CN116667876A - 一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法 - Google Patents

一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法 Download PDF

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CN116667876A CN202310469458.0A CN202310469458A CN116667876A CN 116667876 A CN116667876 A CN 116667876A CN 202310469458 A CN202310469458 A CN 202310469458A CN 116667876 A CN116667876 A CN 116667876A
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Abstract

本发明涉及一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，首先由ZigBee终端对待发送目标数据编码获得由二进制数0或1之一构成的编码数据，并映射构成无线数据传输信号进行发送，然后Lora接收机经对所接收无线数据传输信号关于有效ZigBee数据的识别，进一步通过对应傅里叶频谱图的识别获得对应编码数据，最后Lora接收机按ZigBee终端编码规则，解码识别所获编码数据，获得来自ZigBee终端的目标数据；设计方法在不借助额外网关的情况下，完成ZigBee终端向Lora接收机方向的远距离通信，实现跨技术的高效通信，节约了物联网系统中的硬件成本，提高了物联网数据采集系统的部署速度。

Description

一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法
技术领域
本发明涉及一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，属于跨技术通信技术领域。
背景技术
随着物联网技术的发展和普及，有越来越多的物联网设备需要接入到人类网络当中，而现在我们生活中常用的移动网络主要是2G、3G、4G、5G等移动蜂窝网络，虽然移动蜂窝网络覆盖范围相对较广，但不适合作为物联网设备的接入站点。其次，随着移动智能产品的发展，越来越多的移动智能产品(手机、iPad、移动电脑)需要接入移动蜂窝网络，这对移动蜂窝网络的承载能力提出了很高的挑战。
LPWAN(Low Power Wide Area Network)的出现很好的填补了移动蜂窝网络对物联网设备的不足，其中Lora是近年来应用十分广泛的一种远距离低功耗通信手段，属于LPWAN的一种。Lora因其远距离、低功耗、低成本等优点十分适合作为物联网系统中的通信基站，但在常见的物联网数据采集系统中，经常会涉及到ZigBee，WiFi，BLE等多种协议，多种通信协议的共同使用往往是难以避免的，这就需要添加额外的网关让物联网数据采集系统中的数据经过基站发送到远端，网关的添加既增加了物联网系统的部署成本，也增添了系统的复杂度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，能够在不借助额外网关的情况下，完成ZigBee终端向Lora接收机方向的远距离通信，实现跨技术的高效通信。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，实时执行如下步骤A至步骤D，实现ZigBee终端向Lora接收机方向的实时通信；
步骤A.由ZigBee终端按预设编码规则，针对其对应当前时刻待发送的目标数据进行编码，获得相对应由二进制数0或二进制数1之一构成的编码数据，并基于两个预设规则特殊序列，结合编码数据与预设规则特殊序列之间的预设映射关系，将该编码数据映射至相应预设规则特殊序列，构成ZigBee终端对应当前时刻的无线数据传输信号向Lora接收机进行发送，然后进入步骤B；
步骤B.Lora接收机针对所接收来自ZigBee终端的无线数据传输信号，应用与该无线数据传输信号波形相对应用于识别检测ZigBee信号的识别模板，识别检测该无线数据传输信号中是否存在有效ZigBee数据，是则进入步骤C；否则放弃对该无线数据传输信号的处理；
