CN104994600A - 用于多ZigBee网络互连的网关及其运行方法 - Google Patents

用于多ZigBee网络互连的网关及其运行方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线传感器网络领域，提供一种用于多ZigBee网络互连的网关及其运行方法，以解决由于单个Zigbee网络规模有限导致的了ZigBee技术的应用范围较窄的问题，该网关包括协议转换模块和至少两个ZigBee模块，所述协议转换模块分别与各个ZigBee模块连接。本发明提出的技术方案可以方便地在多个ZigBee网络间进行数据传递和转发，扩展了ZigBee网络的规模，提高了网络构建和消息传递的效率，具有较强实用性。

Description

用于多ZigBee网络互连的网关及其运行方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，特别涉及一种用于多ZigBee网络互连的网关及其运行方法。
背景技术
ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4协议标准而产生的新兴无线通信技术。相对于现有的其它无线通信技术，ZigBee技术具有短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等显著特点，其数据传输速率只有20～250kb/s，协议简单，响应快速，通常使用电池供电。弥补了以往无线通信市场上低成本低功耗设备领域的空缺。
ZigBee技术可协调数千个微小的传感器节点之间的相互通信。这些传感器节点只需要很少的能量，以接力的方式将数据通过无线方式从一个传感器节点传到另一个传感器节点，通信效率高。因此，ZigBee技术是实现无线传感器网络的最佳选择，ZigBee技术的出现为无线传感器网络的发展提供了契机。而Zigbee技术的目标领域即是针对工业自动化、家庭自动化、遥测遥控、汽车自动化、农业自动化、医疗护理、电力、矿山与物流管理等。
按照ZigBee协议，单个ZigBee网络中最大节点数为65535个，所以单个ZigBee网络规模有限，限制了ZigBee技术的应用范围。
发明内容
【要解决的技术问题】
本发明的目的是提供一种用于多ZigBee网络互连的网关及其运行方法，以解决由于单个ZigBee网络规模有限导致其应用范围较窄的问题。
【技术方案】
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明首先涉及一种用于多ZigBee网络互连的网关，包括协议转换模块和至少两个ZigBee模块，所述协议转换模块分别与各个ZigBee模块连接，
所述ZigBee模块包括两个通信接口，所述ZigBee模块被配置成：按照标准ZigBee协议创建或加入ZigBee网络、通过通信接口向协议转换模块注册其ZigBee网络信息、通过通信接口向协议转换模块发送转发消息请求、通过通信接口向协议转换模块发送消息；
所述协议转换模块包括路由表、用于实现与各个ZigBee模块的通信接口通信的通信接口IP核，所述路由表包括ZigBee模块的编号、ZigBee模块所加入的ZigBee网络的个域网标志符、与ZigBee模块通信的通信接口IP核编号。
作为一种优选的实施方式，所述通信接口包括SPI接口和UART接口，所述通信接口IP核包括SPI核和UART核。
作为另一种优选的实施方式，所述ZigBee模块还被配置成：当ZigBee模块接收到协议转换模块转发的消息后，将消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符和自身所属ZigBee网络的个域网标志符对比，如果相同则将待转发消息发送至消息中目的节点的网络地址对应的节点。
作为另一种优选的实施方式，所述协议转换模块具体被配置成：判断ZigBee模块是否有权限请求转发，如果该ZigBee模块有权限请求转发，则根据待转发消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符查找路由表中对应的通信接口IP核，通过查找到的通信接口IP核将待转发消息发送至对应的ZigBee模块。
作为另一种优选的实施方式，还包括电源模块和复位模块，所述电源模块为协议转换模块和各个ZigBee模块供电，所述复位模块为协议转换模块和各个ZigBee模块复位。
作为另一种优选的实施方式，所述协议转换模块为FPGA。
本发明还涉及一种网关的运行方法，包括步骤：
A、各个ZigBee模块按照标准ZigBee协议工作，创建或加入ZigBee网络；
B、各个ZigBee模块向协议转换模块注册各自的ZigBee网络信息，当协议转换模块接收到ZigBee模块的注册请求信息后，若允许该ZigBee模块注册，则将其ZigBee网络信息加入到路由表中，所述ZigBee网络信息至少包括ZigBee模块的编号、ZigBee模块所加入的ZigBee网络的个域网标志符、与ZigBee模块通信的通信接口IP核编号；
