变化并进行网络的自动切换，在此之前的专利技术，描述的网关功能性设备仅仅适用于一种类型的环境，而不支持在一个设备上的多种网关连接，也不支持在它们之间的智能监测与自动切换。
2、本发明提出了一种方法，可以将在固定环境以及移动环境下的医疗保健系统有机的融合在一起，即使在环境改变的情况下，也可以保证数据的无缝传输。在此之前的专利技术没有提出连接固定环境下保健系统与移动环境下系统的有效方法，不能自动适应环境的转变。
3、本发明提出了一种设备，在其所处的网络环境发生变化时，该设备会根据其现在所在网络环境和将要进入的网络环境，来自动判断自己所需要的角色变换，并自动启动角色变化的程序和主控权移交的程序。在此之前的专利技术没有提出过角色变化和主控权移交的需求。
4、本发明提出了一种方法，在其所处的网络环境发生变化时，可以自动启动并完成角色变化和主控权移交。在此之前的专利技术没有提出过角色变化和主控权移交的方法。
附图说明
图1是现有技术中基于ZigBee智能家庭的监视网络示意图；
图2是现有技术中移动环境下基于BLE的监测系统示意图；
图3是低耗能蓝牙（BLE）和ZigBee的网关设备示意图；
图4是BZGate网关设备与BLE网络融合的示意图；
图5是BZGate网关设备与ZigBee网络融合的示意图；
图6是当BZGate网关设备是BLE无线体域网的一个节点，合并一个BLE无线体域网和ZigBee无线个域网的信息序列图；
图7是当BZGate网关设备是BLE无线体域网的一个节点，在一个BLE无线体域网并入一个ZigBee无线个域网之前的网络拓扑结构；
图8是当BZGate网关设备是BLE无线体域网的一个节点，在一个BLE无线体域网并入一个ZigBee无线个域网之后的网络拓扑结构；
图9是当无线体域网从一个固定的位置转到移动环境的过程的信息序列图；
图10是当BZGate网关设备是ZigBee无线个域网的一个节点时，在一个BLE无线体域网并入一个ZigBee无线个域网之前的网络拓扑结构；
图11是当BZGate网关设备是ZigBee无线个域网一个节点时，一个在BLE无线体域网并入一个ZigBee无线个域网之后的网络拓扑结构；
图12是当BZGate网关设备是ZigBee的无线个域网的一个节点时，一个BLE无线体域网和一个ZigBee无线个域网合并的消息序列图；
图13是当BZGate网关设备是ZigBee的无线个域网的一个节点时，一个BLE无线体域网从一个ZigBee无线个域网中分离出来的消息序列图；
图14是BZGate自主模式示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图3所示，一种无间断的数据通讯设备，包括网关设备，所述网关设备连接有两个或两个以上的通信协议栈，所述网关设备用于检测网络环境变化以此实现在多种网络环境中的转换，所述通信协议栈包括ZigBee协议栈和BLE协议栈。左下方是IEEE 802.15.4是物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）层，ZigBee是在IEEE 802.15.4技术上运行的。ZigBee规范定义了五个主要组件：网络层（NWK），安全服务提供层，应用支持子层（APS），ZigBee设备对象（ZDO）和制造商定义的应用程序对象。EP0是APS与ZDO之间的接口，EP1到EP240是APS和应用程序对象之间的接口。ZigBee应用配置文件是的不同设备的应用程序间的信息处理协议。有两种类型的配置文件：公共配置文件和私人配置文件。公共配置文件是由ZigBee联盟管理，公共配置文件定义设备信息，信息格式和加工处理，以确保来自不同厂商的设备可以互相互操作。私人配置文件指由设备制造商建立专用网络作为他们自己的应用程序，这里相互操作性是不需要的。ZigBee公共配置文件之一是卫生保健配置文件。与此配置文件的兼容设备可用于居室，健身中心，退休社区，养老院和各种医疗设施。一个ZigBee网络中的设备可以分为三个逻辑部分：协调器，路由器或终端设备。一个ZigBee网络只能有一个协调器，协调器主要或唯一负责创建无线个人区域网（WPAN）。一个路由器可以路由从一个节点到另一个节点的消息。而终端设备就没有路由功能，它只能发送和接收信息以供自己使用。终端设备的功能类似树型网络的一个枝节点。除了协调器，星型网络中其他节点都是终端设备，一个完整的网状网将不包含任何终端设备。
