CN110582098A - 基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统、方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于数据通信技术领域，具体涉及基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统、方法及装置。所述系统包括：以区块链网络结构互相连接的ZigBee路由器、发射接收终端和ZigBee协调器；所述ZigBee协调器设置于所述区块链网络的中央；所述ZigBee路由器和所述ZigBee协调器分别信号连接；所述发射接收终端分别信号连接于所述Zig路由器；所述发射接收终端包括：数据压缩编解码单元和发射单元；具有数据传输效率高、数据传输误差小的优点。

Description

基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统、方法及装置
技术领域
本发明属于数据通信技术领域，具体涉及基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统、方法及装置。
背景技术
互联网标准化组织IETF也看到了无线传感器网络（或者物联网）的广泛应用前景，也加入到相应的标准化制定中。以前许多标准化组织和研究者认为IP技术过于复杂，不适合低功耗、资源受限的无线传感器网络，因此都是采用非IP技术。在实际应用中，如ZigBee需要接入互联网时需要复杂的应用层网关，也不能实现端到端的数据传输和控制。与此同时，与ZigBee类似的标准还有z-wave、ANT、Enocean等，相互之间不兼容，不利于产业化的发展。IETF和许多研究者发现了存在的这些问题，尤其是Cisco的工程师基于开源的uIP协议实现了轻量级的IPv6协议，证明了IPv6不仅可以运行在低功耗资源受限的设备上，而且，比ZigBee更加简单，彻底改变了大家的偏见，之后基于IPv6的无线传感器网络技术得到了迅速发展。IETF已经完成了核心的标准规范，包括IPv6数据报文和帧头压缩规范6Lowpan、面向低功耗、低速率、链路动态变化的无线网络路由协议RPL、以及面向无线传感器网络应用的应用层标准CoAP，相关的标准规范已经发布。IETF组织成立了IPSO联盟，推动该标准的应用，并发布了一系列白皮书。
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可以实现端到端的通信，无需网关，降低成本；6Lowpan中采用RPL路由协议，路由器可以休眠，也可以采用电池供电，应用范围广，而ZigBee技术路由器不能休眠，应用领域受到限制。6Lowpan标准已经得到大量开源软件实现，最著名的是Contiki、TinyOS系统，已经实现完整的协议栈，全部开源，完全免费，已经在许多产品中得到应用。IPv6/6Lowpan协议将随着无线传感器网络以及物联网的广泛应用，很可能成为该领域的事实标准。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统、方法及装置，具有数据传输效率高、数据传输误差小的优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统，所述系统包括：以区块链网络结构互相连接的ZigBee路由器、发射接收终端和ZigBee协调器；所述ZigBee协调器设置于所述区块链网络的中央；所述ZigBee路由器和所述ZigBee协调器分别信号连接；所述发射接收终端分别信号连接于所述Zig路由器；所述发射接收终端包括：数据压缩编解码单元和发射单元；所述数据压缩编解码单元包括：数据游程长度确定子单元、代码字长度确定子单元、分组子单元、平均码子长度子单元和压缩增益计算子单元；所述数据游程长度确定子单元信号连接于代码字长度确定子单元；所述代码字长度确定子单元信号连接于分组子单元；所述分组子单元信号连接于平均码子长度子单元；所述平均码子长度子单元信号连接于压缩增益计算子单元。
进一步的，所述数据游程长度确定子单元用于进行游程长度确定，其进行游程长度确定的方法包括：根据测试数据中位串的长度分布进行分组，；其中，n由最长的位串长度Lmax确定，每组成员个数由Lt确定，设定Lt为1，则可以得出n和Lmax的关系式为：。
进一步的，所述代码字长度确定字单元进行代码字长度确定的方法包括：根据如下公式，实现游程长度L的字串与代码字长度的的转换：；当Lt为2时，游程长度L的字串与代码字长度之间通过如下公式进行转换：。
