专利名称：基于ieee802.15.4技术的短程无线通信系统及适用于该系统的软件程序的制作方法
技术领域：
本发明属于短程无线通信技术领域，特别涉及一种基于正EE 802.15.4技术的短程无线通信系统及适用于该系统的软件程序。
背景技术：
目前，国内外用于无线监控方面的通信平台主要由依赖于GPRS/GSM短信方式或传统模拟通信技术的分散节点组成，它们很 难自成网络，不但生产成本高，还需为每一个节点支付GPRS/GSM 的节点月费，而且节点功耗也大，不适合以电池供电，使用不便。硬件方面，国内外也有几家公司正从事类似短距无线通用模块的 开发和销售，但产品大都集中在无线串口模块方面。在很多应用中需 要将数据快速的传入计算机或服务器；还有的应用，如野外环境监控、 江河污染治理、水文监测等，需要将无线子网内的数据传入数据中心。 此时，USB接口、以太网接口等、GPRS/GSM接口、 CDMA接口等 传输方式变得更为重要。软件方面，国内外同类无线串口模块产品主要基于Zigbee技术， 其代码量大，使得系统成本偏高、耗电多。而且，当两个基于Zigbee 技术的子网共存时，它们会相互干扰，发生通信碰撞， 一个子网内的 数据通信会唤醒另一个子网，从而降低通信效率，而且系统的耗电会 相应增加。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述现有技术中存在的不足，而提供一 种基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通信系统，该系统功能全面， 工作可靠，效率高并且运行成本低。本发明的技术方案是 一种基于IEEE 802.15.4技术的短程无线 通信系统，其特征在于由传输层和串行通用模块组成；传输层和串 行通用模块之间通过基于IEEE 802.15.4技术无线连接。上述传输层可以由远程传输模块和无线USB模块组成，也可由 远程传输模块或无线USB模块单独组成；远程传输模块可以由无线以太网模块、无线GPRS/GSM模块，无线CDMA模块任意组合组成， 也可由它们单独组成。上述串行通用模块可以由无线串口模块和无线485模块组成，也 可由无线串口模块或无线485模块单独组成。一种适用于该系统的软件程序，其特征在于包括自动组网和 自动网络维护机制、网络安全机制、网内接力机制和系统级优化节电 机制；其中自动组网和自动网络维护机制将每一个子网中的节点可分两层协调器和普通节点，协调器管理普通节点，存储节点信息，协调网络的工作，普通节点完成基本的数据收发，汇报自身状态；子网内的所 有节点采用统一编号方式，标识自身的地址，地址范围1-65500; 协调器工作的具体步骤为(a)在通电后，协调器首先进行网络配置，初始化节点列表和路由表，确定连接关系。然后，从节点列表中的第一个普通节点开始，向其发送网络维护帧，接收其应答，査询其状态；(b) 如果在指定时间内，协调器未接到该应答，就可判定该普通 节点不在线，在节点列表中将其登记为出网状态；如果接到应答，就 可确定该普通节点在线，再进一步判断该节点原状态是入网还是出 网；(c) 如果是入网，就不作任何操作，如果为出网，就向该节点发 送配置帧，对其进行基本配置，主要是路由表，使其明确可以与其直 接传输数据的节点，同时明确接力传输时的接力节点；(d) 协调器在节点列表中重新设定该普通节点的状态为入网； 普通节点工作的具体步骤为(a) 协调器是否发来网络维护帧，如果是需要回复应答帧；如果没 有发来网络维护帧就需要判断协调器是否发来配置帧，如果是就需 要做相应的配置，并回到初始状态，如果没有发来配置帧，也并回到 初始状态；(b) 回复应答帧后判断是否需要收发数据，如果是判断是否需要 接力传输，如果是进行接力传输数据，如果不是就进行直接传输数据；网络安全机制中各模块节点之间传输的数据帧格式是前2个字节是发出数据的源节点自身的地址标识，在程序中对应于两个字节变量的设定，每个模块都有不同的自身地址；接下来的2个字节是目标 节点的地址标识；第5个字节是帧类型，置为0x10，代表数据帧； 第6个字节用于奇偶校验，其算法简洁而有效，加上MC13213带有 的CRC校验机制，充分保证网内数据传输的正确性；接下来的字节 是实际的数据，所有的数据均采用DES加密算法；网内接力传输机制的每个节点在发送数据时，首先根据自身的路 由表确定是否可以直接将数据传输到目标节点，如果不可以，就采用 接力传输，将数据连同目标地址传输到接力节点，接力节点接到该数 据后，再跟据自身路由表确定是否还需要接力，这样，逐级传输，直 到信息抵达目标节点；系统级优化节电机制的工作步骤是当某个普通节点的数据传输 完毕后，若没有待发送的新数据，经过所设定的延时，该节点将转入 节电模式，然后，再经过短暂延时，会重新进入数据传输状态。