BLE协议栈包括控制器部分，主机协议栈和主机控制器接口(HCI)。所谓低耗能蓝牙控制器就是低耗能蓝牙物理层和连接层。主机部分包括逻辑链路控制和适配协议(L2CAP),属性协议(ATT)，通用属性协议(GATT)，安全管理协议(SM)和通用访问协议（GAP）。低耗能蓝牙的应用规范定义了一个低耗能蓝牙设备与另一低耗能蓝牙设备数据交流的基本过程和数据格式。国际蓝牙联盟已发布多个BLE医疗保健应用规范，更多的医疗保健应用规范还在陆续定义中。一个BLE网络有两种类型的链接功能：主设备和从设备。主设备能连接多种从设备，而从设备只能连接一个主设备。
一个网关设备中，网关设备核心连接两个或多个协议栈。如图3所示，网关设备包括七个主要组成部分：BZGate Core和ZigBee协议栈的通讯接口（GZI），BZGate Core和低耗能蓝牙（BLE）协议栈的通讯接口（GBI），数据中心（DC），信息管理器（MM），智能网络管理器（INM），用户接口（UI）和网关设备引擎(BZE)。如果这种网关设备需要与UI,ZigBee及BLE设备之外的其他设备关联，该网关设备将包括另外的设备组建和接口。
GZI是BZGate Core和ZigBee协议栈的通讯接口，所有进出ZigBee议栈的用户数据信息和控制信息都要经过GZI。
GBI是BZGate Core和低耗能蓝牙（BLE）协议栈的通讯接口，所有进出低耗能蓝牙协议栈的用户数据信息和控制信息都要经过GBI。
在没有网络连接或网络连接受限制的情况下，或者在数据传输的时间点还没有到的情况下或者其他可能的情况下，Data Centre(DC)负责存储需要转发的数据和信息。这些数据是从GZI,GBI或者UI接口被接收。一旦新的网络被连接或者时间适宜的时候，在数据中心的数据将会转播给接收者。
信息管理器(MM)负责对不同来源的信息的类型和格式进行鉴别并决定是否要对该数据信息进行翻译和转发，应该转发去哪一个或多个数据接口。如：从GZI进出ZigBee协议栈的血糖含量或心电图(ECG)参数的数据格式是由ZigBee健康保健协议定义的，如果这个格式与BLE健康保健协议定义不同的，在被BLE协议栈发送到BLE网络之前就必须被转译成由BLE健康保健协议定义的数据格式。在GBI接口从BLE心率监视器收到的ECG参数的数据格式是由BLE心率协议或者其他的BLE保健协议定义的。假如这个数据格式与ZigBee健康保健协议定义不同的话，它必须被转译成ZigBee健康保健协议定义的数据格式。
智能网络管理器(INM)负责对ZigBee WPAN和BLE WBAN的管理。这包括：
1）是否及何时建立ZigBee WPAN和BLE WBAN的连接；
2）是否接受ZigBee WPAN和BLE WBAN的连接请求；
3）是否及何时终断ZigBee WPAN和BLE WBAN的连接；
4）对ZigBee设备在ZigBee WPAN中的角色的变换，应该是协调器（coordinator）,路由器（router）和终端设备（end device）中的哪一个角色，如何进行变换；
5）对BLE设备在BLE WBAN中的角色的变换，应该是广播器（advertiser）,扫描器（scanner）,启动器（initiator）,主设备（master）和从设备（slave）中的哪一个角色，如何进行变换。
INM的决策是基于很多方面的输入，这包括
1）由MM鉴定的用户数据信息和控制信息的数据格式；
2）DC中是否有数据在等候发送，谁是目的地。
3）从UI（User Interface）和OI（Other Interfaces）来的数据格式等等。
User Interface（UI）是用户和应用程序与BZGate的交互接口。
Other Interfaces（OI）是BZGate和其他通讯技术如USB,GSM modem和ANT等或其他通讯设备的接口。
BZGate引擎是BZGate的中枢，它连接着BZGate Core中其他所有的部件，控制着数据信息在其他部件之间的传输，决定着其他部件的协同工作。
根据国际健康联盟公布的下一代医疗保健设备的设计标准，在移动环境下的WBAN网络都是基于低耗能蓝牙的，在固定的环境下的WPAN网络都是基于ZigBee的。但也不排除不按标准的设备的存在。在传统的医疗保健市场上有少量的WBAN网络设备是基于ZigBee的。也不排除在下一代医疗保健设备网络中有一些是基于低耗能蓝牙的WPAN网络和一些是基于ZigBee的WBAN网络。BZGate网关设备可以用于连通上述各种可能的网络。另外在传统的医疗保健市场上还有少量的设备是应用非标准的技术如ANT。BZGate网关设备还可以用于将这些孤立的非标准设备连接到的基于低耗能蓝牙或基于ZigBee的标准网络。BZGate网关设备的存在形式可以是独立的设备，也可以是移动终端（例如手机）或固定终端的热插拔附件或嵌入到移动终端或固定终端设备中。
