CN110912619A - 一种ZigBee到WiFi的跨协议通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无线通信技术领域，提供了一种ZigBee到WiFi的跨协议通信方法。首先ZigBee节点根据设计的编码方式对待发送的数据包进行解析并发送。同时，WiFi设备通过扫描频段并计算相应的能量值，通过贝塞尔曲线化后，在ZigBee发射信道两端点处计算相应的斜率值，在左端斜率大于预设阈值，并且右端斜率小于预设阈值的情况下，判断该能量值属于ZigBee包。接着，WiFi设备再通过解码函数根据解码窗口大小确定整个ZigBee包的能量平均值，并通过所述编码方式的反向映射得到传递的“0‑1”符号序列，实现了ZigBee到WiFi的数据传输。本发明实现了ZigBee到WiFi通信并增加了有效的吞吐量。

Description

一种ZigBee到WiFi的跨协议通信方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种ZigBee到WiFi的跨协议通信方法。

背景技术

目前像WiFi、Bluetooth和ZigBee这些无线网络技术发展迅速，智能家居等智慧生态的解决方案也在不断变化和升级。但是这三种网络都是存在于相同的网络频段，即2.4GHz。而且它们采用不同的通信技术，各有自己的优缺点。在许多场景下，这些异构设备会相互竞争信道资源，并且容易受到对方的干扰。为了能够实现这些设备的信息交换，早期的工作主要是通过构建具有多种协议功能的网关。但是这种方式具有流量瓶颈和建造维护费用高的缺点。因此跨协议通信应运而生，它可以在不增加任何额外的硬件条件下，实现异构设备之间的直接通信。

目前关于跨协议通信的研究主要集中在数据包层、物理层和符号层方面。其中数据包层方面是目前大部分工作的着重点，首先是因为这个方面的方法易于实现。比如Esense和HoWiEs方法通过调制WiFi包的长度来构建相应的可识别符号。而B2W2则通过控制蓝牙包的能量实现从蓝牙到WiFi端的信息传递。其次基于数据包层的方法也同样容易设计出比较通用的方法应用于不同的无线设备之间的传输。像FreeBee这样的方法通过调制数据包的发送时刻来构建特殊的能量模式，能够适用于WiFi、ZigBee和Bluetooth之间的通信。但是基于数据包层的方法由于受到包数量和能量方面的限制，无法实现较高的吞吐率。

符号层方面，SymBee工作通过调制ZigBee包的负载部分，可以达到较高的吞吐率。

物理层方面，则是利用了更加细粒度的物理层信息。和数据包层方法相比，虽然显得实现难度增加，但是可以实现极高的吞吐率。比如WEBee和BlueBee，能够达到相对应的数据包层方法的10000倍以上。而且由于利用原有的信号，所以具有较强的抗干扰性。

目前，已经存在的实现ZigBee到WiFi通信的技术中，FreeBee和TCTC利用传输时间进行调制实现数据从ZigBee到WiFi端的传输，但是吞吐率较低；ZigFi则需要一个额外的WiFi用来接收被ZigBee影响的WiFi的CSI信号；SymBee是目前拥有最高吞吐率的设计方案，但是和其他方案不同的是，其涉及更加底层方面的东西，主要涉及信号的调制方面。本发明则设计了一种新的并且足够简单的方法实现了ZigBee到WiFi的跨协议通信。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种ZigBee到WiFi的跨协议通信方法，用于解决ZigBee到WiFi跨协议通信中吞吐率低的问题。

本发明的技术方案：

一种ZigBee到WiFi的跨协议通信方法，步骤如下：

(1)ZigBee节点根据设计的编码方式对待发送的数据包进行解析并发送；

设计的编码方式：取ZigBee节点发送功率的能量等级，包括最低能量等级、中等能量等级、最高能量等级，分别用L、M、H表示；若待发送的符号为“1”，ZigBee节点对连续的四个数据包调整发送的能量等级为[M，H，H，M]；若待发送的符号为“0”，ZigBee节点对连续的四个数据包调整发送能量等级为[M，L，L，M]；对于连续的符号，比如“01”，能量等级序列为：[M，L，L，M，H，H，M]；

(2)WiFi设备通过扫描频段并计算相应的能量值，识别出ZigBee数据包并得到其能量值，再通过解码函数对得到的ZigBee数据包能量等级序列进行解析，得到最终传递的“0-1”符号序列值；其中，所述的WiFi扫描频段应覆盖ZigBee发射信道；

所述的编码方式中，每个符号“1”或“0”由4个数据包构成，相邻两个符号共用一个中等能量数据包；在的一个符号窗口中，如果某个数据包受到噪声的干扰或数据包丢失，根据符号窗口的其他数据包进行推断，还原被干扰或者丢失的数据包；

