CN103338479B - 一种短距离无线物联网的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短距离无线物联网的通信方法，它是在基于zigbee技术的无线传感器网络的基础上，还原无线节点上原有的MAC协议栈，所有的无线节点均不需要IP地址和IP协议栈，而zigbee协调器把各个无线节点上传输的无线数据封装成无需IP地址的以太网报文传输到远程服务器，由远程服务器提供IP协议栈进行IP报文的封装，完成和互联网的互通。

Description

一种短距离无线物联网的通信方法

技术领域

本发明涉及一种短距离无线物联网的通信方法，特别是一种基于Zigbee技术的短距离无线物联网的通信方法。

背景技术

Zigbee技术作为近年来飞速发展的短距离无线传输技术，具备功耗低、可靠性好、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以被认为最适合应用于物联网领域的最后一百米技术方案。

基于zigbee技术的无线传感器网络应用前景十分广泛，因此在实际应用中，zigbee需要接入互联网的要求也越来越多。为了保障和IP网络的互联互通，IETF实现了轻量级的IPv6协议，完成了核心的标准规范。IPv6/6Lowpan已经成为许多其它标准的核心，包括智能电网ZigbeeSEP2.0、工业控制标准ISA100.11a、有源RFIDISO1800-7.4（DASH）等。IPv6/6Lowpan具有诸多优势：可以运行在多种介质上，如低功耗无线、电力线载波、WiFi和以太网，有利于实现统一通信。IPv6/6Lowpan协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用，逐渐成为该领域的事实标准，现阶段zigbee网关包含的协议栈基本带有ipv6/6lowpan功能。

zigbee技术典型组网方式是mesh网，由协调器节点、路由器节点和传感器节点组成。协调器节点是网络的核心，是全功能节点。而传感器由于成本需要和实际业务要求是简化的无线传感节点，具备数据采集和发送的功能。路由器节点除传感器功能外，还具备无线中继的功能，为传感器数据进行中转到下一跳的功能，为短距离无线传输扩展成一张覆盖广泛的无线MESH网络。在实际应用中，zigbee协调器节点作为业务最终的汇聚点，需要把本地局域的传感数据传输到远程控制中心，因此作为物联网网关还需要具备远程通信功能。

现有的方案中远程通信模块有多种，一般有GPRS模块和以太网电口。3G通信普及后，远程通信模块较多的采用3G模块，无论那种方式，无线数据经过RF收发模块后到微处理模块处理。微处理器编译了TCP/IP协议栈，进行报文协议转换，输出的以太网报文是IP报文，含IP地址。

无线数据报文在微处理器转发软件需要嵌入式操作系统支持，除操作系统外，整套软件还包含zigbee协议栈和IPV6协议栈。zigbee协议栈需要考虑不同的版本，一般采用兼容RF射频模块的版本，IPV6协议栈需要进行裁剪，需要支持6lowpan的轻量级版本，完成上述协议栈在操作系统的移植编译后，基本的软件架构就完成了。在实际运行过程中，短距离低功耗无线协调器需要根据TCP/IP协议和规范中获取到的本身IP地址。根据此IP地址和互联通进行通信以及远程管理。

zigbee等无线技术采用了IPV6协议栈，在个人无线设备、移动终端、个人医疗领域等方面是需要和互联网互动，IPV6的目的是让终端设备能够方便的接入互联网，能够方便的远程访问和控制。然而在军事/农业/工业/环境/工业控制等很多领域，实时的传感数据和控制数据并不需要接入互联网，反而恰恰相反，需要保证接入的可靠性/保密性/安全性。

IPV6的地址分配分为状态自动配置，必须配置BOOTP或者DHCP服务器，对于小型物联网领域，或者专用物联网领域，成本较高，增加配置和维护工作量，往往不可行。

另一种分配法是无状态自动配置，无状态自动配置，首先产生自身的本地链路单薄地址，然后在本地链路发送一个邻居发现请求，若请求没有响应，表明主机自我配置的本地链路单播地址是唯一的，然后以该地址为源地址向所有路由器发送组播报文，请求配置信息，路由器收到之后以一个全球地址前缀作为回应，主机得到之后就形成了IPV6地址，可以进行通信。