下面描述是假设移动环境下基于BLE的WBAN网络和固定环境下基于ZigBee的WPAN网络的案例，其他案例类似。
BZGate网关设备在环境改变之前可能有两种逻辑位置：BZGate网关设备可以是ZigBee无线个域网的一个节点（BZGate网关设备与ZigBee无线个域网相互链接），BZGate网关设备也可以是BLE无线体域网的一个节点（BZGate网关设备与BLE无线体域网相互链接）。在图4中，BZGate网关设备是一个BLE从设备，在图5中，BZGate网关设备是一个ZigBee终端设备。BZGate网关设备还可以是ZigBee路由器或协调器。
当BZGate网关设备是BLE无线体域网的一个节点时：
在这种情况下，BZGate网关设备是在移动无线体域网中的一个BLE从设备。BLE主设备，一般是一个移动设备，控制无线体域网中BZGate网关设备和其他BLE从设备。
当BZGate网关设备是BLE无线体域网的一部分时，合并一个BLE无线体域网和ZigBee无线个域网的方法和过程。
当移动的BLE无线体域网进入一个固定环境ZigBee无线个域网，BZGate网关设备加入ZigBee网络。此时BLE网络的主控权开始从移动设备转移到BZGate网关设备。然后移动设备进入待机模式并变成一个从属节点。BLE链路层状态机定义某一设备在某一特定状态下的角色。链路层状态机一次只允许一种状态活跃。链路层可能有多个链路层状态机实例。在链路层多个状态机中某些特定状态和角色的组合是不允许的。例如它不能同时有一个主设备角色状态机的实例和另一个从设备角色状态机的实例。这意味着该设备不能是一个BLE主设备，并在同一时间是BLE从设备。
主控权转换在BZGate网关设备成功加入ZigBee网络并成为ZigBee终端设备或协调器或路由器时开始。转换也可以在连通性降低于一定的预定水平的情况下由移动设备的网络信号触发，或由用户操作触发的。然后BZGate网关设备通过数据通道发送主控权转移请求消息到移动设备来表达其接管主控权的意图。当移动设备收到这个消息，并同意转移主控权，它将回复一个主控权转移回应（OK）消息到BZGate网关设备。然后移动设备发送一个断开请求命令给其他从设备。所有的从设备回复断开连接ACK消息给移动设备后就会从广播器状态变成待机模式。BLE BSUs在与移动设备失去了连接后变成广播器状态。BZGate变成扫描器获得相邻BLE设备地址。然后它变成一个启动设备（Initiator），并开始向其他设备发送连接请求命令。其他设备回复连接回应消息。BZGate网关设备变成一个主设备并连接其他从设备。如果在移动设备断开与BZGate网关设备的连接之前，移动设备转移网络信息，这样可以省去BZGate网关设备扫描和发现相邻BLE设备的过程。如果其他BLE BSUs在与移动设备断开连接后不能自动地转为广播器状态，则网络信息从移动设备转移到BZGate网关设备是必要的，这会使整个主控权转移过程自动化。发现相邻BLE设备的过程也可以被省去，如果BZGate网关设备将相邻BLE设备的信息存储在本地，图6显示了上述过程的信息序列图。
图7和图8显示的是环境变化前后的网络的拓扑结构。
BZGate网关设备在必要时可以作为备份设备，例如，在图7中，如果移动设备没有或只有非常弱的手机信号，并没有BZGate网关设备之间的ZigBee连接，则BZGate网关设备可用于临时存储传感器的数据。之后，这些数据可以通过其他接口下载，如USB接口，或者一旦移动网络或固定网络能连接上，它可以被发送到其目的地。
当BZGate网关设备是BLE无线体域网一个节点时，将一个BLE无线体域网从一个ZigBee无线个域网中分离出来的方法和过程：
这种情况下，图8是无线体域网从一个固定环境转回一个移动环境下的网络的拓扑结构。BZGate网关设备是ZigBee无线个域网的ZigBee终端设备，同时也是BLE无线体域网的一个主设备。移动设备是BLE无线体域网的从设备或是处于待机模式。BZGate网关设备也可以是ZigBee无线个域网的一个协调器或路由器。转换后，网络拓扑结构返回到如图7所示的。