步骤C.Lora接收机针对该无线数据传输信号进行傅里叶变换，获得相对应的傅里叶频谱图，并获得该傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，若该横坐标频率值位于二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间，则判定该无线数据传输信号对应的编码数据为二进制数0；若该横坐标频率值位于二进制数1所构编码数据对应的预设频率区间，则判定该无线数据传输信号对应的编码数据为二进制数1；进而获得该无线数据传输信号对应的编码数据，然后进入步骤D；
步骤D.Lora接收机按步骤A中的预设编码规则，针对该无线数据传输信号对应的编码数据进行解码，获得相对应的数据，即实现由Lora接收机实时获得来自ZigBee终端的目标数据。
作为本发明的一种优选技术方案：基于实时执行步骤A至步骤D，实现ZigBee终端向Lora接收机方向的实时通信，当Lora接收机接收并检测到来自ZigBee终端发送的前导码后，Lora接收机开始准备接收有效数据，从而获得来自ZigBee终端完整且有效的数据。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，基于两个预设规则特殊序列，结合编码数据与预设规则特殊序列之间的预设映射关系，由ZigBee终端首先应用DSSS扩频技术，将该编码数据映射至相应预设规则特殊序列，从而获得相对应的32位Bit序列，然后采用OQPSK调制方式，针对该32位Bit序列进行调制，获得ZigBee终端对应当前时刻的无线数据传输信号并向Lora接收机进行发送。
作为本发明的一种优选技术方案：基于所获ZigBee终端对应当前时刻的编码数据由二进制数0或二进制数1之一构成，则编码数据经对应32位Bit序列所获得的无线数据传输信号为如下两种复指数信号之一；
ej2πft＝cos(2πft)+jsin(2πft)
e-j2πft＝cos(2πft)-jsin(2πft)
其中，ej2πft为其中一种复指数信号，e-j2πft为另一种复指数信号，f表示无线数据传输信号的载波频率，A和φ分别表示无线数据传输信号对应时间t的振幅和相位，j为复数标识。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤C中，关于二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间、以及二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间，分别按如下方式获得：
针对预设数量分别包含有效ZigBee数据、并按预设编码规则所获以二进制数0构成的各个样本编码数据，分别经映射获得各预设规则特殊序列的样本无线数据传输信号，再进行傅里叶变换获得各样本傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，由其中最小横坐标频率值、最大横坐标频率值分别作为下限值、上限值，构成二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间；
针对预设数量分别包含有效ZigBee数据、并按预设编码规则所获以二进制数1构成的各个样本编码数据，分别经映射获得各预设规则特殊序列的样本无线数据传输信号，再进行傅里叶变换获得各样本傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，由其中最小横坐标频率值、最大横坐标频率值分别作为下限值、上限值，构成二进制数1所构编码数据对应的预设频率区间。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤A中，由ZigBee终端按二进制转换方式，针对其对应当前时刻待发送的目标数据进行编码，获得相对应由二进制数0或二进制数1之一构成的编码数据。
作为本发明的一种优选技术方案：所述两个预设规则特殊序列为[1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0]、以及[1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1]。
本发明所述一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明所设计基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，首先由ZigBee终端对待发送目标数据编码获得由二进制数0或1之一构成的编码数据，并映射构成无线数据传输信号进行发送，然后Lora接收机经对所接收无线数据传输信号关于有效ZigBee数据的识别，进一步通过对应傅里叶频谱图的识别获得对应编码数据，最后Lora接收机按ZigBee终端编码规则，解码识别所获编码数据，获得来自ZigBee终端的目标数据；设计方法在不借助额外网关的情况下，完成ZigBee终端向Lora接收机方向的远距离通信，实现跨技术的高效通信，节约了物联网系统中的硬件成本，提高了物联网数据采集系统的部署速度。
