CN208849799U

CN208849799U - 基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统

Info

Publication number: CN208849799U
Application number: CN201821887012.0U
Authority: CN
Inventors: 李玲; 武仁杰; 郭晓玲; 徐婷
Original assignee: Hebei North University
Current assignee: Hebei North University
Priority date: 2018-11-16
Filing date: 2018-11-16
Publication date: 2019-05-10
Anticipated expiration: 2028-11-16

Abstract

本实用新型公开了一种基于NB‑IoT以及ZigBee的融合网关网络系统。该融合网关包括：ZigBee协调器、BC95模块以及互联网上的云平台；所述融合网关用于将ZigBee网络与NB‑IoT网络相连通；所述NB‑IoT网络与所述互联网相连通，所述ZigBee网络通过所述NB‑IoT网络与互联网相连通；ZigBee网络包括路由器节点以及终端节点；ZigBee调节器为ZigBee网络的中心，ZigBee调节器与所述BC95模块串口连接，ZigBee调节器用于收集所述路由器节点以及终端节点的数据信息，并通过ZigBee调节器与BC95模块之间的串口，将数据信息发送给BC95模块，BC95模块通过NB‑IoT网络将所述数据信息传输至互联网上的云平台。采用本融合网关网络系统能够提高ZigBee网络接入互联网的的组网灵活性，降低安装复杂性，降低成本。

Description

基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统

技术领域

本实用新型涉及物联网领域，特别是涉及一种基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统。

背景技术

无线传感器网络(Wireless SensorNetworks,WSN)是由大量传感器节点通过无线通信技术构成的自组织网络，集成了传感器、网络、计算机、嵌入式系统等技术，用来采集、处理和传输网络覆盖范围内感知对象的信息。ZigBee是建立在IEEE802.15.4标准基础上的低功耗个域网协议，具有低成本、近距离、自组织、低功耗、低数据传输率、低复杂度的特点，较蓝牙、WIFI等无线技术而言，更适用于无线传感器网络，也是无线传感器网络中采用较多的无线传输协议。但是ZigBee属于短距离技术，它的协议栈也并不支持IP协议，ZigBee网络中节点的数据要到达控制中心或者云端，必须经过网关进行协议转换，现已有将ZigBee与以太网、wifi、GPRS、3G、4G等技术融合的研究，使ZigBee网络的数据能够到达外部网络，但是现有融合技术融合之后的融合系统组网复杂，或者成本偏高。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，以解决融合系统的ZigBee网络方便灵活、低成本的接入互联网的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，包括：ZigBee协调器、BC95模块以及互联网上的云平台；

所述融合网关用于将ZigBee网络与NB-IoT网络相连通；所述NB-IoT网络与所述互联网相连通，所述ZigBee网络通过所述NB-IoT网络与互联网相连通；所述ZigBee网络包括路由器节点以及终端节点；

所述ZigBee调节器为所述ZigBee网络的中心，所述ZigBee调节器与所述BC95模块串口连接，所述ZigBee调节器用于收集所述路由器节点以及所述终端节点的数据信息，并通过所述ZigBee调节器与所述BC95模块之间的串口，将所述数据信息发送给所述BC95模块，所述BC95模块通过NB-IoT网络将所述数据信息传输至所述互联网上的云平台。

可选的，所述ZigBee调节器为ZigBee芯片；所述ZigBee芯片的闪存空间为256K。

可选的，所述ZigBee芯片外设有两路串口；

一路串口通过USB芯片转换与上位机连接；另一路串口与所述BC95模块连接。

可选的，所述ZigBee芯片还与外围电路连接；所述外围电路包括晶振电路、复位电路以及I/O电路。

可选的，还包括：电源管理模块；所述电源管理模块分别与所述ZigBee芯片以及所述BC95模块连接；所述电源管理模块为所述ZigBee芯片提供的电源电压为3.3V，所述电源管理模块为所述BC95模块提供的电源电压为5V。

可选的，所述BC95模块为NB-IoT无线通信模块。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：本发明提出了一种基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，包括：ZigBee协调器、BC95模块以及互联网上的云平台；所述融合网关用于将ZigBee网络与NB-IoT网络相连通；所述NB-IoT网络与所述互联网相连通，所述ZigBee网络通过所述NB-IoT网络与互联网相连通；所述ZigBee网络包括路由器节点以及终端节点；所述ZigBee调节器为所述ZigBee网络的中心，所述ZigBee调节器与所述BC95模块串口连接，所述ZigBee调节器用于收集所述路由器节点以及所述终端节点的数据信息，并通过所述ZigBee调节器与所述BC95模块之间的串口，将所述数据信息发送给所述BC95模块，所述BC95模块通过NB-IoT网络将所述数据信息传输至所述互联网上的云平台。由于窄带物联网(NarrowBandInternet ofThings，NB-IoT)是物联网(Internet ofThings，IoT)领域新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，是低功耗广域网技术，同时具有部署灵活、窄带、低速率、低成本、高容量、深度覆盖、低功耗等特点，能够直接获取IP地址便可将数据传输到互联网，具有直达云端的优势，结合ZigBee技术和NB-IoT技术特点，能够极大的提高数据传输速度，满足物联网应用对于“远”、“近”距离可扩展，组网灵活、安全可靠的需求。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型所提供的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关的网络体系结构图；