当BLE无线体域网移出ZigBee无线个域网的覆盖范围，BZGate网关设备将会从ZigBee网络中断开。此时，BLE网络的主控权开始从BZGate网关设备转移到移动设备。接着BZGate网关设备会进入待机模式，进而变成一个从属节点。
图9显示的是当无线体域网从一个固定的位置转到移动环境的过程的信息序列图。主控权的转移从BZGate网关设备从ZigBee网络中断开连接的那一刻开始，或从移动设备恢复蜂窝网连接的那一刻开始。转换也可以由用户操作启动。如果转换是由BZGate网关设备触发，BZGate网关设备就会将一个主控权转移请求消息通过数据通道发送到移动设备上，告知主控权移交。当移动设备收到这个消息，并同意接管主控权，一个主控权转移回应（OK）的消息将被传输到BZGate网关设备。然后BZGate网关设备发送断开请求命令给其他从设备。在所有的从设备都回应断开ACK消息后，BZGate网关设备本身便会从广播器状态变成待机模式。其他BLE BSUs会在与BZGate网关设备断开连接后变成为广播器状态。移动设备变成一个扫描器获取相邻BLE设备的地址，然后它变成一个启动设备，并开始向其他设备发送连接请求命令。其他设备响应连接回复消息。移动设备变成主设备且连接其他从设备。如果移动设备将相邻BLE设备的信息存储在本地的话，移动设备扫描和发现相邻BLE设备的过程可以被省去。另外，如果与移动设备断开前，BZGate网关设备将网络信息转移到移动设备，则发现相邻BLE设备的过程也可以省去。当其他BLE BSUs在与BZGate网关设备的断开连接后不能自动进入广播器状态的情况下，此网络信息的转移是必要的，它使整个主控权转移过程自动化。
当BZGate网关设备是ZigBee网络的一个节点时：
在这种情况下，在BLE无线体域网进入ZigBee无线个域网的覆盖范围前，BZGate网关设备是一个ZigBee的终端设备、协调器或路由器。
当BZGate网关设备是ZigBee无线个域网的一个节点时，合并一个BLE无线体域网和一个ZigBee无线个域网的方法和过程。
图10和图11显示的是，当BZGate网关设备是ZigBee的WPAN的一个节点时，BLE无线体域网从一个移动环境转到一个固定位置之前和之后的网络拓扑结构。
当移动的BLE无线体域网进入到一个固定环境的ZigBee无线个域网，移动设备应该初始网络的转换。BLE网络的主控权需要从移动设备转移到BZGate网关设备。
主控权转移可以通过用户操作或移动设备失去蜂窝网连接或因其他事件。移动设备发送一个断开连接的请求命令到其他从设备。在所有从设备回复一个断开连接ACK消息，移动设备从广播状态转入待机模式。其他BLE BSUs与移动设备断开连接后变成广播器状态。BZGate变成一个扫描器检索相邻BLE设备地址。然后它变成一个启动设备并开始向其他设备发送连接请求命令。其他设备回复连接响应消息。BZGate网关设备变成一个主设备并连接其他从设备，如果移动设备传输网络信息，例如在移动设备断开BZGate网关设备之前，BLE从设备的地址传输到BZGate网关设备，这样可以省去BZGate网关设备扫描和发现相邻BLE设备的过程。如果其他BLE BSUs在与移动设备断开连接后不能自动地转为广播器状态，则网络信息从移动设备转移到BZGate网关设备是必要的，这会使整个主控权转移过程自动化。发现相邻BLE设备的过程也可以被省去，如果BZGate网关设备将相邻BLE设备的信息存储在本地。图12显示了上述过程的信息序列图。
当BZGate网关设备是ZigBee无线个域网的一个节点时，一个BLE无线体域网从一个ZigBee无线个域网中分离出来的方法和过程。
在这种情况下图11是无线体域网从一个固定环境转回一个移动环境之前的网络的拓扑结构。BZGate网关设备是ZigBee无线个域网中ZigBee的终端设备，同时是BLE无线体域网的主设备。移动设备是BLE无线体域网中的从设备或是处于待机模式。BZGate网关设备也可能是ZigBee无线个域网的一个协调器或是路由器。转换后，网络拓扑结构返回到如图10所示。
当BLE无线体域网移出BZGate BLE的覆盖范围，移动设备会知道BZGate网关设备超出范围。移动设备将开始接管BLE网络的主控权。在BZGate BLE与BLE无线体域网断开连接之前，这个转换也可以通过用户操作或其他事件触发。
图13显示，当BZGate网关设备是ZigBee的WPAN的一个节点时，无线体域网从一个固定环境切换回一个移动环境这一过程的消息序列图。