进一步的，所述分组子单元根据压缩编码规则确定出第n组中游程长度L的范围为：；同时确定出游程长度为i的字串属于第n组的概率为：。
进一步的，所述平均码字长度子单元用于计算出第n组的代码自长度C=2*n，根据如下公式，计算得出游程编码后的到的平均码字长度为：。
进一步的，所述压缩增益计算子单元，用于采用如下公式，计算压缩编码的压缩增益，。
基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：发射接收终端对数据压缩编码后，将数据进行发送；
步骤2：ZigBee路由器对数据进行路由和中继，传输数据并扩大无线数据传输的范围；
步骤3：ZigBee协调器对网络中的数据进行协调和管理。
进一步的，所述步骤1中，发射接收终端对数据进行压缩编码的方法执行以下步骤：
步骤1：数据游程长度确定子单元确定编码游程长度，将确定好的游程长度进行记录；
步骤2：代码字长度确定子单元根据确定好的游程长度，确定代码字长度；
步骤3：分组子单元根据确定好的游程长度和游程长度，进行分组；
步骤4：平均码子长度子单元根据分组信息，计算出平均码字长度；
步骤5：根据前述步骤计算出的数据，压缩增益计算子单元计算压缩增益。
基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输装置，所述装置为一种非暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：对数据压缩编码后，将数据进行发送代码段；对数据进行路由和中继，传输数据并扩大无线数据传输的范围的代码段；对网络中的数据进行协调和管理的代码段。
本发明的基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统、方法及装置，具有如下有益效果：通过更为高效的压缩编码技术对需要传输的数据进行压缩编码，提升了数据传输的效率。同时，通过ZigBee网络进行数据传输的管理，提升了数据传输过程中的准确性。
附图说明
图1为本发明的基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统的系统结构示意图；
图2为本发明的基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输方法的方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统，所述系统包括：以区块链网络结构互相连接的ZigBee路由器、发射接收终端和ZigBee协调器；所述ZigBee协调器设置于所述区块链网络的中央；所述ZigBee路由器和所述ZigBee协调器分别信号连接；所述发射接收终端分别信号连接于所述Zig路由器；所述发射接收终端包括：数据压缩编解码单元和发射单元；所述数据压缩编解码单元包括：数据游程长度确定子单元、代码字长度确定子单元、分组子单元、平均码子长度子单元和压缩增益计算子单元；所述数据游程长度确定子单元信号连接于代码字长度确定子单元；所述代码字长度确定子单元信号连接于分组子单元；所述分组子单元信号连接于平均码子长度子单元；所述平均码子长度子单元信号连接于压缩增益计算子单元。
具体的，硬件解码电路是测试数据压缩算法中一个不可或缺的组成部分。因为如果采用了测试数据压缩算法，那么在可测性设计中必须要增加一个解码单元来恢复原始的测试数据。这个解码单元必须控制在一定的规模范围内，来减小对功能电路的影响。混合游程算法的构建过程中特别注重考虑了硬件实现的便利性和硬件的开销。
具体的，ZigBee实际上并没有对时分复用GTS技术进行相关的支持，因此我们可以暂不考虑它，而专注于CSMA/CA。ZigBee/IEEE 802.15.4的网络所有节点都工作在同一个信道上，因此如果邻近的节点同时发送数据就有可能发生冲突。为此MAC层采用了CSMA/CA的技术，简单来说，就是节点在发送数据之前先监听信道，如果信道空闲则可以发送数据，否则就要进行随机的退避，即延迟一段随机时间，然后再进行监听，这个退避的时间是指数增长的，但有一个最大值，即如果上一次退避之后再次监听信道忙，则退避时间要增倍，这样做的原因是如果多次监听信道都忙，有可能表明信道上的数据量大，因此让节点等待更多的时间，避免繁忙的监听。通过这种信道接入技术，所有节点竞争共享同一个信道。在MAC层当中还规定了两种信道接入模式，一种是信标（beacon）模式，另一种是非信标模式。信标模式当中规定了一种“超帧”的格式，在超帧的开始发送信标帧，里面含有一些时序以及网络的信息，紧接着是竞争接入时期，在这段时间内各节点以竞争方式接入信道，再后面是非竞争接入时期，节点采用时分复用的方式接入信道，然后是非活跃时期，节点进入休眠状态，等待下一个超帧周期的开始又发送信标帧。而非信标模式则比较灵活，节点均以竞争方式接入信道，不需要周期性的发送信标帧。显然，在信标模式当中由于有了周期性的信标，整个网络的所有节点都能进行同步，但这种同步网络的规模不会很大。实际上，在ZigBee当中用得更多的可能是非信标模式。