附图说明
图1是本发明设计基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法的示意图；
图2是Lora中线性调频扩频技术CSS的调制示意图；
图3是本发明实施中Lora接收机所获傅里叶频谱图中最大波峰对应横坐标频率值示意；
图4是本发明设计方法通信性能示意图；
图5是本发明设计户外评估示意图；
图6是本发明设计方法与商品Lora的对比示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
ZigBee是基于IEEE802.15.4协议的一种无线通信技术，凭借其低功耗、低成本、组网便捷等优势，ZigBee被大量应用在物联网领域中，例如许多智能家具产品，森林环境监测系统等。
ZigBee通信技术的物理层采用的是OQPSK调制，OQPSK是一种用于无线通信系统的数字调制技术，是正交相移键控(QPSK)的一种变体，它降低了发射信号的峰值平均功率比。OQPSK的工作原理是通过调制载波信号的幅度和相位，将数字数据编码到载波信号上。调制信号包括两部分：同相(I)分量和正交(Q)分量。在OQPSK中，I和Q分量相对于彼此相移90度，使得当一个分量达到其峰值时，另一个分量处于其零处。该方法有助于降低发射信号的峰均功率比。
在解调过程中，接收信号被分成它的I和Q分量，Q分量的相位偏移90度并与I分量相比较。基于这种比较，0或1的二进制值被分配给Q分量。然后对恢复的数字数据进行纠错和解码处理。总之，OQPSK调制和解调涉及通过调制和比较载波信号的I和Q分量的相位来编码和恢复数字数据。数字调制可以分解为以下三个步骤进行描述。首先是符号形成和向量表示--将要传输的信息分组为符号(即码元)，然后将每个符号表示为向量。二是基带调制--将待发送的符号矢量序列转换为连续波复信号。最后，载波调制--将基带连续波信号调制为带通信号。
Lora的全称为Long Range Radio，其最大的特点就是能够在同等功耗下实现远距离通信，在郊区甚至可以达到15KM，其调制方式是基于扩频技术的CSS调制方案。在Lora调制中使用线性调频脉冲可以实现低功耗的长距离高效数据传输。线性调频信号是一种频率随时间线性变化的连续波信号。频率的线性变化导致了占用较宽带宽的扩频信号。在LoRa中，使用多种不同的啁啾信号来表示LoRa中的编码信息，然后使用频移键控(FSK)调制发射这些啁啾，发射信号的频率在上行啁啾和下行啁啾的频率之间交替。
Lora采用线性调频扩频(CSS)技术，在LoRa调制中使用线性调频脉冲可以实现低功耗的长距离高效数据传输。线性调频信号是一种频率随时间线性变化的连续波信号，通过控制扫频的起始频率来表示不同的符号。其中若BW表示通信的带宽，则每传输一个符号都会在[-BW/2，BW/2]频率范围内完成一次完整的扫频，即频率线形增加，当频率增加到上限BW/2时，会从-BW/2处开始继续扫频，CSS调制示意图如图2所示，根据CSS调制规范，我们可以得到t1和t2的数学表达式：
其中，k表示线形扫频的斜率，SF表示Lora中的扩频因子，S则代表要传递的符号，例如当SF＝8时，会产生2SF种不同的符号，则此时S的取值范围为[0～255]，式中的BW则代表通信带宽，finit为线形扫频的起始频率。
在LoRa的解调过程中，首先将接收信号与时域的下行啁啾相乘，然后进行FFT运算，将信号从时域变换到频域。通过FFT得到的结果频谱显示接收信号的频率分量。当解调LoRa信号时，FFT频谱指示在第0位处的峰值，用于解调对应于位'0'的线性调频信号。相反，位'1'的峰值位于FFT箱的中间。峰值位置的这种差异产生于用来表示位'0'和位'1'的上行啁啾的初始频率。
通过上述分析，我们知道了Lora在解调过程中是通过FFT频谱中的峰值位置来解调信号，因此只要能够控制ZigBee的波形，使得ZigBee的波形在FFT频谱中出现峰值即可实现ZigBee到Lora的通信。
因此，本发明设计中通过FFT运算分析了ZigBee的频域信号，发现并选取了两种特殊的Chip序列，通过进一步的实验分析证明了Lora能够解析出这两种特殊的Chip序列，从而说明了Lora能够接收到来自ZigBee的跨技术通信数据。因此本发明设计修改了ZigBee的DSSS机制，令ZigBee支持所提及的特殊Chip序列，最终在物理层上实现ZigBee到Lora的跨技术通信。