在移动设备恢复蜂窝网连接或用户操作那一时刻，主控权移交开始。移动设备通过BLE数据通道向BZGate网关设备发送一个主控权转移请求消息，以表达其有意接管主控权。当BZGate网关设备收到此消息并同意移交主控权时，它将传达一个主控权转移回应（OK）的消息到移动设备。
然后BZGate网关设备发送断开请求命令给其他从设备。所有的从设备回应一个断开连接的ACK消息后，BZGate网关设备也会断开与BLE无线体域网的连接，在ZigBee无线个域网中变成待机模式。在与BZGate网关设备断开连接后，其他BLE BSUs会变成广播器状态后。移动设备变成一个扫描器获得相邻BLE设备的地址。然后它变成一个启动设备并开始向其他设备发送连接请求命令。其他设备回复连接回应消息。移动设备变成主设备并连接其他从设备。如果移动设备将相邻的BLE设备的信息存储在本地，那移动设备扫描和发现相邻BLE设备的过程中就可以省去。或者，如果在BZGate网关设备断开与移动设备的连接之前，BZGate网关设备将网络信息传输到移动设备，那发现相邻BLE设备的过程也可以省去。例如，在主控权转移回应（OK）消息从BZGate网关设备到移动设备时，BLE网络信息可以被传递。当其他BLE BSUs在与BZGate网关设备的断开连接后不能自动进入广播器状态的情况下，此网络信息的转移是必要的，它使整个主控权转移过程自动化。
当BZGate启动自主模式时：
在环境变化之前、期间或之后，即在任何时间，当BZGate网关设备检测到传感器节点（BLE无线体域网中的从设备和ZigBee无线个域网中的终端设备）失去他们的网络连接，或根据用户的配置要求，BZGate网关设备启动自主模式操作并作为BLE无线体域网的主设备和/或ZigBee的无线个域网的协调器。如图14所示，在这种模式下，BZGate网关设备负责整体BLE无线体域网和/或ZigBee无线个域网的管理，以确保从设备不是处于“无人管理状态”。由于从设备设计通常有的是非常有限的资源，BZGate网关设备就会收集传感器采集的数据并临时存储这些数据信息，以提供连续不间断的数据收集。适当的时候，这些数据可以使用其他接口如USB来下载，或者当移动网络连接上或固定网络恢复后可以将数据发送到服务中心。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种无间断的数据通讯设备，包括网关设备，所述网关设备连接有两个或两个以上的通信协议栈，所述网关设备用于检测网络环境变化以此实现在多种网络环境中的转换，所述通信协议栈包括ZigBee协议栈、BLE协议栈、ANT协议栈和WiFi协议栈；其特征在于，所述网关设备包括BZGate核心和ZigBee协议栈的通讯接口GZI，BZGate核心和低耗能蓝牙BLE协议栈的通讯接口GBI，数据中心DC，信息管理器MM，智能网络管理器INM，用户接口UI和网关设备引擎BZE，如果这种网关设备需要与UI、ZigBee及BLE设备之外的其他设备关联，该网关设备将包括另外的设备组建和接口；GZI是BZGate核心和ZigBee协议栈的通讯接口，所有进出ZigBee议栈的用户数据信息和控制信息都要经过GZI，GBI是BZGate核心和低耗能蓝牙BLE协议栈的通讯接口，所有进出低耗能蓝牙协议栈的用户数据信息和控制信息都要经过GBI；数据中心DC在没有网络连接或网络连接受限制的情况下，或者在数据传输的时间点还没有到的情况下，负责存储需要转发的数据和信息；信息管理器MM负责对不同来源的信息的类型和格式进行鉴别，并决定是否要对该数据信息进行翻译和转发，应该转发去哪一个或多个数据接口；智能网络管理器INM负责对ZigBee WPAN和BLE WBAN的管理；BZGate Engine是BZGate的中枢，它连接着BZGate核心中其他所有的部件，控制着数据信息在其他部件之间的传输，决定其他部件的协同工作。
2.根据权利要求1所述无间断的数据通讯设备，其特征在于，所述ZigBee协议栈下方是物理层PHY和介质访问控制MAC层，ZigBee规范定义了五个主要组件：网络层NWK，安全服务提供商，应用支持子层APS，ZigBee设备对象ZDO和制造商定义的应用程序对象，EP0是APS与ZDO之间的接口，EP1到EP240是APS和应用程序对象之间的接口，ZigBee应用配置文件是不同设备的应用程序间的信息处理协议。