实施例2
在上一实施例的基础上，所述数据游程长度确定子单元用于进行游程长度确定，其进行游程长度确定的方法包括：根据测试数据中位串的长度分布进行分组，；其中，n由最长的位串长度Lmax确定，每组成员个数由Lt确定，设定Lt为1，则可以得出n和Lmax的关系式为：。
实施例3
在上一实施例的基础上，所述代码字长度确定字单元进行代码字长度确定的方法包括：根据如下公式，实现游程长度L的字串与代码字长度的的转换：；当Lt为2时，游程长度L的字串与代码字长度之间通过如下公式进行转换：。
实施例4
在上一实施例的基础上，所述分组子单元根据压缩编码规则确定出第n组中游程长度L的范围为：；同时确定出游程长度为i的字串属于第n组的概率为：。
实施例5
在上一实施例的基础上，所述平均码字长度子单元用于计算出第n组的代码自长度C=2*n，根据如下公式，计算得出游程编码后的到的平均码字长度为：。
实施例6
在上一实施例的基础上，所述压缩增益计算子单元，用于采用如下公式，计算压缩编码的压缩增益，。
具体的，数据压缩是指在不丢失有用信息的前提下，缩减数据量以减少存储空间，提高其传输、存储和处理效率，或按照一定的算法对数据进行重新组织，减少数据的冗余和存储的空间的一种技术方法。数据压缩包括有损压缩和无损压缩。
在计算机科学和信息论中，数据压缩或者源编码是按照特定的编码机制用比未经编码少的数据位元（或者其它信息相关的单位）表示信息的过程。例如，如果我们将“compression”编码为“comp”那么这篇文章可以用较少的数据位表示。一种流行的压缩实例是许多计算机都在使用的ZIP文件格式，它不仅仅提供了压缩的功能，而且还作为归档工具（Archiver）使用，能够将许多文件存储到同一个文件中。
实施例7
基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输方法，所述方法执行以下步骤：
步骤1：发射接收终端对数据压缩编码后，将数据进行发送；
步骤2：ZigBee路由器对数据进行路由和中继，传输数据并扩大无线数据传输的范围；
步骤3：ZigBee协调器对网络中的数据进行协调和管理。
具体的，对于任何形式的通信来说，只有当信息的发送方和接受方都能够理解编码机制的时候压缩数据通信才能够工作。例如，只有当接受方知道这篇文章需要用英语字符解释的时候这篇文章才有意义。同样，只有当接受方知道编码方法的时候他才能够理解压缩数据。一些压缩算法利用了这个特性，在压缩过程中对数据进行加密，例如利用密码加密，以保证只有得到授权的一方才能正确地得到数据。
数据压缩能够实现是因为多数现实世界的数据都有统计冗余。例如，字母“e”在英语中比字母“z”更加常用，字母“q”后面是“z”的可能性非常小。无损压缩算法通常利用了统计冗余，这样就能更加简练地、但仍然是完整地表示发送方的数据。
如果允许一定程度的保真度损失，那么还可以实现进一步的压缩。例如，人们看图画或者电视画面的时候可能并不会注意到一些细节并不完善。同样，两个音频录音采样序列可能听起来一样，但实际上并不完全一样。有损压缩算法在带来微小差别的情况下使用较少的位数表示图像、视频或者音频。
由于可以帮助减少如硬盘空间与连接带宽这样的昂贵资源的消耗，所以压缩非常重要，然而压缩需要消耗信息处理资源，这也可能是费用昂贵的。所以数据压缩机制的设计需要在压缩能力、失真度、所需计算资源以及其它需要考虑的不同因素之间进行折衷。
一些机制是可逆的，这样就可以恢复原始的数据，这种机制称为无损数据压缩；另外一些机制为了实现更高的压缩率允许一定程度的数据损失，这种机制称为有损数据压缩。
实施例8
在上一实施例的基础上，所述步骤1中，发射接收终端对数据进行压缩编码的方法执行以下步骤：
步骤1：数据游程长度确定子单元确定编码游程长度，将确定好的游程长度进行记录；
步骤2：代码字长度确定子单元根据确定好的游程长度，确定代码字长度；