即具体本发明所设计一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，实际应用当中，如图1所示，实时执行如下步骤A至步骤D，实现ZigBee终端向Lora接收机方向的实时通信。
步骤A.首先由ZigBee终端按预设编码规则诸如二进制转换方式，针对其对应当前时刻待发送的目标数据进行编码，获得相对应由二进制数0或二进制数1之一构成的编码数据，然后基于两个预设规则特殊序列如下：
[1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0]；[1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1]。
结合编码数据与预设规则特殊序列之间的预设映射关系，由ZigBee终端首先应用DSSS扩频技术，将该编码数据映射至相应预设规则特殊序列，从而获得相对应的32位Bit序列，并采用OQPSK调制方式，针对该32位Bit序列进行调制，即将该编码数据映射至相对应的预设规则特殊序列，构成ZigBee终端对应当前时刻的无线数据传输信号向Lora接收机进行发送，然后进入步骤B。
ZigBee的默认配置使用DSSS将比特长度为四位的ZigBee符号扩展为预定的32位码片伪噪声(PN)序列。虽然PN序列具有抗干扰和噪声的鲁棒性，但它们限制了选择任意芯片进行信号生成的能力。IEEE 802.15.4G标准规定，商品ZigBee无线芯片，如ATMELAT86RF233和ATMEL AT86RF215，可以通过修改DSSS中的扩频因子，实现250kb/s到2000kb/s之间的多功能数据速率。这是通过将芯片配置为以各种扩频因子工作来实现的，这改变了芯片速率并允许每个符号传输更多的比特。
本发明实现了ZigBee的OQPSK调制过程，并观察ZigBee中的每一个符号在FFT频谱图中的表现，通过观察发现ZigBee中的每一个符号的时域信号都不是连续的弦信号，因此在经过FFT运算后，在FFT频谱图上会得到许多无规律的峰值，这使得Lora接收端无法进行解调，从而无法实现ZigBee到Lora的物理层跨技术通信。因此为了能让Lora解调出ZigBee的符号，必须使得ZigBee产生连续的弦信号，本发明提出了两种特殊的Chip序列，分别是[1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0]、[1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1]，将上述第一种序列简称为“1100型Chip序列”或者“1100型Bit序列”，将上述第二种序列简称为“1001型Chip序列”或者“1001型Bit序列”。
各种无线数据传输信号在空中的波形可以利用如下数学式来表达：
Acos(2*π*f*t+φ)，
其中，f表示无线数据传输信号的载波频率，A和φ分别表示无线数据传输信号对应时间t的振幅和相位，根据三角函数计算公式:
cos(α+β)＝cos(α)cos(β)–sin(α)sin(β)，
可以得到：
其中I＝A cos(φ)，Q＝A sin(φ)
(1)1100型特殊Chip序列
根据前面的分析，我们定义了I路信号的数学表达式为：I＝A cos(φ)，Q路信号的数学表达式为：Q＝A sin(φ)。为了便于分析，现在我们令A为单位长度1，φ＝2πft。根据欧拉公式：
eix＝(cos x+isin x)
将I路和Q路信号叠加在一起，我们便得到了一个复指数信号：
ej2πft＝cos(2πft)+jsin(2πft)
(2)1001型特殊Chip序列
与(1)中所提的数学表达式所不同的是，1001型特殊Chip序列的Q路信号的振幅值与(1)中的振幅值是互为相反数的，因此我们有I＝cos(φ)，Q＝-sin(φ)，φ＝2πft，利用欧拉公式我们得到了IQ叠加后的一个复指数信号：
e-j2πft＝cos(2πft)-jsin(2πft)
因此，这里步骤A在具体应用中，基于所获ZigBee终端对应当前时刻的编码数据由二进制数0或二进制数1之一构成，则编码数据经对应32位Bit序列所获得的无线数据传输信号为如下两种复指数信号之一；
ej2πft＝cos(2πft)+jsin(2πft)
e-j2πft＝cos(2πft)-jsin(2πft)
其中，ej2πft为其中一种复指数信号，e-j2πft为另一种复指数信号，f表示无线数据传输信号的载波频率，A和φ分别表示无线数据传输信号对应时间t的振幅和相位，j为复数标识。