3.根据权利要求2所述无间断的数据通讯设备，其特征在于，所述配置文件包括公共配置文件和私人配置文件，公共配置文件是由ZigBee联盟管理，公共配置文件定义设备信息，信息格式和加工处理，以确保来自不同厂商的设备可以互相互操作；私人配置文件指由设备制造商建立专用网络作为他们自己的应用程序，这里相互操作性是不需要的，ZigBee公共配置文件之一是卫生保健文件，与此配置文件的兼容设备可用于居室、健身中心、退休社区、养老院和各种医疗设施。
4.根据权利要求2所述无间断的数据通讯设备，其特征在于，一个ZigBee网络中的设备分为三个逻辑部分：协调器、路由器和终端设备，一个ZigBee网络只能有一个协调器，协调器负责创建无线个人区域网WPAN；一个路由器可以路由从一个节点到另一个节点的消息；而终端设备就没有路由功能，它只能发送和接收信息以供自己使用；终端设备的功能类似树型网络的一个枝节点，除了协调器，星型网络中其他节点都是终端设备，一个完整的网状网将不包含任何终端设备。
5.根据权利要求1所述无间断的数据通讯设备，其特征在于，BLE协议栈包括控制器部分，主机协议栈和主机控制器接口HCI，所述控制器就是低耗能蓝牙物理层表和连接表层，主机协议栈包括逻辑链路控制和适配协议L2CAP,属性协议ATT，通用属性协议GATT，安全管理协议SM和通用访问协议GAP，低耗能蓝牙的应用规范定义了一个低耗能蓝牙设备与另一低耗能蓝牙设备数据交流的基本过程和数据格式，BLE医疗保健应用规范仍处于定义过程，一个BLE网络有两种类型的链接功能：主设备和从设备，主设备能连接多种从设备而从设备只能连接一个主设备。
6.根据权利要求1-5中任一项所述无间断数据通讯设备的通讯方法，其特征在于，当BZGate网关设备是BLE无线体域网的一部分时，BLE网络主控权由移动设备或其它设备转交给BZGate网关设备的步骤如下：
S1、移动的BLE无线体域网进入一个固定环境ZigBee无线个域网，BZGate网关设备加入ZigBee网络，此时BLE网络的主控权开始从移动设备转移到BZGate网关设备；
S2、主控权转换在BZGate网关设备成功加入ZigBee网络并成为ZigBee终端设备或协调器或路由器时开始，转换也在连通性降低于预定水平的情况下由移动设备的网络信号触发，或由用户操作触发；
S3、BZGate网关设备通过数据通道发送主控权转移请求消息到移动设备来表达其接管主控权的意图，当移动设备收到这个消息，并同意转移主控权，移动设备将回复一个主控权转移回应消息到BZGate网关设备；
S4、移动设备发送一个断开请求命令给其他从设备，所有的从设备回复断开连接ACK消息给移动设备后就会从广播器状态变成待机模式；
S5、BLE BSUs在与移动设备失去了连接后变成广播器状态，BZGate网关设备变成扫描器获得相邻BLE设备地址，然后它变成一个启动设备Initiator，并开始向其他设备发送连接请求命令；
S6、其他设备回复连接回应消息，BZGate网关设备变成一个主设备并连接其他从设备，如果在移动设备断开与BZGate网关设备的连接之前，移动设备转移网络信息，这样可以省去BZGate网关设备扫描和发现相邻BLE设备的过程；
S7、如果其他BLE BSUs在与移动设备断开连接后不能自动地转为广播器状态，则网络信息从移动设备转移到BZGate网关设备是必要的，这会使整个主控权转移过程自动化，发现相邻BLE设备的过程也可以被省去，如果BZGate网关设备将相邻BLE设备的信息存储在本地。
7.根据权利要求6所述无间断数据通讯设备的通讯方法，其特征在于，当网关设备是BLE无线体域网的一部分时，上述步骤也是合并一个BLE无线体域网和ZigBee无线个域网的步骤。
8.根据权利要求1-5中任一项所述无间断的数据通讯设备的通讯方法，其特征在于，当BZGate网关设备是BLE无线体域网一个节点时，BLE网络主控权由BZGate网关设备转交给移动设备或其它设备的步骤如下:
S1、BZGate网关设备是ZigBee无线个域网的ZigBee终端设备，同时也是BLE无线体域网的一个主设备，移动设备是BLE无线体域网的从设备或是处于待机模式，BZGate网关设备也可以是ZigBee无线个域网的一个协调器或路由器；
S2、当BLE无线体域网移出ZigBee无线个域网的覆盖范围，BZGate网关设备将会从ZigBee网络中断开，此时，BLE网络的主控权开始从BZGate网关设备转移到移动设备，然后BZGate网关设备会进入待机模式，进而变成一个从属节点；