上述无线USB模块由USB接口单元、DC/DC电源电路、CPU和 天线RF单元4部分组成，USB接口单元、CPU和天线RF实行依次 双向连接，USB接口单元的输出端与DC/DC电源电路的输入端口连 接，DC/DC电源电路的输出端口分别与CPU和天线RF单元连接。上述无线串口模块由DC/DC电源电路、RS-232接口单元、CPU、 天线RF单元和A/D转换接口单元组成；RS-232接口单元、CPU和 天线RF单元实行依次双向连接，A/D转换接口单元的输出端口与 CPU连接，DC/DC电源电路的输出端口分别与RS-232接口单元、 CPU和天线RF单元的输入端口连接。上述无线485模块由DC/DC电源电路、RS-485接口单元、CPU、 天线RF单元和A/D转换接口单元组成；其中RS-485 口采用芯片 MAX490，并与CPU和天线RF单元实行依次双向连接，A/D转换接 口单元的输出端口与CPU连接，DC/DC电源电路的输出端口分别与 RS-485接口单元、CPU和天线RF单元的输入端口连接。上述无线以太网模块由DC/DC电源电路、以太网接口单元、CPU 和天线RF单元组成；其中以太网接口单元采用ARM7处理器芯片， 并与CPU和天线RF单元实行依次双向连接，DC/DC电源电路的输出端口分别与以太网接口单元、CPU和天线RF单元的输入端口连接。 上述无线GPRS/GSM模块由DC/DC电源电路、GPRS/GSM单 元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口单元组成；其中GPRS/GSM 采用Simens的MC35子模块，并与CPU、天线RF单元实行依次双 向连接，A/D转换接口单元的输出端口与CPU连接，DC/DC电源电 路的输出端口分别与RS-232接口单元、CPU和天线RF单元的输入 端口连接。上述无线CDMA模块由DC/DC电源电路、CDMA单元、CPU、 天线RF单元和A/D转换接口单元；其中CDMA采用WAVECOM的 TS-WCC1，并与CPU、天线RF单元实行依次双向连接，A/D转换 接口单元的输出端口与CPU连接，DC/DC电源电路的输出端口分别 与RS-232接口单元、CPU和天线RF单元的输入端口连接。上述无线RFID模块由DC/DC电源电路、RFID单元、CPU、天 线RF单元组成；其中RFID采用TI的S6700芯片，并与CPU、天 线RF单元实行依次双向连接。基于正EE 802.15.4技术的短程无线通信系统是一种分布式集散 型的拓扑结构，最终只需要一个无线以太网模块或无线GPRS/GSM、 CDMA模块，就可以使远端服务器和我们的短程无线通信系统进行 有效通信。我们引入基于IEEE 802.15.4技术的无线GPRS/GSM模块 和CDMA模块是为了方便某些没有以太网或USB接入的应用场合。 在这种场合，我们可以通过的GPRS/GSM、 CDMA的传输方式将短 程无线通信系统内的数据传入计算中心或服务器。本发明的优点是1、硬件部分结构简单，可根据现场的实际情 况进行配置、连接，因此可将多种无线传输和有线传输技术有机地结 合起来，使功能更加齐全、应用更为广泛。可广泛应用于无线传感器 网络、工业节能、工业控制、安全监测、家庭自动化、环境和污染监 控监测、恶劣环境下的实时监测、农业自动化、电网和电站的实时监 测监控、医疗保健系统、医院或监狱等特殊场合的人员活动区域管理、 贵重物品管理、酒店或大楼门禁系统、无线抄表、无线遥控等。2、 软件部分是基于IEEE 802.15.4技术的改进，使得系统成本偏低、耗 电少、抗干扰能力强，通信效率高。
图1是本发明的整个系统示意图。图2是无线USB模块示意图。图3是无线串口模块示意图。图4是无线485模块示意图。图5是无线以太网模块示意图。图6是无线GPRS/GSM模块示意图。图7是无线CDMA模块示意图。图8是无线RFID模块示意图。图9是协调器主程序框图。图IO是普通节点主程序框图。图ll是协调器帧格式图。图12是普通节点回复应答帧格式图。图13是配置帧格式图。图14是网络安全机制各模块节点之间传输的数据帧格式图。 图15是网内接力传输的数据帧格式图。
具体实施例方式如图1所示 一种基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通信系统， 其特征在于由无线串口模块、无线485模块、无线USB模块、无 线以太网模块、无线GPRS/GSM模块，无线CDMA模块、无线RFID 模块和模拟量传感器组成组成，并通过基于IEEE802.15.4的无线网 络将它们连接起来。上述无线串口模块、无线485模块、无线以太网 模块、无线GPRS/GSM模块，无线CDMA模块、无线RFID模块均 可实时采集外部传感器信号，同时实现串口到短程无线射频的双向通 信通道。CPU芯片选用Freescale公司专为RF射频应用而设计的 MC1321x，具体型号为MC13213。