步骤B.Lora接收机针对所接收来自ZigBee终端的无线数据传输信号，应用与该无线数据传输信号波形相对应用于识别检测ZigBee信号的识别模板，识别检测该无线数据传输信号中是否存在有效ZigBee数据，是则进入步骤C；否则放弃对该无线数据传输信号的处理。这里步骤B设计关于ZigBee信号的识别，至关重要，因为它允许对期望信号和可能存在于接收信号中的任何噪声或干扰进行区分。
步骤C.Lora接收机针对该无线数据传输信号进行傅里叶变换，获得相对应的傅里叶频谱图，如图3所示，并获得该傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，若该横坐标频率值位于二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间，则判定该无线数据传输信号对应的编码数据为二进制数0；若该横坐标频率值位于二进制数1所构编码数据对应的预设频率区间，则判定该无线数据传输信号对应的编码数据为二进制数1；进而获得该无线数据传输信号对应的编码数据，然后进入步骤D。
实际应用当中，上述步骤C中，关于二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间、以及二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间，分别按如下方式获得：
针对预设数量分别包含有效ZigBee数据、并按预设编码规则所获以二进制数0构成的各个样本编码数据，分别经映射获得各预设规则特殊序列的样本无线数据传输信号，再进行傅里叶变换获得各样本傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，由其中最小横坐标频率值、最大横坐标频率值分别作为下限值、上限值，构成二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间。
针对预设数量分别包含有效ZigBee数据、并按预设编码规则所获以二进制数1构成的各个样本编码数据，分别经映射获得各预设规则特殊序列的样本无线数据传输信号，再进行傅里叶变换获得各样本傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，由其中最小横坐标频率值、最大横坐标频率值分别作为下限值、上限值，构成二进制数1所构编码数据对应的预设频率区间。
这里具体应用中，根据选择的参数配置(将Lora的带宽设置为1024kHz)，Lora接收机针对该无线数据传输信号进行傅里叶变换FFT运算后，特殊的ZigBee序列对应的峰值与LoRa符号对应的峰值可以重叠在一起，即意味着Lora可以接收和解码发送的ZigBee信号。设计的Lora的相关参数配置如下，SF＝8，BW＝1024kHz，LoRa物理层采用CSS调制，当SF＝8时，每个符号扩展到256(2SF)码片序列，此时码片序列有256种，每个码片序列的初始频率是不同的，这说明BW分为256个块，两个码片序列对应的初始频率finit(k)的频率差，finit(k)＝(BW×k)/2SF，k∈[0,2SF-1]。如图3所示，两个特殊的ZigBee序列分别在经过FFT运算后，得到两个峰值，两个峰值对应的横坐标分别为0.5MHz和-0.5MHz，与Lora的两个符号重叠，因此Lora能够解调出ZigBee的数据。
步骤D.Lora接收机按步骤A中的预设编码规则，针对该无线数据传输信号对应的编码数据进行解码，获得相对应的数据，即实现由Lora接收机实时获得来自ZigBee终端的目标数据。
实际应用中，基于上述步骤A至步骤D的实时执行，实现ZigBee终端向Lora接收机方向的实时通信，当Lora接收机接收并检测到来自ZigBee终端发送的前导码后，Lora接收机开始准备接收有效数据，从而获得来自ZigBee终端完整且有效的数据。
本专利上述所设计基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法在实际应用中，实现了远距离通信，这其中依赖于两个关键观测，首先，ZigBee的调制方案，特别是OQPSK，可以通过操纵帧有效负载来产生特定的信号，这些信号由连续的单个正弦波组成，可以被接收机检测到；其次，LoRa接收机采用的基于FFT的解调技术也可以检测和解调这些来自ZigBee的特定信号。
应用中，LoRa接收机以其特殊的灵敏度和在强噪声下识别极弱LoRa(线性调频)信号的能力而闻名。因此，通过使用检测LoRa信号的相同解调器，LoRa基站也可以检测和解调特定的ZigBee信号，即使它们在远距离上非常微弱。这便于使用ZigRa系统在ZigBee设备及其基站之间进行有效和可靠的远程通信，ZigRa系统充分利用了ZigBee和LoRa技术的优势，为远程物联网应用提供了可靠高效的无线通信解决方案。