可见这样操作过程有多个步骤，占用频道带宽，对于带宽只有几kbps的链路来说，占有率还是较高。对于非授权用户只能接入后再进行认证，给予了足够的可乘之机。

另外多个节点同时发起IP地址的请求容易造成报文冲突，设备入网时延较长。若大型物联网中存在多个本地链路，多个协调器，自动配置会造成多个IP地址段，无法归纳到同一个网段，需要路由生成进行互访。

IPV6的NDP（邻居发现协议）封装数据包使用的是IPV6链路本地地址，或者链路本地范围内的组播地址，没有相关安全机制保护链路节点的可信度，无法识别节点的仿冒行为，容易攻击，任何节点可以伪造路由器，伪造路由器的通告报文进行欺骗，造成报文错误发送到伪造的路由器上。或者伪造包含虚假的源MAC和源IPV6地址的邻居通告消息，使得接受者更新邻居表，存储错误MAC地址，导致发送给网关的合法报文无法到达，也容易产生拒绝服务攻击。

6LowPAN不支持IPSEC，很难控制外部节点ddos攻击。在大型无线MESH网络中，存在多个路由节点，多个链路范围，而报文压缩效率在同一个本地链路范围MAC层网段比较好，当地址前后缀无法压缩时，算法效率大大降低，UDP报文压缩率一般，压缩到4字节，还是消耗较大的无线信道资源。

此外zigbee协议栈不支持组播、多跳路由、只支持127字节的帧长，需要在IP层和协议栈之间增加适配层，增加开发难度，增加报文远程传输的处理步骤和传输时延。需要额外的进行IP报文的分片、重组、组播支持、网络拓扑构建和MAC地址分配，多跳路由的支持和上层头部压缩和解压缩。

如上文所述，zigbee协调器需要配置IP地址，需要配置DHCP服务器，或者人工设置每个协调器不同的IP地址，造成使用维护十分麻烦，如果是IPV6地址，还需要进行使用人员的培训，远程访问适合还需要考虑跨越IPV4网络，考虑IPV4和IPV6的兼容性，市场推广易受阻碍。

另外传输报文携带IP地址消耗了有限的无线带宽，需要成本控制严格的节点支持IP协议栈和IP适配层，开发复杂度高、报文处理步骤多，造成报文传输时延增加，功耗增加，成本增加，另外引入IP地址，安全性考虑不够周全。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种短距离无线物联网的通信方法。本发明方法可以解决现有的基于zigbee技术的无线传感器网络中存在的无线带宽占用率高、报文传输延时、单个无线节点的开发难度大、安全性能不高等一系列问题。

本发明的技术方案一种短距离无线物联网的通信方法，其特点是：它是在基于zigbee技术的无线传感器网络的基础上，还原无线节点上原有的MAC协议栈，所有的无线节点均不需要IP地址和IP协议栈，而zigbee协调器把各个无线节点上传输的无线数据封装成无需IP地址的以太网报文传输到远程服务器，由远程服务器提供IP协议栈进行IP报文的封装，完成和互联网的互通。位置于中心机房的远程服务器可以访问多个zigbee协调器、多个无线MESH网络。

前述的短距离无线物联网的通信方法中，所述zigbee协调器和远程服务器之间通过二层网络进行数据传输。所述二层网络可以是交换机或光纤收发器，传输距离可达0～80km。二层网络可以保障以太网报文能够正确及时的双向传输。

前述的短距离无线物联网的通信方法中，所述zigbee协调器上集成有RF收发模块、不包含IP协议栈的微处理模块和以太网远程传输模块；微处理模块在对无线数据发送和传输的过程中，直接读取RF收发模块从无线节点接收的数据缓存，传递到以太网远程传输模块，由以太网远程传输模块封装成以太网报文发送出去，接收的过程则和发送过程相反，从以太网远程传输模块获取的以太网报文后，剥离以太网封装信息，从RF收发模块发送完整的本地链路数据。