步骤3：分组子单元根据确定好的游程长度和游程长度，进行分组；
步骤4：平均码子长度子单元根据分组信息，计算出平均码字长度；
步骤5：根据前述步骤计算出的数据，压缩增益计算子单元计算压缩增益。
实施例9
基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输装置，所述装置为一种非暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：对数据压缩编码后，将数据进行发送代码段；对数据进行路由和中继，传输数据并扩大无线数据传输的范围的代码段；对网络中的数据进行协调和管理的代码段。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输系统，其特征在于，所述系统包括：以区块链网络结构互相连接的ZigBee路由器、发射接收终端和ZigBee协调器；所述ZigBee协调器设置于所述区块链网络的中央；所述ZigBee路由器和所述ZigBee协调器分别信号连接；所述发射接收终端分别信号连接于所述Zig路由器；所述发射接收终端包括：数据压缩编解码单元和发射单元；所述数据压缩编解码单元包括：数据游程长度确定子单元、代码字长度确定子单元、分组子单元、平均码子长度子单元和压缩增益计算子单元；所述数据游程长度确定子单元信号连接于代码字长度确定子单元；所述代码字长度确定子单元信号连接于分组子单元；所述分组子单元信号连接于平均码子长度子单元；所述平均码子长度子单元信号连接于压缩增益计算子单元。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述数据游程长度确定子单元用于进行游程长度确定，其进行游程长度确定的方法包括：根据测试数据中位串的长度分布进行分组，；其中，n由最长的位串长度Lmax确定，每组成员个数由Lt确定，设定Lt为1，则可以得出n和Lmax的关系式为：。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述代码字长度确定字单元进行代码字长度确定的方法包括：根据如下公式，实现游程长度L的字串与代码字长度的的转换：；当Lt为2时，游程长度L的字串与代码字长度之间通过如下公式进行转换：。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述分组子单元根据压缩编码规则确定出第n组中游程长度L的范围为：；同时确定出游程长度为i的字串属于第n组的概率为：。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述平均码字长度子单元用于计算出第n组的代码自长度C=2*n，根据如下公式，计算得出游程编码后的到的平均码字长度为：。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述压缩增益计算子单元，用于采用如下公式，计算压缩编码的压缩增益，。
7.基于权利要求1至6之一所述系统的基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤1：发射接收终端对数据压缩编码后，将数据进行发送；
步骤2：ZigBee路由器对数据进行路由和中继，传输数据并扩大无线数据传输的范围；
步骤3：ZigBee协调器对网络中的数据进行协调和管理。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，发射接收终端对数据进行压缩编码的方法执行以下步骤：
步骤1：数据游程长度确定子单元确定编码游程长度，将确定好的游程长度进行记录；
步骤2：代码字长度确定子单元根据确定好的游程长度，确定代码字长度；
步骤3：分组子单元根据确定好的游程长度和游程长度，进行分组；
步骤4：平均码子长度子单元根据分组信息，计算出平均码字长度；
步骤5：根据前述步骤计算出的数据，压缩增益计算子单元计算压缩增益。
9.基于权利要求7至8之一所述系统的基于ZigBee和数据压缩的数字信息传输装置，其特征在于，所述装置为一种非暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：对数据压缩编码后，将数据进行发送代码段；对数据进行路由和中继，传输数据并扩大无线数据传输的范围的代码段；对网络中的数据进行协调和管理的代码段。
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