所述的WiFi设备应提供内建的频段扫描功能；

所述的计算相应的能量值的公式如下：

其中，nf表示本底噪声，RSSI是无线接收信号强度指示，在控制链0上计算得出，b(i)表示一个FFT的大小；

所述的识别ZigBee数据包的方法，具体为：

WiFi设备计算能量值后，由于WiFi有56个子载波，因此某个时刻得到56个离散的能量值；利用贝塞尔曲线对呈现锯齿状的数据进行光滑化；其中贝塞尔曲线计算公式为：

其中，P_i表示第i个点，k表示阶数，n表示点的个数，t的取值范围为[0,1]；

数据光滑之后，在ZigBee发射信道两端点处计算相应的斜率值，若左端的斜率大于预设阈值，并且右端的斜率小于预设阈值，所述的56个能量值属于所述ZigBee数据包的一部分；并根据解码窗口大小确定所述ZigBee数据包的能量平均值；

所述的解码函数采用预先经过采样处理得到的解码窗口大小确定ZigBee数据包的能量平均值，并通过编码方式的反向映射得到传递的符号序列。

本发明的有益效果：本发明提出了一种利用RSS实现ZigBee到WiFi的跨协议通信方法。ZigBee节点通过改变发射数据包的能量等级实现符号“0”或“1”的嵌入。WiFi设备扫描频段并计算RSS值，并从中识别ZigBee数据包的能量值，得到ZigBee数据包的能量序列。最后通过解码函数得到传递的“0-1”序列。由于通过比较少的数据包实现符号的传递，因此可以实现较高的吞吐率。

附图说明

图1为本发明实施例的ZigBee到WiFi跨协议通信方法流程图；

图2为本发明实施例的ZigBee节点编码方式示意图；

图3为本发明实施例的WiFi设备扫描频段能量结果示意图；

图4为本发明实施例的识别ZigBee数据包算法示意图；

图5为本发明实施例的识别ZigBee数据包算法结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、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，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例的ZigBee到WiFi跨协议通信方法流程图。如图1所示，本发明实施例提供了这一种ZigBee设备到WiFi设备的跨协议通信方法，包括：

步骤101，预先训练得到解码窗口大小，高中低能量阈值待用；

步骤102，发送端ZigBee节点根据编码方式设置发送数据包的能量值；

步骤103，接收端WiFi设备扫描指定频段，同时计算频段能量值，通过识别函数得到ZigBee包能量平均值，并通过解码函数对ZigBee数据包能量序列进行解码，得到传递的符号“0-1”序列。

在本发明实施例中，首先，由于环境噪声和发送端与接收端之间距离的影响，WiFi接收端接收到的ZigBee发送数据包能量大小会发生变化。另外，设置不同采样率，在进行解析的时候解码窗口的大小也会发生变化，所以需要通过步骤101进行预先的训练，得到解码窗口、高能量阈值、中能量阈值以及低能量阈值4个参数。

训练完成后，ZigBee发送端按照如图2所示的编码方式对发送的数据包能量进行调制编码。为了能够增加跨协议通信的可靠性，不能只是简单的用高能量数据包表示符号“1”，低能量数据包表示符号“0”。显然，这种编码方式容易受到环境噪声的干扰，造成很高的误码率。因此，本发明实施例设计了如图2所示的的编码方式。在图2所示的编码方式中，每个符号“1”或者“0”由4个数据包构成，相邻两个符号共用一个中等能量数据包。即使在一个符号窗口中，某个数据包受到噪声的干扰或者数据包丢失，也可以根据符号窗口内的其他的数据包进行推断，还原被干扰或者丢失的数据包。以图2所示的点P2丢失或未识别出为例，如果P2点丢失或未识别出，根据点P1和P3，可以推断出该点P2的能量值为H，因为剩余点[P1，P3，P4]构成形状与点[P1，P2，P3，P4]构成形状相似。若点P2值为L，点P1与点P3之间必然需要存在某个点为M，但在一个符号窗口中，只有两端的点的值为M；若点P2的值为M，由于上一个点P1为M，根据设计的编码方式，中等能量值之后只能向高能量值或者低能量值变化。所以点P2的值只能时H。同理可证得点P3，P5。若点P4丢失或识别不出，根据点P3和点P5，点P4的值必为M。因此该编码方法比简单的以高能量值为“1”，低能量值为“0”的方法具有更高的可靠性。

进一步地，具体实施时，取ZigBee节点发送功率的能量等级：最低能量等级、中等能量等级、最高能量等级，分别用L、M、H表示。若待发送的符号为“1”，所述ZigBee节点对连续的四个数据包调整发送的能量等级为：[M，H，H，M]；若待发送的符号为“0”，所述ZigBee节点对连续的四个数据包调整发送能量等级为：[M，L，L，M]。对于连续的符号，比如“01”，根据所述的编码方式可以得到能量等级序列为：[M，L，L，M，H，H，M]。

