CN109548012B - 一种基于多技术体制无线户域网的构建方法 - Google Patents

一种基于多技术体制无线户域网的构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，归属物联网（感知）技术范畴。通过将ZigBee、LoRa、BLE蓝牙等无线网络技术融合于统一的JIN层（JIN协调器），结合双频点落差归组机制和四色隔离机制将四种无线（ZigBee、LoRa、BLE蓝牙、WiFi）信道相互隔离；并以城市居家（户）为单位，建立一个微型网络（户域网），将居家所有的感知物件信息收集、整合、传输至“云”端，做到“物”+“云”+“人”三者信息互动，解决了众多传感器在不同距离（BLE/短、ZigBee/中、LoRa/长）条件下的数据如何整合、如何传输、如何保障信息安全的问题。

Description

一种基于多技术体制无线户域网的构建方法
技术领域
本发明涉及物联网络通信技术领域，具体来说，涉及一种基于多技术体制无线户域网的构建方法。
背景技术
当今物联网技术异常活跃，因为物联网技术是未来人类社会活动中的热点。目前该领域基本采用的基本技术是：
1、传统的433M无线通信技术，该技术属于“点对点”通信，协议简单、可靠性差，远远不能适应当今品种繁多传感器的采集信息的需要；
2、先进的ZigBee、LoRa、BLE蓝牙无线通信技术，该技术属于“一点对多点”通信，可组成网络架构，可靠性高、通信速度快，是当前物联网主流技术；
3、目前物联网的末梢传感器联接现状，基本上采用上述先进的无线通信技术。但是，普遍呈现“单打一”情况，既：ZigBee网关；LoRa网关；BLE网关，三者无关联。
4、目前物联网的传感器衔接，普遍没有安全机制保障，传感器设备的合法性、信息传输的安全性均无保证。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种基于多技术体制无线“户域网”的构建方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，包括以下步骤：
步骤1：构建基于多技术体制无线户域网，所述基于多技术体制无线户域网包括多技术体制下的传感器终端、JNI层、以及分别与JNI层采用CJP通信协议交互ZigBee协调器、LoRa协调器、BLE协调器组成的网络；
所述CJP通信协议用于将ZigBee通信协议、LoRa通信协议、BLE蓝牙通信协议归结到所述JNI层；
步骤2：将所述基于多技术体制无线户域网中ZigBee无线通道和BLE蓝牙无线通道采用双频点落差归组机制划分，所述双频点落差归组机制用于避免ZigBee通信频段信号与BLE蓝牙通信频段无线信号相互干扰；
所述双频点落差归组机制包括：将频点范围为2400-2483.5MHz的ZigBee的通道无线频率划分为频宽相同的16个CH，同时按照频率高低将所述16个CH划分为低频组Low(绿色)、中频组Middle(蓝色)、高频组High(红色)和顶峰组Peak(黄色)四个ZigBee组，且各ZigBee组中CH数量均为四个；
将频点范围为2400-2483MHZ的BLE蓝牙的通道无线频率划分为频宽相同的40个CH；所述40个CH按照频率由低到高依次划分为01组、02组、03组、04组、05组、06组、07组、08组、09组和10组十个BLE蓝牙组；且各BLE蓝牙组中CH数量也均为四个；
将十个BLE蓝牙组对应到四个ZigBee组中，并且各ZigBee组对应的BLE蓝牙组融合机遇为2轮或3轮；
步骤3：将所述基于多技术体制无线户域网中用户采用四色隔离机制进行归类，所述四色隔离机制用于避免多个邻近户域网之间对频点造成信号的相互干扰；
所述四色隔离机制包括：将步骤2中对应完成的四个ZigBee组按照不同颜色在物理立体空间中进行划分；
步骤4：所述基于多技术体制无线户域网通信采用一户一密和一次一密信息安全机制，所述一户一密和一次一密信息安全机制用于保障基于多技术体制无线户域网的通信安全；
所述一户一密包括：由JNI层统一对每个户域配发一个密匙KEY-x；其中对于ZigBee、LoRa、BLE蓝牙终端配发的密匙KEY-x相同；
所述一次一密包括：对基于多技术体制无线户域网中的网关设备断电重启后，由JNI层重新配发新的密匙KEY-y。
进一步的，步骤S1中，所述ZigBee协调器与外部ZigBee终端采用ZigBee通信协议通信；LoRa协调器与外部LoRa终端采用LoRa通信协议通信；BLE协调器与外部BLE终端采用BLE通信协议通信。
