CN105263150A - 一种用于ZigBee网络的探测分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于ZigBee组网技术分析领域，涉及一种用于ZigBee网络的探测分析装置，主体结构包括数据采集装置和主机，数据采集装置放置在ZigBee网络附近100米以内，通过数据采集单元以无线方式收集空中电波，再根据预设程序过滤并筛选出符合ZigBee协议的数据并通过数据传输单元传送给主机；主机中的通信单元接收数据后进行校验、拆分，形成一帧ZigBee数据传输至ZigBee数据分析单元，ZigBee数据分析单元将每帧ZigBee数据进行智能分析，根据分析结果分别调用拓扑结构绘制单元、MAC帧头绘制单元和NWK帧段绘制单元，以绘制出使用ZigBee网络的设备和设备间通信链路的帧视图，再以文件形式保存在帧视图保存单元中；该系统设计科学，原理可靠，自动化程度高，运行稳定，操作方便，便于推广。

Description

一种用于ZigBee网络的探测分析装置

技术领域：

本发明属于ZigBee组网技术分析领域，涉及一种用于ZigBee网络的探测分析装置，能够自动探测周围的ZigBee无线网络，并分析该网络拓扑结构、各层通信数据及网络运行情况。

背景技术：

ZigBee译为"紫蜂"，是一种新兴的短距离、低功耗的无线通信技术，用于传感控制应用(SensorandControl)，由IEEE802.15工作组中提出，并由其TG4工作组制定规范。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，该名称(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)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，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。该协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等，其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。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，它通过协调器、路由器和终端节点等设备身份组成一个无线的网络来工作，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。

目前ZigBee技术广泛应用于智能电网、智能交通、智能家居、工业自动化、智能建筑、公共安全、环境保护等领域，例如中国专利201520085106.6公开的一种基于ZigBee无线控制的便携式智能家居系统，中国专利201510173214.3公开的一种ZigBee网络中的农业机器人无线遥控系统，中国专利2015100980000.4公开的一种ZigBee遥控器远程控制方法，中国专利201520148212.4公开的一种基于ZigBee的石油地震勘探数据传输系统，中国专利201520098855.2公开的一种基于ZigBee网络的货运车辆超限超载快速检测系统等等。但在现有的众多ZigBee应用中，均存在着某个节点损坏或带病工作难于及早发现、难以定位等问题，因此本发明设计一种新型的用于ZigBee网络的探测分析装置，无需接入正在使用的ZigBee网络，即可实现查看ZigBee网络结构、帮助维护人员发现网络中有问题的节点等功能，同时能够为教学人员研究ZigBee网络数据传输情况提供直观运行界面。

发明内容：

本发明的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种用于ZigBee网络的探测分析装置，能够获取ZigBee网络在各种应用场景下的运行信息，通过分析高空中ZigBee网络电波、计算电波中数据信息、分析其携带的网络数据，然后在计算机屏幕上绘制出网络结构，并显示出网络中各层协议数据。

为了实现上述目的，本发明涉及的用于ZigBee网络的探测分析装置主体结构包括数据采集装置和主机，数据采集装置中安装设置有相互电信息连接的数据采集单元和数据传输单元，主机中安装设置有相互电信息连接的通信单元、ZigBee数据分析单元、拓扑结构绘制单元、MAC帧头绘制单元、NWK帧段绘制单元和帧视图保存单元；数据采集装置放置在ZigBee网络附近100米以内，通过数据采集单元以无线方式收集空中电波，再根据预设程序过滤并筛选出符合ZigBee协议的数据并通过数据传输单元传送给主机；主机中的通信单元接收数据后进行校验和拆分，形成一帧ZigBee数据传输至ZigBee数据分析单元，ZigBee数据分析单元将每帧ZigBee数据进行智能分析，并根据分析结果分别调用拓扑结构绘制单元、MAC帧头绘制单元和NWK帧段绘制单元，以绘制出使用ZigBee网络的设备和设备间通信链路的帧视图，再以文件的形式保存在帧视图保存单元中便于查看分析，实现对ZigBee网络的探测分析。

进一步的，所述各单元的功能作用和原理是：

数据采集单元：是以能探测空中电磁波的芯片为中心载体，内置有预设的过滤筛选程序，用于完成空中电波的收集、过滤和筛选出符合ZigBee网络格式的数据，并传送至数据传输单元中；