具体实施时，WiFi设备采用Atheros公司的ath9k网卡，该网卡提供内建的频段扫描功能，可以对指定的频段进行监测扫描并计算RSS值。WiFi扫描指定频段得到的能量示意图如图3所示。根据图3所示，H代表高能量数据包，M代表中能量数据包，L代表低能量数据包。为了能够从这些能量值中识别出H、M、L数据包，本发明实施例设计了一种利用贝塞尔曲线的识别函数来进行识别。图4即为识别函数算法的示意图。

具体为：

所述WiFi设备计算能量之后，由于WiFi有56个子载波，因此某个时刻得到56个离散的能量值。利用贝塞尔曲线对呈现锯齿状的数据进行光滑化。其中贝塞尔曲线公式为：

其中P_i表示第i个点，t的取值范围为[0,1]。

光滑之后，在ZigBee发射信道两端点处计算相应的斜率值。例如取ZigBee发射信道为15信道，15信道的中心频率为2425MHz，按照ZigBee信道的带宽为2MHz，所以取信道左端点为2424MHz，右端点为2426MHz。选取之后，计算这两个端点P1,P2对应贝塞尔曲线处的斜率值S_left,S_right。如果左端的斜率大于预设阈值T_left，并且右端的斜率小于预设阈值T_right，所述的56个能量值属于所述ZigBee包的一部分。统计相邻的时刻是否属于ZigBee包的一部分。若属于，则增加识别长度；若不属于，得到识别的ZigBee包能量长度为Len。并根据在图1步骤101中得到的解码窗口大小DeLen确定所述ZigBee包的能量平均值RSS_mean。即

其中offset为预设偏移值。

图5为识别函数算法结果的示意图。其中图3为识别之前，图5为识别之后。从图5中可以看到识别函数可以过滤掉不属于ZigBee包的能量波形。

在识别某一ZigBee包并得到能量平均值后，将其加入待处理的能量序列List。如果List长度满足预设处理长度要求，即开始处理。每次从List中取出一个未处理的能量值，与在图1步骤101中得到的高中低三种阈值进行比较，将其放入匹配的位置。处理一个符号长度之后，查看其是否和图2所示的编码方式匹配。若满足[M，H，H，M]，则将符号“1”加入结果符号序列SymList中；若满足[M，L，L，M]，则将符号“0”加入SymList中。将待处理能量序列List处理完成后，输出符号序列SymList，从而实现ZigBee到WiFi的跨协议通信。

综上所述：本发明提出了一种利用RSS实现ZigBee到WiFi的跨协议通信方法。ZigBee节点通过改变发射数据包的能量等级实现符号“0”或“1”的嵌入。WiFi设备扫描频段并计算RSS值，并从中识别ZigBee数据包的能量值，得到ZigBee数据包的能量序列。最后通过解码函数得到传递的“0-1”序列。由于通过比较少的数据包实现符号的传递，因此可以实现较高的吞吐率。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种ZigBee到WiFi的跨协议通信方法，其特征在于，步骤如下：

(1)ZigBee节点根据设计的编码方式对待发送的数据包进行解析并发送；

设计的编码方式：取ZigBee节点发送功率的能量等级，包括最低能量等级、中等能量等级、最高能量等级，分别用L、M、H表示；若待发送的符号为“1”，ZigBee节点对连续的四个数据包调整发送的能量等级为[M，H，H，M]；若待发送的符号为“0”，ZigBee节点对连续的四个数据包调整发送能量等级为[M，L，L，M]；

所述的编码方式中，每个符号“1”或“0”由4个数据包构成，相邻两个符号共用一个中等能量数据包；在的一个符号窗口中，如果某个数据包受到噪声的干扰或数据包丢失，根据符号窗口的其他数据包进行推断，还原被干扰或者丢失的数据包；

(2)WiFi设备通过扫描频段并计算相应的能量值，识别出ZigBee数据包并得到其能量值，再通过解码函数对得到的ZigBee数据包能量等级序列进行解析，得到最终传递的“0-1”符号序列值；其中，所述的WiFi扫描频段应覆盖ZigBee发射信道；

所述的WiFi设备应提供内建的频段扫描功能；

所述的计算相应的能量值的公式如下：

其中，nf表示本底噪声，RSSI是无线接收信号强度指示，在控制链0上计算得出，b(i)表示一个FFT的大小；

所述的识别ZigBee数据包的方法，具体为：

WiFi设备计算能量值后，由于WiFi有56个子载波，因此某个时刻得到56个离散的能量值；利用贝塞尔曲线对呈现锯齿状的数据进行光滑化；其中贝塞尔曲线计算公式为：

其中，P_i表示第i个点，k表示阶数，n表示点的个数，t的取值范围为[0,1]；

数据光滑之后，在ZigBee发射信道两端点处计算相应的斜率值，若左端的斜率大于预设阈值，并且右端的斜率小于预设阈值，所述的56个能量值属于所述ZigBee数据包的一部分；并根据解码窗口大小确定所述ZigBee数据包的能量平均值；

所述的解码函数采用预先经过采样处理得到的解码窗口大小确定ZigBee数据包的能量平均值，并通过编码方式的反向映射得到传递的符号序列。

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