前述的短距离无线物联网的通信方法中，优选的，所述二层网络为光纤收发器。光纤网络相对于电缆或者无线方式不仅仅提供更长的传输距离，还可以抗干扰、具备成本低、安全性好、带宽高等优点，不仅仅可以承载无线的感知信号，还可以满足高清视频的需要，能更好的满足物联网的要求。

前述的短距离无线物联网的通信方法中，所述zigbee协调器在判断无线数据为本地发送时，直接将无线数据进行MAC协议封装，从本地链路口进行发送。

前述的短距离无线物联网的通信方法中，所述无线数据发送的源地址和目的地址由以太网远程传输模块和远程服务器进行定期广播所相互通知。远程服务器上电会定期发送通告报文，以太网远程通信模块进行答复，通过报文的交流，双方可获知对方的MAC地址，并且获取统一的全局端口逻辑号。

所述无线数据在二层网络传输的是标准以太网报文；当以太网远程传输模块向远程服务器发送时，以太网目的地址是远程服务器的MAC地址，以太网源MAC地址是以太网远程传输模块的MAC地址，802.1Q值由内部Data数据的qos映射而得。

与现有技术相比，本发明无需IP地址的分配和管理，无需IP协议栈的开发，报文传输也不需要进行IP报文的适配和协议转换，减少报文头占用的频率资源。本发明在zigbee无线传感网络中的无线节点中恢复了MAC协议栈，剥离IP处理协议栈，在有限的无线通信频段范围内传输的报文减少了IP头，减少了资源占用，在强干扰、强阻碍造成通信速率下降的时候，意义重大。同时也降低了单个节点的开发难度、简化了单个节点的报文处理过程，提高报文的处理时间。

另外由于本发明在无线节点上不使用IP地址，避免远程直接通过IP地址进行访问，无需对每个节点的IP链接。本发明的SOCKET链接进行加密、认证和安全处理等过程，可以集中在远程访问的服务器进行安全机制，降低单个节点的复杂度，大大降低节点的功耗和成本。

另外，本发明避免IP适配层的开发，降低运营的故障率，去除了复杂的IP报文的压缩和解压缩、字节的分片和重组，提高了传输的时延。

本发明还可以通过光以太网专网的访问，避开GPRS/3G无线网络的吞吐量小、安全性低、时延大的问题，解决了使用公网的安全性问题。避免了访问多个IPV6网段的麻烦，不需要管理中心支持IPV4/V6双协议栈，不需要远程通信设备支持IPV6，是的大规模组建、管理、运营多个无线MESH网络更为方便。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的zigbee协调器的结构示意图；

图3是本发明的数据发送流程图；

图4是本发明的数据接收流程图；

图5是本发明实施例中的数据报文格式。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种短距离无线物联网的通信方法，如图1所示，它是在基于zigbee技术的无线传感器网络的基础上，还原无线节点上原有的MAC协议栈（802.15.4MAC协议栈），所有的无线节点（即图中的无线接入节点）均不需要IP地址和IP协议栈，而zigbee协调器（即图1中的无线协调器）把各个无线节点上传输的无线数据封装成无需IP地址的以太网报文传输到远程服务器，由远程服务器提供IP协议栈进行IP报文的封装，完成和互联网的互通。所述zigbee协调器和远程服务器之间通过二层网络进行数据传输。所述二层网络优选为光纤收发器（即图2中的光模块）。

所述zigbee协调器上集成有RF收发模块、不包含IP协议栈的微处理模块和以太网远程传输模块，如图2所示；微处理模块在对无线数据发送和传输的过程中，直接读取RF收发模块从无线节点接收的数据缓存，传递到以太网远程传输模块，由以太网远程传输模块封装成以太网报文发送出去，接收的过程则和发送过程相反，从以太网远程传输模块获取的以太网报文后，剥离以太网封装信息，从RF收发模块发送完整的本地链路数据。