S3、主控权的转移从BZGate网关设备从ZigBee网络中断开连接的那一刻开始，或从移动设备恢复蜂窝网连接的那一刻开始，或者转换由用户操作启动，如果转换是由BZGate网关设备触发，BZGate网关设备就会将一个主控权转移请求消息通过数据通道发送到移动设备上，告知主控权移交，当移动设备收到这个消息，并同意接管主控权，一个主控权转移回应的消息将被传输到BZGate网关设备，然后BZGate网关设备发送断开请求命令给其他从设备；
S4、在所有的从设备都回应断开ACK消息后，BZGate网关设备本身便会从广播器状态变成待机模式，其他BLE BSUs会在与BZGate网关设备断开连接后变成为广播器状态；
S5、移动设备变成一个扫描器获取相邻BLE设备的地址，然后它变成一个启动设备，并开始向其他设备发送连接请求命令，其他设备响应连接回复消息，移动设备变成主设备且连接其他从设备；
S6、如果移动设备将相邻BLE设备的信息存储在本地的话，移动设备扫描和发现相邻BLE设备的过程可以被省去，另外，如果与移动设备断开前，BZGate网关设备将网络信息转移到移动设备，则发现相邻BLE设备的过程也可以省去，当其他BLE BSUs在与BZGate网关设备的断开连接后不能自动进入广播器状态的情况下，此网络信息的转移是必要的，它使整个主控权转移过程自动化。
9.根据权利要求8所述无间断的数据通讯设备的通讯方法，其特征在于，当BZGate网关设备是BLE无线体域网一个节点时，上述步骤也是将一个BLE无线体域网从一个ZigBee无线个域网中分离出来的步骤。
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Address after: 510663 C1-1105, Innovation Building, No. 182, Science Avenue, Science City, Luogang District, Guangzhou, Guangdong, China Patentee after: Guangzhou bide Technology Co.,Ltd. Address before: 510663 C1-1105, Innovation Building, No. 182, Science Avenue, Science City, Luogang District, Guangzhou, Guangdong, China Patentee before: BDE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Address after: 510663 Room 403-404, Area B2, Creative Building, No. 162, Science Avenue, Science City, Huangpu District, Guangzhou City, Guangdong Province (office only) Patentee after: Guangzhou bide Technology Co.,Ltd. Address before: 510663 C1-1105, Innovation Building, No. 182, Science Avenue, Science City, Luogang District, Guangzhou, Guangdong, China Patentee before: BDE TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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Denomination of invention: An uninterrupted data communication device and communication method Effective date of registration: 20221121 Granted publication date: 20150708 Pledgee: Bank of Guangzhou branch of the Bank of Guangzhou Science City Branch Pledgor: Guangzhou bide Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2022980022657 |