进一步的，步骤S1中，所述CJP通信协议中CJP帧架构由CJP帧头、CJP数据域和CJP校验三部分组成，所述CJP校验码采用CRC多项式，校验内容为CJP帧头和CJP数据域净荷。
进一步的，步骤S1中，所述CJP帧头依次包括：
异步事件标识符：用于表示JNI层与Linux应用层的事件标识，达到异步事件的正常管理；
CJP事务标识符：用于唯一标识应用层客户端请求与服务端响应的匹配；取值范围是0xa001到0xffff；
协调器类型：其中，Z表示Zigbee设备、L表示LoRa设备、B表示BLE设备；
帧类型：其中，0表示JNI与终端数据通信；1表示JNI与协调器数据通信；
YCL：用于表示参与本次通讯的业务属性以及设备的绝对地址；
EndPoint：用于表示设备的端口号；
Profile ID：用于表示应用层Profile标识符；
Cluster ID：用于表示应用层功能簇的标识符；
命令ID：其中，帧类型＝A代表终端与JNI的通信数据；帧类型＝F表示JNI与协调器之间的通信。
进一步的，步骤S2中，还包括LoRa通信无线频谱采用无线资源管理委员会规定的工业仪表测试应用470-510Mhz频段；并且，WiFi的通道采用IEEE-802.3系列协议，WiFi的网络链接采用侦测+密码认证方式。
进一步的，步骤S2中，所述ZigBee的通道无线频率划分的16个CH的频道宽度和所述BLE蓝牙的通道无线频率划分的40个CH的频道宽度均为2Mhz。
进一步的，步骤S3中，所述物理立体空间为存储在多技术体制无线户域网中的云端服务器中的现场模型。
进一步的，步骤S4中，一户一密和一次一密信息安全机制中数据加密采用“AES”对称算法，该对称算法的密钥保护采用RSA非对称算法。
本发明的有益效果：通过将ZigBee、LoRa、BLE蓝牙等无线网络技术融合于统一的JIN层(JIN协调器)，结合双频点落差归组机制和四色隔离机制将两种无线(ZigBee、BLE蓝牙)信道的相互隔离；并以城市居家(户)为单位，建立一个微型网络(户域网)，将居家所有的感知物件信息收集、整合、传输至“云”端，做到“物”+“云”+“人”三者信息互动，解决了众多传感器在不同距离(BLE/短、ZigBee/中、LoRa/长)条件下的数据如何整合、如何传输、如何保障信息安全的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明一种基于多技术体制无线户域网的构建方法中现有多技术体制无线网关示意图；
图2是根据本发明一种基于多技术体制无线户域网的构建方法中多技术体制无线网关融合协议CJP示意图；
图3是根据本发明一种基于多技术体制无线户域网的构建方法中多技术体制无线网关ZigBee&BLE频点落差归组图；
图4是根据本发明一种基于多技术体制无线户域网的构建方法中四色隔离归类工程化示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，根据本发明实施例的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，包括以下步骤：
步骤1：构建基于多技术体制无线户域网，所述基于多技术体制无线户域网包括JNI层、以及分别与JNI层采用CJP通信协议交互ZigBee协调器、LoRa协调器、BLE协调器组成的网络；
所述CJP通信协议用于将ZigBee通信协议、LoRa通信协议、BLE蓝牙通信协议归结到所述JNI层；
本实施例中，本发明将ZigBee、LoRa、BLE蓝牙三种无线技术融合在一起，利用三束无线电磁波组成一个混合个域网(户域网)，将WiFi无线技术作为广域网通道(或RJ45)联接到“云”端。解决“户域网”内“短”距离(BLE)/“中”距离(ZigBee)/“长”距离(LoRa)不等空间的感知物体有效联接问题；据此，如图1所示，设计出一种多技术体制无线网关设备，制定一种C J P(Coordinator---协调器JNI Protocol---协议)不同通信协议的融合机制；通过该机制将ZigBee、LoRa、BLE不同协议归结到JNI层，以一种新的封装帧(CJP)协议出现在协调器(N种)与JNI(唯一)之间；
如图2所示，ZigBee、LoRa、BLE蓝牙三种无线技术融合在一起，实际就是通过CJP定义规则将三种协议(ZigBee通信协议、LoRa通信协议、BLE蓝牙通信协议)融合，通过JNI发送机制到“云”；