将上述所设计基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，应用于实际当中，具体应用在USRP-B210平台上使用Lora PHY实现，在商品芯片(即基于IEEE 802.15.4g的Atmel AT86RF233(ZigBee))上实现了用于发送的ZigBee终端。ZigBee终端的默认发射功率均设置为0dBm，Lora接收机(Semtech SX1280)的带宽设置为1或2MHz，扩频因子SF设置为8或1。信道频率设置为2.4GHz。在Lora接收机，我们采用Lora和USRP-B210器件对ZigBee信号进行解调和解码。
定义本发明设计基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信为ZigRa，图4展示了本发明设计方案在1MHz带宽(BW)下具有不同扩频因子(SF)和信噪比(SNR)的性能。其中，图4中(a)表明ZigRa应用中的符号错误率(SER)随着Lora信噪比(SNR)的降低而增加。然而，与其他系统相比，ZigRa的SER增加要慢得多。即使信号功率弱于噪声(SNR<0)，ZigRa的SER仍然很低。ZigRa的这种卓越性能归功于其使用线性调频解扩，这有助于集中能量并实现高抗噪性和远距离传输，即使在传播过程中存在严重的信号衰减。图4中(b)显示了具有各种SF配置的ZigRa的吞吐量。具有较小SF的Lora数据包可为ZigRa提供更高的数据速率，因为较小的SF会导致每个线性调频信号的信道时间更短。在所有SNR中，ZigRa具有显着更高的吞吐量，因为它在每个线性调频信号中编码更多位并经历更低的SER。
为了评估ZigRa在实际室外环境中的性能，为了达到这个目的，设计沿着校园道路进行了实验，在那里我们改变了发送者和接收者之间的距离，从100米到500米，如图5所示。实验的设置是我们精心选择的，扩频因子(SF)和带宽(BW)分别为8和1000kHz，发射功率为20dBm。其次，为了比较ZigRa和商品Lora的性能，我们测量了它们的误码率(SER)和数据包接收率(PRR)并给出了结果如图6所示。随着发送者和接收者之间的距离从100米增加到500米，ZigRa的SER从0.18增加到0.66，而商品Lora的SER从0.15增加到0.58。尽管ZigRa由于不完善的仿真信号而具有更高的SER，但它在SER和PRR方面都达到了与商品LoRa相当的性能。因此，我们的实验成功地证明了ZigRa在实际室外环境中的有效性。这些发现特别适用于需要可靠和高效的远距离无线通信的应用，如远程监控系统、传感器网络和智能城市。
本发明设计专注于建立从ZigBee到Lora的直接通信，支持从ZigBee设备到Lora基站的远程跨技术通信。ZigRa的性能进行了广泛的实验，结果表明，它可以在超过500米的距离上可靠地向Lora传输ZigBee通信，大大超过了原生ZigBee通信的范围。因此，ZigRa有潜力通过扩展ZigBee和Lora网络之间的通信范围来解决需要远距离通信的应用。同时，使得ZigBee在不经过网关的协助下，能够直接发送数据到Lora，节约了物联网系统中的硬件成本，提高了物联网数据采集系统的部署速度。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，其特征在于：实时执行如下步骤A至步骤D，实现ZigBee终端向Lora接收机方向的实时通信；
步骤A.由ZigBee终端按预设编码规则，针对其对应当前时刻待发送的目标数据进行编码，获得相对应由二进制数0或二进制数1之一构成的编码数据，并基于两个预设规则特殊序列，结合编码数据与预设规则特殊序列之间的预设映射关系，将该编码数据映射至相应预设规则特殊序列，构成ZigBee终端对应当前时刻的无线数据传输信号向Lora接收机进行发送，然后进入步骤B；
步骤B.Lora接收机针对所接收来自ZigBee终端的无线数据传输信号，应用与该无线数据传输信号波形相对应用于识别检测ZigBee信号的识别模板，识别检测该无线数据传输信号中是否存在有效ZigBee数据，是则进入步骤C；否则放弃对该无线数据传输信号的处理；
步骤C.Lora接收机针对该无线数据传输信号进行傅里叶变换，获得相对应的傅里叶频谱图，并获得该傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，若该横坐标频率值位于二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间，则判定该无线数据传输信号对应的编码数据为二进制数0；若该横坐标频率值位于二进制数1所构编码数据对应的预设频率区间，则判定该无线数据传输信号对应的编码数据为二进制数1；进而获得该无线数据传输信号对应的编码数据，然后进入步骤D；