C、当各个ZigBee模块有消息需要转发到目的ZigBee网络时，向协议转换模块发送转发消息请求，并将待转发消息发送至协议转换模块，所述待转发消息包括目的ZigBee网络的个域网标志符、目的节点的网络地址、待转发消息内容；
D、当协议转换模块接收到ZigBee模块发送的转发消息请求和待转发消息后，判断ZigBee模块是否有权限请求转发，如果该ZigBee模块有权限请求转发，则根据待转发消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符查找路由表中对应的通信接口IP核，通过查找到的通信接口IP核将待转发消息发送至对应的ZigBee模块；
E、当ZigBee模块接收到协议转换模块转发的消息后，将消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符和自身所属ZigBee网络的个域网标志符对比，如果相同则将待转发消息发送至消息中目的节点的网络地址对应的节点。
作为一种优选的实施方式，所述步骤C的待转发消息还包括：发送该消息的ZigBee模块所在的ZigBee网络的个域网标志符、发送该消息的源节点的网络地址、待转发消息长度。
作为另一种优选的实施方式，所述步骤D判断ZigBee模块是否有权限请求转发的方法为：查找路由表中是否有该ZigBee模块的ZigBee网络信息，如果有则该ZigBee模块具有请求转发的权限。
作为另一种优选的实施方式，所述步骤A中各个ZigBee模块工作在协调器模式或路由器模式。
【有益效果】
本发明提出的技术方案具有以下有益效果：
通过本发明提供的网关，可以方便地在多个ZigBee网络间进行数据传递和转发，扩展了ZigBee网络的规模，提高了网络构建和消息传递的效率，具有较强实用性。
附图说明
图1为本发明的实施例一提供的用于多ZigBee网络互连的网关的结构框图。
图2为本发明的实施例二提供的用于多ZigBee网络互连的网关的运行方法的示意图。
图3为本发明的实施例二提供的待转发消息的格式示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，也不是对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
实施例一提供一种用于多ZigBee网络互连的网关，如图1所示，包括协议转换模块4、ZigBee模块1、ZigBee模块2、ZigBee模块3、复位模块5、电源模块6，协议转换模块4分别与各个ZigBee模块连接，电源模块6为协议转换模块4和各个ZigBee模块供电，复位模块5为协议转换模块4和各个ZigBee模块复位。
具体地，电源模块6采用TPS54320芯片，TPS54320芯片是专门为小型设计优化的高效率集成DC-DC转换芯片，输入电压4.5V到17V，输出电压0.8V到15V。复位模块5采用MAX706P芯片。协议转换模块4包括Xilinx公司生产的Virtex-5型号的FPGA及其晶振芯片和配置芯片，该FPGA内部资源与IO管脚丰富，具有80×30的CLB阵列，320Kbit的分布式RAM，19200个触发器，能够提供强大的在线运算能力。FPGA的晶振芯片为晶宇兴公司的X075-YAGRC，频率100MHz，作为FPGA工作的主控时钟，在FPGA内部可以通过时钟管理模块倍频到更高频率，配置芯片为SPANSION公司的S29GL512P10，512Mb，BPI模式，配置芯片用于保存FPGA的配置信息。
ZigBee模块1、ZigBee模块2和ZigBee模块3，均采用CC2530芯片实现。CC2530是TI公司推出具有8051单片机内核、包含符合IEEE 802.15.4标准射频模块的片上系统，支持IEEE 802.15.4协议，它具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，可编程的输出功率高达4.5dBm，而且外部电路少，灵活方便，支持快速、廉价的ZigBee节点构建。
对于每个ZigBee模块中的CC2530，其USART0接口配置为UART模式，USART1接口配置为SPI主模式，USART0接口和USART1接口分别与协议转换模块4的FPGA的通用引脚相连，在FPGA内部采用Verilog编程对应地分别实现一个UART核和一个SPI核，其中UART核与CC2530的USART0接口进行通信，SPI核与USART1接口进行通信，由于本实施例中有三个ZigBee模块，因此针对每个ZigBee模块的USART0接口均设置有一个用于与其通信的UART核，针对每个ZigBee模块的USART1接口均设置有一个用于与其通信的SPI核，各个USART0接口对应的UART核不同，各个USART1接口对应的SPI核也不同。