数据传输单元：用于将数据采集单元采集传送的符合ZigBee协议的数据传输至运行在主机上的通信单元中；

通信单元：用于将接受的符合ZigBee协议的数据进行校验和拆分，并形成一帧ZigBee数据传输至ZigBee数据分析单元中进行分析；

ZigBee数据分析单元：按照ZigBee协议各层标准将传送来的每帧ZigBee数据进行智能分析，具体包括计算帧类型、计算目的地址模式和源地址模式、计算通信模式、根据帧类型进一步过滤非法数据、将帧数据存入MAC帧数据栈、创建后续单元可用的时间帧头、MAC帧头、计算MAC帧载荷长度、MAC帧载荷段和创建链路质量段，再调用拓扑结构绘制单元及根据帧类型分别调用MAC帧头绘制单元和NWK帧段绘制单元；

拓扑结构绘制单元：获取ZigBee数据分析单元传递的帧数据，计算通讯设备类型、源地址、目的地址和通信源PANID，绘制出通讯设备和通讯设备之间的通信链路；

MAC帧头绘制单元：被ZigBee数据分析单元调用，从帧数据栈中提取MAC帧数据并分别绘制出时间头、MAC头、MAC地址、帧载荷和LQI链路质量；

NWK帧段绘制单元：当帧类型为数据帧时被ZigBee数据分析单元调用，从帧数据栈中提取NWK帧段数据并分别绘制出NWK帧序号、NWK帧控制头帧、NWK地址信息和NWK帧载荷；

帧视图保存单元：用于将拓扑结构绘制单元绘制的设备及之间通信链路图、MAC帧头绘制单元和NWK帧段绘制单元绘制的帧视图以文件形式保存至硬盘上，以便于再次打开进行显示分析。

本发明与现有技术相比，所涉及的探测分析装置与所要探测的ZigBee网络没有直接物理接触，而是通过分析空中电磁波获得其运行状况，并分析出ZigBee网络的各层通信数据及网络结构；该系统设计科学，原理可靠，自动化程度高，运行稳定，操作方便，便于推广应用。

附图说明：

图1为本发明涉及的探测分析装置的结构原理模块示意图。

图2为本发明涉及的探测分析装置的运行流程示意框图。

图3为本发明中涉及的拓扑结构绘制单元的算法流程示意框图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于以下实施方式。

实施例1：

本实施例中涉及的用于ZigBee网络的探测分析装置主体结构包括数据采集装置1和主机2，数据采集装置1中安装设置有相互电信息连接的数据采集单元3和数据传输单元4，主机2中安装设置有相互电信息连接的通信单元5、ZigBee数据分析单元6、拓扑结构绘制单元7、MAC帧头绘制单元8、NWK帧段绘制单元9和帧视图保存单元10；数据采集装置1放置在ZigBee网络附近100米以内，通过数据采集单元3以无线方式收集空中电波，再根据预设程序过滤、筛选出符合ZigBee协议的数据并通过数据传输单元4传送给主机2；主机2中的通信单元5接收数据后进行校验、拆分，形成一帧ZigBee数据传输至ZigBee数据分析单元6，ZigBee数据分析单元6将每帧ZigBee数据进行智能分析，并根据分析结果分别调用拓扑结构绘制单元7、MAC帧头绘制单元8和NWK帧段绘制单元9，以绘制出使用ZigBee网络的设备和设备间通信链路的帧视图，并以文件的形式保存在帧视图保存单元10中便于查看分析，实现对ZigBee网络的探测分析。

本实施例中涉及的各个单元的功能作用和原理为：

数据采集单元3：以可探测空中电磁波的芯片为中心载体，内置有预设的过滤筛选程序，用于完成空中电波的收集、过滤和筛选出符合ZigBee网络格式的数据，并传送至数据传输单元4中；

数据传输单元4：用于将数据采集单元3采集传送的符合ZigBee协议的数据传输至运行在主机2上的通信单元5中；

通信单元5：用于将接受的符合ZigBee协议的数据进行校验、拆分，并形成一帧ZigBee数据传输至ZigBee数据分析单元6中进行分析；

ZigBee数据分析单元6：按照ZigBee协议各层标准将传送来的每帧ZigBee数据进行智能分析，具体包括计算帧类型(信标帧、数据帧、确认帧、命令帧)、计算目的地址模式和源地址模式、计算通信模式(网内、网际)、根据帧类型进一步过滤非法数据、将帧数据存入MAC帧数据栈、创建后续单元可用的时间帧头、MAC帧头、计算MAC帧载荷长度、MAC帧载荷段、创建链路质量段，并调用拓扑结构绘制单元7及根据帧类型分别调用MAC帧头绘制单元8和NWK帧段绘制单元9；