步骤D.Lora接收机按步骤A中的预设编码规则，针对该无线数据传输信号对应的编码数据进行解码，获得相对应的数据，即实现由Lora接收机实时获得来自ZigBee终端的目标数据。
2.根据权利要求1所述一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，其特征在于：基于实时执行步骤A至步骤D，实现ZigBee终端向Lora接收机方向的实时通信，当Lora接收机接收并检测到来自ZigBee终端发送的前导码后，Lora接收机开始准备接收有效数据，从而获得来自ZigBee终端完整且有效的数据。
3.根据权利要求1所述一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，其特征在于：所述步骤A中，基于两个预设规则特殊序列，结合编码数据与预设规则特殊序列之间的预设映射关系，由ZigBee终端首先应用DSSS扩频技术，将该编码数据映射至相应预设规则特殊序列，从而获得相对应的32位Bit序列，然后采用OQPSK调制方式，针对该32位Bit序列进行调制，获得ZigBee终端对应当前时刻的无线数据传输信号并向Lora接收机进行发送。
4.根据权利要求1所述一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，其特征在于：基于所获ZigBee终端对应当前时刻的编码数据由二进制数0或二进制数1之一构成，则编码数据经对应32位Bit序列所获得的无线数据传输信号为如下两种复指数信号之一；
ej2πft＝cos(2πft)+jsin(2πft)
e-j2πft＝cos(2πft)-jsin(2πft)
其中，ej2πft为其中一种复指数信号，e-j2πft为另一种复指数信号，f表示无线数据传输信号的载波频率，A和φ分别表示无线数据传输信号对应时间t的振幅和相位，j为复数标识。
5.根据权利要求1所述一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，其特征在于：所述步骤C中，关于二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间、以及二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间，分别按如下方式获得：
针对预设数量分别包含有效ZigBee数据、并按预设编码规则所获以二进制数0构成的各个样本编码数据，分别经映射获得各预设规则特殊序列的样本无线数据传输信号，再进行傅里叶变换获得各样本傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，由其中最小横坐标频率值、最大横坐标频率值分别作为下限值、上限值，构成二进制数0所构编码数据对应的预设频率区间；
针对预设数量分别包含有效ZigBee数据、并按预设编码规则所获以二进制数1构成的各个样本编码数据，分别经映射获得各预设规则特殊序列的样本无线数据传输信号，再进行傅里叶变换获得各样本傅里叶频谱图中最大波峰对应的横坐标频率值，由其中最小横坐标频率值、最大横坐标频率值分别作为下限值、上限值，构成二进制数1所构编码数据对应的预设频率区间。
6.根据权利要求1或5所述一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，其特征在于：所述步骤A中，由ZigBee终端按二进制转换方式，针对其对应当前时刻待发送的目标数据进行编码，获得相对应由二进制数0或二进制数1之一构成的编码数据。
7.根据权利要求1或5所述一种基于物理层的ZigBee到Lora跨技术通信方法，其特征在于：所述两个预设规则特殊序列为[1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0]、以及[1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1,1,0,0,1]。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117279042A (zh) * 2023-11-22 2023-12-22 武汉理工大学 一种实现fsk芯片与无线路由器双向通信的方法

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