本实施例中，具体地，ZigBee模块被配置成：按照标准ZigBee协议创建或加入ZigBee网络、通过通信接口向协议转换模块注册其ZigBee网络信息、通过通信接口向协议转换模块发送转发消息请求、通过通信接口向协议转换模块发送消息；ZigBee模块还被配置成：当ZigBee模块接收到协议转换模块转发的消息后，将消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符和自身所属ZigBee网络的个域网标志符对比，如果相同则将待转发消息发送至消息中目的节点的网络地址对应的节点。
协议转换模块4包括路由表、用于实现与各个ZigBee模块的通信接口通信的通信接口IP核，通信接口IP核包括UART核和SPI核，路由表包括ZigBee模块的编号、ZigBee模块所加入的ZigBee网络的个域网标志符、与ZigBee模块通信的通信接口IP核编号。路由表内存储数据的结构形式可以参考表1。
表1路由表内存储数据的结构形式
Zigbee模块编号 个域网标志符 SPI核编号 UART核编号
1 … 1 1
2 … 2 2
… … … …
n … n n
协议转换模块具体被配置成：判断ZigBee模块是否有权限请求转发，如果该ZigBee模块有权限请求转发，则根据待转发消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符查找路由表中对应的通信接口IP核，将待转发消息通过查找到的通信接口IP核发送至对应的ZigBee模块。
实施例一中的网关运行的方法可以参考下述具体方法实施例。
实施例二
实施例二提供实施例一中网关的运行方法，如图2所示，该方法包括步骤S1至步骤S5，下面分别对各个步骤进行详细说明。
步骤S1：初始化。
对协议转换模块4、ZigBee模块1、ZigBee模块2、ZigBee模块3进行复位。各个ZigBee模块按照标准ZigBee协议进行工作，创建或加入ZigBee网络，各个ZigBee模块可工作在协调器模式或路由器模式。
步骤S2：各个ZigBee模块注册ZigBee网络信息。
步骤S2具体包括：各个ZigBee模块向协议转换模块注册各自的ZigBee网络信息，当协议转换模块接收到ZigBee模块的注册请求信息后，若允许该ZigBee模块注册，则将其ZigBee网络信息加入到路由表中，ZigBee网络信息包括ZigBee模块的编号、ZigBee模块所加入的ZigBee网络的个域网标志符、与ZigBee模块的通信接口连接的通信接口IP核的编号。具体地，本实施例中，假设协议转换模块4允许ZigBee模块1、ZigBee模块2注册，不允许ZigBee模块3注册，则路由表中将仅保存有ZigBee模块1的ZigBee网络信息、ZigBee模块2的ZigBee网络信息。
步骤S3：ZigBee模块向协议转换模块发送转发消息请求和待转发消息。
本实施例中，假设ZigBee模块1需要将消息发送至ZigBee模块2，则步骤S3具体包括：当ZigBee模块1有消息需要转发到ZigBee模块2的ZigBee网络时，其中ZigBee模块2的ZigBee网络为目的ZigBee网络，首先向协议转换模块4发送转发消息请求，并将待转发消息发送至协议转换模块4，待转发消息包括目的ZigBee网络的个域网标志符、目的节点的网络地址、待转发消息内容、ZigBee模块1所在的ZigBee网络的个域网标志符、发送该消息的源节点的网络地址、待转发消息长度，需要说明，在本实施例中，由于ZigBee模块1需要将消息发送至ZigBee模块2，因此目的ZigBee网络指的是ZigBee模块2的ZigBee网络，目的节点指的是位于ZigBee模块2所在ZigBee网络中需要接收待转发消息的节点，源节点是指位于ZigBee模块1所在的ZigBee网络中，发出待转发消息的节点。待转发消息的格式可以参考图3，图中，DstPAN_ID为需要接收该消息的目的网络的个域网标志符，即目的ZigBee网络的个域网标志符，其长度为16bit；DstAddr为需要接收该消息的目的节点网络地址，即目的节点的网络地址，其长度为16bit；SrcPAN_ID为发送该消息的ZigBee模块所在的ZigBee网络的个域网标志符，其长度为16bit；SrcAddr为发送该消息的源节点的网络地址，其长度为16bit；MSGLen为待转发消息长度，其长度为16bit；MSG为待转发消息内容，其长度0到65535bit。
步骤S4：协议转换模块转发消息。
步骤S4具体包括：当协议转换模块4接收到ZigBee模块1发送的转发消息请求和待转发消息后，判断ZigBee模块1是否有权限请求转发，具体的判断方法为：查找路由表中是否有ZigBee模块1的ZigBee网络信息，如果有则该ZigBee模块具有请求转发的权限。由于路由表中有ZigBee模块1的ZigBee网络信息，因此ZigBee模块1具有请求转发的权限，则协议转换模块4根据待转发消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符查找路由表中对应的通信接口IP核，将待转发消息通过查找到的通信接口IP核发送至ZigBee模块2。
步骤S5：目的ZigBee模块接收消息。