图2为本实用新型所提供的CC2530F256芯片硬件设计框图；

图3为本实用新型所提供的CC2530F256芯片串口连接图；

图4为本实用新型所提供的应用层软件流程图；

图5为本实用新型所提供的通信帧结构图；

图6为本实用新型所提供的服务器端数据接收界面示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，能够提高ZigBee网络接入互联网的的组网灵活性，降低安装复杂性，降低成本。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型所提供的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关的网络体系结构图，如图1所示，一种基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，包括：ZigBee协调器、BC95模块以及互联网上的云平台；所述融合网关用于将ZigBee网络与NB-IoT网络相连通；所述NB-IoT网络与所述互联网相连通，所述ZigBee网络通过所述NB-IoT网络与互联网相连通；所述ZigBee网络包括路由器节点以及终端节点；所述ZigBee调节器为所述ZigBee网络的中心，所述ZigBee调节器与所述BC95模块串口连接，所述ZigBee调节器用于收集所述路由器节点以及所述终端节点的数据信息，并通过所述ZigBee调节器与所述BC95模块之间的串口，将所述数据信息发送给所述BC95模块，所述BC95模块通过NB-IoT网络将所述数据信息传输至所述互联网上的云平台。

传感器网络一般由多个节点和一个汇聚节点组成，不同的应用场合对传感器网络布点数量的要求不同，传感器网络的拓扑结构也不相同，但是传感器网络要与互联网相连接，必须经过网关进行数据转发。ZigBee网络一般由协调器节点、路由器节点及终端节点组成，协调器是ZigBee网络的中心，该设计将ZigBee协调器与NB-IoT模块BC95通过串口连接，实现传感器网络与互联网的连接。ZigBee协调器是ZigBee网络的控制中心，收集各个节点的数据，并通过串口将数据发送给BC95模块，BC95模块通过NB-IoT网络将数据传输到互联网上的云平台或者远程控制中心，互联网上的云平台或者远程控制中心的指令通过NB-IoT网络到达ZigBee协调器，协调器再将指令进行转发。

在实际应用中，所述ZigBee调节器为ZigBee芯片；所述ZigBee芯片的闪存空间为256K；所述ZigBee芯片外设有两路串口；一路串口通过USB芯片转换与上位机连接；另一路串口与所述BC95模块连接；所述ZigBee芯片还与外围电路连接；所述外围电路包括晶振电路、复位电路以及I/O电路。

ZigBee芯片选用德州仪器生产的CC2530F256，CC2530F256芯片是ZigBee片上系统解决方案，基于IEEE802.15.4标准协议，集成了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051内核，具有256K的闪存空间，体积小巧。CC2530F256为网关的核心处理部分，一是具有ZigBee协调器的功能，二是通过串口与BC95模块相连，通过AT指令控制BC95模块进行网络连接，数据发送等功能，图2为本实用新型所提供的CC2530F256硬件设计框图，如图2所示。

NB-IoT模块选用BC95-B8，B8适配电信网络，华为研发了业界第一款支持NB-IoT网络芯片，Boudica120芯片。移远基于Boudica120芯片开发了BC95模块，BC95是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块。

CC2530F256外设中具有两路串口，一路通过串口转USB芯片转换与PC连接，进行调试用，另一直接与BC95相连，进行数据的收发。串口连接如图3所示。

在实际应用中，本实用新型还包括：电源管理模块；电源管理模块分别与所述ZigBee芯片以及所述BC95模块连接；所述电源管理模块为所述ZigBee芯片提供电源的电压为3.3V，所述电源管理模块为所述BC95模块提供电源的电压为5V；所述BC95模块为NB-IoT无线通信模块。

CC2530F256的电源管理采用两路AMS111-7芯片，能够同时稳定提供3.3V，5V电源，分别给CC2530F256和BC95模块使用。

ZigBee芯片基于ZigBee协议栈进行数据信息处理，ZigBee协议栈采用TI公司的选用Z-Stack协议栈进行处理，Z-Stack协议栈具有OSAL操作系统抽象层，它可以看做是一种任务分配资源的机制，从而形成了一个简单多任务的操作系统。该设计中将协调器节点作为网关节点，系统软件要包含协调器的功能，同时也要包含两个异构网络之间数据转发的功能。CC2530与BC95之间通过串口连接，ZigBee协议由zstack协议栈处理，NB-IoT协议由BC95模块处理，两种异构网络的数据交换主要为应用层数据的交换。NB-IoT网络数据的发送及接收通过串口发送AT指令对BC95模块进行控制。应用层软件包含三个事件：串口数据接收事件，处理BC95模块返回的信息，若有数据下发，则转发给相应的ZigBee节点；ZigBee网络数据接收事件，处理ZigBee节点反馈的信息，并将数据转发给BC95模块；定时器事件，发送心跳帧，定时反馈状态数据；应用层软件流程如图4所示。