本实施例中，CJP既是本发明在不同协调器与JNI之间制定的协议规范。数据的交互离不开各层协议的支撑，没有协议就没有规范，协议是各个层次能够有条不紊交互传输的前提。CJP是一种分布式处理系统架构，形成一个中心(JIN)多个协调器(ZigBee、LoRa、BLE)协议，完成多技术体制无线户域网的搭建。CJP帧架构由帧头、数据、校验三部分组成，该架构长度在26—246字节(B)之间，校验码采用CRC多项式，校验内容为帧头和数据域净荷；CJP帧架构如表1所示：
表1：CJP帧架构
Figure BDA0001834639760000051
终端与协调器通信协议则根据无线终端通信类型有所不同，按照各自的无线通信协议进行通信，如Zigbee设备按照Zigbee通信协议，LoRa设备按照LoRa通信协议、BLE设备按照BLE通信协议；
不同协调器类型的通信协议经“静态库”固件，归属成统一的通讯协议即CJP通信协议。协议“静态库”固件将三种物理应用中的相同部分实现合并同类项，将分离出的不同部分，进行高度的内聚分析，定位新的属性。例如，三种协议各自有端口，在协议转成CJP时，可用一个端口号代替。
JNI实现CJP协议封装成Jason格式，通过MQTT协议传送到“云”；通过JNI模块处理，其目的是为了整个系统降低耦合。和“云”上所有业务交互都是通过JNI处理，而与各个协调器无关；如表2描述了CJP协议帧头部分说明所示：
表2：CJP协议帧头部分说明
Figure BDA0001834639760000061
步骤2：将所述基于多技术体制无线户域网中ZigBee无线通道和BLE蓝牙无线通道采用双频点落差归组机制划分，所述双频点落差归组机制用于避免ZigBee通信频段信号与BLE蓝牙通信频段无线信号相互干扰；
本实施例中，在非可视环境下，“户域网”一般技术支持空间在300M2范围以下；在如此小范围开放四种无线覆盖，特别是在智慧家居应用中，各住户之间的左邻右舍、楼上楼下距离很近；需要将ZigBee、LoRa、BLE蓝牙等技术体制下的通道(CH)合理布局，信息不相互干扰、做到各行其道。
在四种无线技术体制中，LoRa技术的无线频谱采用我国无线资源管理委员会规定的工业仪表测试应用470-510Mhz频段，该频段为专用频段；WiFi的网络链接全部设计为侦测+密码认证方式，该网络的通道布局由IEEE-802.3系列协议解决；
所述双频点(ZigBee、BLE)落差归组机制包括：如图3所示，将频点范围为2400-2483.5MHz的ZigBee的通道无线频率划分为频宽相同的16个CH，同时按照频率大小将所述16个CH划分为低频组Low(绿色)、中频组Middle(蓝色)、高频组High(红色)和顶峰组Peak(黄色)四个ZigBee组，且各ZigBee组中CH数量均为四个；
将频点范围为2400-2483MHZ的BLE蓝牙的通道无线频率划分为频宽相同的40个CH；所述40个CH按照频率由小到大依次划分为01组、02组、03组、04组、05组、06组、07组、08组、09组和10组十个BLE蓝牙组；且各BLE蓝牙组中CH数量也均为四个；
步骤S2中，所述ZigBee的通道无线频率划分的16个CH的频道宽度和所述BLE蓝牙的通道无线频率划分的40个CH的频道宽度均为2Mhz；
其中，ZigBee的通道无线频率划分为频宽相同的16个CH；以及BLE蓝牙的通道无线频率划分为频宽相同的40个CH，具体的划分详情见表3。
表3：ZigBee、BLE无线通道以及中心频点划分详情
Figure BDA0001834639760000071
Figure BDA0001834639760000081
如表4所示，将十个BLE蓝牙组对应融合到四个ZigBee组中，并且各ZigBee组对应的BLE蓝牙组融合机遇为2轮(Low组、Middle组)或3轮(High组、Peak组)如表4中“菱形方框”
Figure BDA0001834639760000082
所示；
表4：双频点落差归组机制分组方式
Figure BDA0001834639760000083
Figure BDA0001834639760000091
由表4可以看出，ZigBee的Peak组和High组与BLE蓝牙有三次落差归组融合，而Low组和Middle组与蓝牙仅有二次落差归组融合。如此设计偏向ZigBee的高频端，是由于该端的出镜率高于低频端。