拓扑结构绘制单元7：获取ZigBee数据分析单元6传递的帧数据，计算通讯设备类型(协调器、路由器、终端设备)、源地址、目的地址、通信源PANID，绘制出通讯设备和通讯设备之间的通信链路；

MAC帧头绘制单元8：被ZigBee数据分析单元6调用，从帧数据栈中提取MAC帧数据并分别绘制出时间头、MAC头、MAC地址、帧载荷和LQI链路质量；

NWK帧段绘制单元9：当帧类型为数据帧时被ZigBee数据分析单元6调用，从帧数据栈中提取NWK帧段数据并分别绘制出NWK帧序号、NWK帧控制头帧、NWK地址信息和NWK帧载荷；

帧视图保存单元10：用于将拓扑结构绘制单元7绘制的设备及之间通信链路图、MAC帧头绘制单元8和NWK帧段绘制单元9绘制的帧视图以文件形式保存至硬盘上，以便于再次打开进行显示分析，例如通过分析命令帧、确认帧的数据情况实现对设备错误的定位和网络运行效率分析等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此；任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种用于ZigBee网络的探测分析装置，其特征在于主体结构包括数据采集装置和主机，数据采集装置中安装设置有相互电信息连接的数据采集单元和数据传输单元，主机中安装设置有相互电信息连接的通信单元、ZigBee数据分析单元、拓扑结构绘制单元、MAC帧头绘制单元、NWK帧段绘制单元和帧视图保存单元；数据采集装置放置在ZigBee网络附近100米以内，通过数据采集单元以无线方式收集空中电波，再根据预设程序过滤并筛选出符合ZigBee协议的数据并通过数据传输单元传送给主机；主机中的通信单元接收数据后进行校验和拆分，形成一帧ZigBee数据传输至ZigBee数据分析单元，ZigBee数据分析单元将每帧ZigBee数据进行智能分析，并根据分析结果分别调用拓扑结构绘制单元、MAC帧头绘制单元和NWK帧段绘制单元，以绘制出使用ZigBee网络的设备和设备间通信链路的帧视图，再以文件的形式保存在帧视图保存单元中便于查看分析，实现对ZigBee网络的探测分析。

2.根据权利要求1所述的用于ZigBee网络的探测分析装置，其特征在于各单元的功能作用和原理是：

数据采集单元：是以能探测空中电磁波的芯片为中心载体，内置有预设的过滤筛选程序，用于完成空中电波的收集、过滤和筛选出符合ZigBee网络格式的数据，并传送至数据传输单元中；

数据传输单元：用于将数据采集单元采集传送的符合ZigBee协议的数据传输至运行在主机上的通信单元中；

通信单元：用于将接受的符合ZigBee协议的数据进行校验和拆分，并形成一帧ZigBee数据传输至ZigBee数据分析单元中进行分析；

ZigBee数据分析单元：按照ZigBee协议各层标准将传送来的每帧ZigBee数据进行智能分析，具体包括计算帧类型、计算目的地址模式和源地址模式、计算通信模式、根据帧类型进一步过滤非法数据、将帧数据存入MAC帧数据栈、创建后续单元可用的时间帧头、MAC帧头、计算MAC帧载荷长度、MAC帧载荷段和创建链路质量段，再调用拓扑结构绘制单元及根据帧类型分别调用MAC帧头绘制单元和NWK帧段绘制单元；

拓扑结构绘制单元：获取ZigBee数据分析单元传递的帧数据，计算通讯设备类型、源地址、目的地址和通信源PANID，绘制出通讯设备和通讯设备之间的通信链路；

MAC帧头绘制单元：被ZigBee数据分析单元调用，从帧数据栈中提取MAC帧数据并分别绘制出时间头、MAC头、MAC地址、帧载荷和LQI链路质量；

NWK帧段绘制单元：当帧类型为数据帧时被ZigBee数据分析单元调用，从帧数据栈中提取NWK帧段数据并分别绘制出NWK帧序号、NWK帧控制头帧、NWK地址信息和NWK帧载荷；

帧视图保存单元：用于将拓扑结构绘制单元绘制的设备及之间通信链路图、MAC帧头绘制单元和NWK帧段绘制单元绘制的帧视图以文件形式保存至硬盘上，以便于再次打开进行显示分析。