BC95模块控制主要包括开机入网，数据接收，网络状态检测。

①NB-IoT入网，通过发送一些列AT指令使BC95模块附着到NB网络。

AT+CMEE＝1启动结果码；

AT+CFUN＝1开启模组的射频开关；

AT+CIMI查询IMSI号码；

AT+CGSN＝1查询IMEI号码；

AT+CSQ确认当前射频信号强度；

AT+CGATT＝1激活网络配置；

AT+CGATT？确认网络是否被激活，返回值为1表示网络激活；

AT+CEREG？确认模块网络注册状态，返回值为1表示注册成功；

AT+CSCON？确认模块连接状态，返回值为1表示连接成功；

AT+NSMI＝1打开消息发送指示；

AT+NNMI＝2设置系统消息提示。

②数据接收，使用UDP协议进行模块与云服务器之间的数据传输。

使用AT+NSOCR创建socket，如：UDPAT+NSOCR＝DGRAM,17,10000,1；

使用AT+NSOST发送数据，如：AT+NSOST＝0,115.29.240.46,6000,2,6570；

若有数据下发，模块返回+NSONMI:0,10(提示有10字节数据到NB模块)；

使用AT+NSORF指令读取数据，如：AT+NSORF＝0,10。

为了远端监控进程能读懂采集的数据，网关能够识别下发的控制命令并转发给相应的ZigBee节点，还需定义通信帧结构。定义通用帧结构，帧结构如图5所示。

帧头：一帧数据的开始标志。

帧长度：包含帧头至帧尾的整个帧的长度。

源地址、目的地址：ZigBee节点的64位mac地址，数据上报时目的地址为0，数据下发时源地址为0。

帧类型：包括数据上报、命令下发、心跳帧、确认帧几种类型。数据上报帧由ZigBee终端节点主动发起；命令下发帧，为确保终端节点是否收到，终端节点收到后需上报确认帧；心跳帧，网关定时上报，维持网络活性。

数据区：数据区由命令字、数据长度、数据组成，一个帧可携带多个数据区。当帧为数据帧时，命令字指示采集的何种数据，如温度、湿度、光照度等，数据长度指示当前数据区数据的长度。当帧为命令下发帧时，命令字指示何种控制命令，数据为下发的数据。当帧为确认帧时，命令字指示何种控制命令，数据为成功或失败的标识。当帧为心跳帧时数据区为空。

帧尾：一帧数据结束标志。

协议流程：终端节点上报数据，网关转发到NB-IoT网络再到互联网上的云平台；网关向互联网上的云平台发送心跳帧保持网络通讯顺畅；网关接收到互联网上的云平台下发的指令，转发给终端节点，终端节点收到并上报确认帧，网关转发确认帧到互联网上的云平台，若网关收不到终端节点的确认帧，则由网关上报失败的确认帧。

关于网关功能测试

网络环境：ZigBee网络的采集数据由NB-IoT网络上报到互联网上的云平台后，互联网上的云平台再将数据透传给本地服务器。

数据上报测试：搭建温湿度采集系统进行网关功能测试，测试环境为实验室室内外温湿度，布置3个ZigBee节点，其中一个节点室外，一个节点靠窗，一个实验室内部，数据通过NB-IoT网络传输到互联网上的云平台再透传到本地服务器，本地服务器通过网络连接工具接收数据。温湿度采集数据半个小时上报一次，连续测试5天，系统稳定。图6是服务器端数据接收实时显示。

数据下发测试：模拟测试环境为控制ZigBee节点的LED开关，服务器端随机下发控制指令，当ZigBee节点为工作状态时，服务器端会收到成功的确认，当ZigBee节点处于休闲状态时，服务器端会收到失败的确认。

本实用新型结合ZigBee网络自组网、无需付费的特点以及NB-IoT网络直达广域网的优势，设计了ZigBee/NB-IoT无线传感器网络网关；实际测试表明，本实用新型所提供的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统运行稳定，且系统具有成本低、操作方便、便于安装特点，具有较高的使用价值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，其特征在于，包括：ZigBee协调器、BC95模块以及互联网上的云平台；

2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，其特征在于，所述ZigBee调节器为ZigBee芯片；所述ZigBee芯片的闪存空间为256K。

3.根据权利要求2所述的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，其特征在于，所述ZigBee芯片外设有两路串口；

4.根据权利要求2所述的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，其特征在于，所述ZigBee芯片还与外围电路连接；所述外围电路包括晶振电路、复位电路以及I/O电路。

5.根据权利要求2所述的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，其特征在于，还包括：电源管理模块；所述电源管理模块分别与所述ZigBee芯片以及所述BC95模块连接；所述电源管理模块为所述ZigBee芯片提供的电源电压为3.3V，所述电源管理模块为所述BC95模块提供的电源电压为5V。

6.根据权利要求1所述的基于NB-IoT以及ZigBee的融合网关网络系统，其特征在于，所述BC95模块为NB-IoT无线通信模块。