本实施例中，将ZigBee的16个CH和BLE蓝牙的40个CH，共计56个通道(CH)双频点落差归组；可设计出40个组别(GU)，如表5所示：
表5：双频点落差归组机制40个组别分组情况
Figure BDA0001834639760000101
Figure BDA0001834639760000111
由表5可知，从40个GU中可以看出，每个GU中的ZigBee和BLE蓝牙的中心频点的隔离最小值≥9Mhz(GU＝13)，做到每个GU的无线CH的不会干扰。
步骤3：将所述基于多技术体制无线户域网中用户采用四色隔离机制进行归类，所述四色隔离机制用于避免多个邻近户域网之间对频点造成信号的相互干扰。
所述四色隔离机制包括：将步骤2中对应完成的四个ZigBee组按照不同颜色在物理立体空间中进行划分；
本实施例中，当微型小区(例如住户)紧密相连、数量众多，而每个小区内又同时支撑四种无线信号覆盖复杂情况，为使某对频点与另一对频点不产生干扰，采用四色隔离机制，根据预先拟定的现场模型，由图1中云端服务器根据地图四色隔离原理，结合步骤2双频点落差归组机制的基础上，通过物理立体空间四色隔离，实现ZigBee和BLE蓝牙的56个CH在四色范围内任意使用；
本实施例中，将所述双频点落差归组机制和四色隔离机制结合预先拟定的现场模型，推理成CH现场实际落户使用，形成“APP”现场配置软件，该软件发送到安装人员的手机，由安装人员操作落实该算法机制的实现；如图4所示：绿颜色代表低频组(Low)；红颜色代表中频组(Middle)；蓝颜色代表高频组(High)；黄颜色代表特高频组(Peak)；例如工程安装人员到了1号楼4单元的0406住户，工程人员按下0406门牌号，该户域网的无线频点既是H组，该组包含GU；01—04、GU:21—24、GU:33—36等12双频点可以选择使用。
步骤4：所述基于多技术体制无线户域网通信采用一户一密和一次一密信息安全机制，所述一户一密和一次一密信息安全机制用于保障基于多技术体制无线户域网的通信安全；
本实施例中，构建一种多技术体制的无线户域网，其信息的安全十分重要；一是无线空间信号在一个微型的区域，邻居全可以收到，二是通信协议全为公共开放协议，信息的解析十分容易；
所述一户一密包括：由JNI层统一对每个户域配发一个密匙KEY-x；其中对于ZigBee、LoRa、BLE蓝牙配发的密匙KEY-x相同；而对于有多少个户域网，则配发多少个密匙KEY-x，而且确保密匙KEY-x的唯一性。
所述一次一密包括：对基于多技术体制无线户域网中的网关设备断电重启后，由JNI层重新配发新的密匙KEY-y。
本实施例中，具体的，如图1所示，户域网的终端与多技术体制无线网关设备的空间通信，其数据加密采用“AES”对称算法；多技术体制无线网关设备断电重起时，该设备会重新配发一个新的密匙KEY-y，该密钥与旧密钥无关；为了确保密匙KEY的安全，在户域网的终端与多技术体制无线网关设备的空间通信采用RSA非对称算法。
由此可见，借助于本发明的上述技术方案，通过将ZigBee、LoRa、BLE蓝牙等无线网络技术融合于统一的JNI层(JNI协调器)，并以城市居家(户)为单位，建立一个微型网络(户域网)，将居家所有的感知物件信息收集、整合、传输至“云”端，做到“物”+“云”+“人”三者信息互动，解决了众多传感器在不同距离(BLE/短、ZigBee/中、LoRa/长)条件下的数据如何整合、如何传输、如何保障信息安全的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建基于多技术体制无线户域网，所述基于多技术体制无线户域网包括JNI层、以及分别与JNI层采用CJP通信协议交互的ZigBee协调器、LoRa协调器和BLE协调器组成的网络；所述CJP通信协议用于将ZigBee通信协议、LoRa通信协议和BLE蓝牙通信协议归结到所述JNI层；