通过步骤S4，协议转换模块4将待转发消息通过查找到的通信接口IP核发送至ZigBee模块2，步骤S5具体包括：当ZigBee模块2接收到协议转换模块4转发的消息后，将消息中的个域网标志符和自身所属ZigBee网络的个域网标志符对比，如果相同则将待转发消息发送至消息中目的节点的网络地址对应的节点。
从以上实施例可以看出，本发明实施例提供的网关，可以方便地在多个ZigBee网络间进行数据传递和转发，扩展了ZigBee网络的规模，提高了网络构建和消息传递的效率，具有较强实用性。

Claims (10)

1.一种用于多ZigBee网络互连的网关，其特征在于包括协议转换模块和至少两个ZigBee模块，所述协议转换模块分别与各个ZigBee模块连接，
所述ZigBee模块包括两个通信接口，所述ZigBee模块被配置成：按照标准ZigBee协议创建或加入ZigBee网络、通过通信接口向协议转换模块注册其ZigBee网络信息、通过通信接口向协议转换模块发送转发消息请求、通过通信接口向协议转换模块发送消息；
所述协议转换模块包括路由表、用于实现与各个ZigBee模块的通信接口通信的通信接口IP核，所述路由表包括ZigBee模块的编号、ZigBee模块所加入的ZigBee网络的个域网标志符、与ZigBee模块通信的通信接口IP核编号。
2.根据权利要求1所述的用于多ZigBee网络互连的网关，其特征在于所述通信接口包括SPI接口和UART接口，所述通信接口IP核包括SPI核和UART核。
3.根据权利要求1所述的用于多ZigBee网络互连的网关，其特征在于所述ZigBee模块还被配置成：当ZigBee模块接收到协议转换模块转发的消息后，将消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符和自身所属ZigBee网络的个域网标志符对比，如果相同则将待转发消息发送至消息中目的节点的网络地址对应的节点。
4.根据权利要求1所述的用于多ZigBee网络互连的网关，其特征在于所述协议转换模块具体被配置成：判断ZigBee模块是否有权限请求转发，如果该ZigBee模块有权限请求转发，则根据待转发消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符查找路由表中对应的通信接口IP核，通过查找到的通信接口IP核将待转发消息发送至对应的ZigBee模块。
5.根据权利要求1所述的用于多ZigBee网络互连的网关，其特征在于还包括电源模块和复位模块，所述电源模块为协议转换模块和各个ZigBee模块供电，所述复位模块为协议转换模块和各个ZigBee模块复位。
6.根据权利要求1所述的用于多ZigBee网络互连的网关，其特征在于所述协议转换模块为FPGA。
7.一种权利要求1至6中任一权利要求所述网关的运行方法，其特征在于包括步骤：
A、各个ZigBee模块按照标准ZigBee协议工作，创建或加入ZigBee网络；
B、各个ZigBee模块向协议转换模块注册各自的ZigBee网络信息，当协议转换模块接收到ZigBee模块的注册请求信息后，若允许该ZigBee模块注册，则将其ZigBee网络信息加入到路由表中，所述ZigBee网络信息至少包括ZigBee模块的编号、ZigBee模块所加入的ZigBee网络的个域网标志符、与ZigBee模块通信的通信接口IP核编号；
C、当各个ZigBee模块有消息需要转发到目的ZigBee网络时，向协议转换模块发送转发消息请求，并将待转发消息发送至协议转换模块，所述待转发消息包括目的ZigBee网络的个域网标志符、目的节点的网络地址、待转发消息内容；
D、当协议转换模块接收到ZigBee模块发送的转发消息请求和待转发消息后，判断ZigBee模块是否有权限请求转发，如果该ZigBee模块有权限请求转发，则根据待转发消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符查找路由表中对应的通信接口IP核，通过查找到的通信接口IP核将待转发消息发送至对应的ZigBee模块；
E、当ZigBee模块接收到协议转换模块转发的消息后，将消息中的目的ZigBee网络的个域网标志符和自身所属ZigBee网络的个域网标志符对比，如果相同则将待转发消息发送至消息中目的节点的网络地址对应的节点。
8.根据权利要求7所述的网关的运行方法，其特征在于所述步骤C的待转发消息还包括：发送该消息的ZigBee模块所在的ZigBee网络的个域网标志符、发送该消息的源节点的网络地址、待转发消息长度。
9.根据权利要求7所述的网关的运行方法，其特征在于所述步骤D判断ZigBee模块是否有权限请求转发的方法为：查找路由表中是否有该ZigBee模块的ZigBee网络信息，如果有则该ZigBee模块具有请求转发的权限。
10.根据权利要求7所述的网关的运行方法，其特征在于所述步骤A中各个ZigBee模块工作在协调器模式或路由器模式。
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