所述zigbee协调器在判断无线数据为本地发送时，直接将无线数据进行MAC协议封装，从本地链路口进行发送。

本发明具体的无线发送流程及接收流程，分别如图3和图4所示。

所述无线数据发送的源地址和目的地址由以太网远程传输模块和远程服务器进行定期广播所相互通知。

本发明的数据报文格式如图5所示，无线数据在二层网络传输的是标准以太网报文。当以太网远程传输模块向远程服务器发送时，以太网目的地址是远程服务器的MAC地址，以太网源MAC地址是以太网远程传输模块的MAC地址，802.1Q值由内部Data数据的qos映射而得。

内部Data由具体的用户数据和一些字段头构成。其中头部的协议号是无线上传输的二层协议类型和此协议的版本号，源端口和目的端口是无线通信的内部通信节点一一对应，逻辑号由服务器进行全局统一分配，不重复。Controlcode是说明传输的方向、传输的方式。

综上所述，数据的构成、数据的传输流程已完成，远程服务器获取到的以太网报文含无线数据内容，由其完成IP报文封装并和互联网互通。最后一部分是远程数据传输所需的路由，这部分由以太网的目的地址和源地址来决定。服务器上电会定期发送通告报文，以太网通信模块进行答复，通过报文的交流，双方可获知对方的MAC地址，并且获取统一的全局端口逻辑号。

另外，在应用本发明时，远程访问通道可以是ATM通道、PPP通道、PTN通道，因此无线报文的封装形式可以有多种方式而不需要IP地址，可以进行上述的ATM/PPP/PTN格式封装。

虽然本发明主要是针对zigbee无线协调器的改进。同样在物联网领域，电力载波通信路由器、RS485/232集中器都需要配置IP地址才能进行远程通信和访问、控制。本发明创造的以太网远程传输模块同样可以集成在电力载波通信路由器和RS485/232集中器内部，解决IP地址带来的分配、使用、维护、管理的麻烦。

且以太网远程传输模块可以和无线协调器和其它物联网网关融合，上述的发明创造可以在融合后的网关上实现，而不由独立的单独模块完成。

本发明所指的远程服务器可以有多种硬件实体实现方式，可以是工业PC，可以是电信服务器，可以是机房的核心通信设备。

Claims (6)

1.一种短距离无线物联网的通信方法，其特征在于：它是在基于zigbee技术的无线传感器网络的基础上，还原无线节点上原有的MAC协议栈，所有的无线节点均不需要IP地址和IP协议栈，而zigbee协调器把各个无线节点上传输的无线数据封装成无需IP地址的以太网报文传输到远程服务器，由远程服务器提供IP协议栈进行IP报文的封装，完成和互联网的互通；所述zigbee协调器上集成有RF收发模块、不包含IP协议栈的微处理模块和以太网远程传输模块；微处理模块在对无线数据发送和传输的过程中，直接读取RF收发模块从无线节点接收的数据缓存，传递到以太网远程传输模块，由以太网远程传输模块封装成以太网报文发送出去，接收的过程则和发送过程相反，从以太网远程传输模块获取的以太网报文后，剥离以太网封装信息，从RF收发模块发送完整的本地链路数据。

2.根据权利要求1所述的短距离无线物联网的通信方法，其特征在于：所述zigbee协调器和远程服务器之间通过第二层网络进行数据传输。

3.根据权利要求2所述的短距离无线物联网的通信方法，其特征在于：所述第二层网络为光纤收发器。

4.根据权利要求1所述的短距离无线物联网的通信方法，其特征在于：所述zigbee协调器在判断无线数据为本地发送时，直接将无线数据进行MAC协议封装，从本地链路口进行发送。

5.根据权利要求1所述的短距离无线物联网的通信方法，其特征在于：所述无线数据发送的源地址和目的地址由以太网远程传输模块和远程服务器进行定期广播所相互通知。

6.根据权利要求2所述的短距离无线物联网的通信方法，其特征在于：所述无线数据在第二层网络传输的是标准以太网报文；当以太网远程传输模块向远程服务器发送时，以太网目的地址是远程服务器的MAC地址，以太网源MAC地址是以太网远程传输模块的MAC地址，802.1Q值由内部Data数据的qos映射而得。