步骤2：将所述基于多技术体制无线户域网中ZigBee无线通道和 BLE蓝牙无线通道采用双频点落差归组机制划分，所述双频点落差归组机制用于避免ZigBee通信频段信号与BLE蓝牙通信频段无线信号相互干扰；所述双频点落差归组机制包括：将频点范围为2400-2483.5MHz的ZigBee的通道无线频率划分为频宽相同的16个CH，同时按照频率高低将所述16个CH划分为低频组Low、中频组Middle、高频组High和顶峰组Peak 四个ZigBee组， 所述四个ZigBee组分别用绿色、蓝色、红色和黄色表示，且各ZigBee组中CH数量均为四个；将频点范围为2400-2483MHz的BLE蓝牙的通道无线频率划分为频宽相同的40个CH；所述40个CH按照频率由低到高依次划分为01组、02组、03组、04组、05组、06组、07组、08组、09组和10组十个BLE蓝牙组；且各BLE蓝牙组中CH数量也均为四个；将十个BLE蓝牙组对应到四个ZigBee组中，并且各ZigBee组对应的BLE蓝牙组融合机遇为2轮或3轮；所述融合机遇包括ZigBee的Peak组和High组与BLE蓝牙有3次落差归组融合，而Low组和Middle组与蓝牙仅有2次落差归组融合；
步骤3：将所述基于多技术体制无线户域网中用户采用四色隔离机制进行分布，所述四色隔离机制用于避免多个邻近户域网之间对频点造成信号相互干扰；所述四色隔离机制包括：将步骤2中对应完成的四个ZigBee组按照不同颜色绿、蓝、红和黄在物理立体空间中进行划分；
步骤4：所述基于多技术体制无线户域网通信采用一户一密和一次一密信息安全机制，所述一户一密和一次一密信息安全机制用于保障基于多技术体制无线户域网的通信安全；所述一户一密包括：由JNI层统一对每个户域配发一个密匙KEY-x；其中对于本户的ZigBee、LoRa和BLE蓝牙终端配发的密匙KEY-x相同；所述一次一密包括：对基于多技术体制无线户域网中的网关设备断电重启后，由JNI层重新配发新的密匙KEY-y。
2.根据权利要求1所述的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，步骤1中，所述ZigBee协调器与外部ZigBee终端采用ZigBee通信协议通信；LoRa协调器与外部LoRa终端采用LoRa通信协议通信；BLE协调器与外部BLE终端采用BLE通信协议通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，步骤1中，所述CJP通信协议中CJP帧架构由CJP帧头、CJP数据域和CJP校验码三部分组成，所述CJP校验码采用CRC多项式，校验内容为CJP帧头和CJP数据域净荷。
4.根据权利要求3所述的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，步骤1中，所述CJP帧头依次包括：异步事件标识符：用于表示JNI层与Linux应用层的事件标识，达到异步事件的正常管理；CJP事务标识符：用于唯一标识应用层客户端请求与服务端响应的匹配；取值范围是0xa001到0xffff；
协调器类型：其中，Z表示Zigbee设备、L表示LoRa设备、以及B表示BLE设备；
帧类型：其中，0表示JNI与终端数据通信；1表示JNI与协调器数据通信；
YCL：用于表示参与本次通讯的业务属性及设备的绝对地址；
EndPoint：用于表示设备的端口号；
Profile ID：用于表示应用层Profile标识符；
Cluster ID：用于表示应用层功能簇的标识符；
命令ID：其中，A代表终端与JNI的通信数据； F 代表JNI与协调器之间的通信。
5.根据权利要求1所述的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，步骤2中，还包括LoRa通信无线频谱采用无线资源管理委员会规定的工业仪表测试应用470-510MHz频段；并且，WiFi的通道采用IEEE-802.3系列协议，WiFi的网络链接采用侦测+密码认证方式。
6.根据权利要求1所述的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，步骤2中，所述ZigBee的通道无线频率划分的16个CH的频道宽度和所述BLE蓝牙的通道无线频率划分的40个CH的频道宽度均为2MHz。
7.根据权利要求1所述的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，步骤3中，所述物理立体空间为存储在多技术体制无线户域网中的云端服务器中的现场模型。
8.根据权利要求1所述的一种基于多技术体制无线户域网的构建方法，其特征在于，步骤4中，一户一密和一次一密信息安全机制中数据加密采用AES对称算法，该对称算法的密钥保护采用RSA非对称算法。
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