如图2所示无线USB模块由USB接口单元、DC/DC电源电 路、CPU和天线RF单元4部分组成。USB接口单元采用芯片CP2102， 实现USB接口到串口的转换，其USB接口一侧连接PC机终端，同 时为模块提供+5V电源，其串口一侧连接CPU; CPU芯片选用 Freescale公司专为RF射频应用而设计的MC1321x，具体型号为MC13213。它内含微控制器内核HCS08，片上外围接口齐全，具有 和802.15.4标准兼容的片上射频收发单元。在MC13213的控制下， 该模块实现USB 口到短程无线射频的双向通信通道。如图3所示无线串口模块由直流+6V +12V输入的DC/DC电 源电路、RS-232接口单元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口五 部分组成。其中RS-232串口采用MAX3318E作为电平转换芯片； A/D转换接口连接传感器到CPU (MC13213)片上模数转换器。该 模块可实时采集外部传感器信号，同时实现RS-232串口到短程无线 射频的双向通信通道。如图4所示无线485模块由直流+6V +12V输入的DC/DC电 源电路、RS-485接口单元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口五 部分组成。其中RS-485 口采用芯片MAX490。该模块可实时采集外 部传感器信号，同时实现RS-485 口到短程无线射频的双向通信通道。如图5所示无线以太网模块由直流+6V +12V输入的DC/DC 电源电路、以太网接口单元、CPU、天线RF单元四部分组成。其中 以太网接口采用ARM7处理器芯片；ARM7芯片与CPU (MC13213) 通过串口连接。该模块可实时采集外部传感器信号，同时实现Internet 到短程无线射频的双向通信通道。如图6所示无线GPRS/GSM模块由直流+6V +12V输入的 DC/DC电源电路、GPRS/GSM单元、CPU、天线RF单元和A/D转 换接口 5部分组成。其中GPRS/GSM采用Simens的MC35子模块， 通过串口与MC13213连接。该模块可实时采集外部传感器信号，同 时实现GPRS/GSM到短程无线射频的双向通信通道。如图7所示无线CDMA模块由直流+6V +12V输入的DC/DC 电源电路、CDMA单元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口 5部分 组成。其中CDMA采用WAVEC0M的TS-WCC1。该模块可实时采 集外部传感器信号，同时实现CDMA到短程无线射频的双向通信通 道。如图8所示无线RFID模块由直流+6V +12V输入的DC/DC 电源电路、RFID单元、CPU、天线RF单元4部分组成。其中RFID 采用TI的S6700芯片，实现符合IS015693标准的读卡器功能，通过SPI接口与CPU中央处理器连接。该模块可实时采集外部传感器信 号，同时实现RFID到短程无线射频的双向通信通道。
上述天线RF单元选用CPU (MC13213)的射频接口通用电路。 嵌入式软件部分基于IEEE802.15.4物理层和媒体控制层的数字 通信技术，具有自动组网、自动网络维护、网络安全、网内接力和系 统级优化节电等功能。尤其它的网络自组织功能强，网络初始化简单， 具有自愈功能，大大简化了系统安装成本，提高安装效率。每一个通 信子网可最多容纳65500个节点。应用程序接口(API)为RS-232/485 串行通讯、USB接口、以太网接口、 GPRS/GSM/CDMA通讯、A/D 转换等提供服务。其中，无线以太网模块内部运行一个网页服务器， 为我们的无线通信系统提供基于网页的用户服务平台。
在这种无线通信网络内部，我们通过开发灵活而可靠的应用层协 议，实现上述功能。所有网络节点都按照协议进行组网连接、数据打 包和数据解包，协同一致的完成网络组织和自愈、数据接收和发送操 作。
1.自动组网和自动网络维护
每一个子网中的节点可分两层协调器(Cordinator)和普通节 点(EndDevice),协调器管理普通节点，存储节点信息，协调网络 的工作，普通节点完成基本的数据收发，汇报自身状态。子网内的所 有节点采用统一编号方式，标识自身的地址，地址范围1-65500。在 通电后，协调器首先进行网络配置，初始化节点列表和路由表，确定 连接关系。然后，从节点列表中的第一个普通节点开始，向其发送网 络维护帧，接收其应答，査询其状态。帧格式如图ll所示在网络维 护帧中，协调器首先标识自身地址，然后置帧类型字节为0x01，最后 附上目标普通节点地址。目标普通节点如果在线，收到该帧后，回复 应答帧，其它节点对该帧不予回复。应答帧格式如图12所示，其中帧 类型字节置为0x02。
如果在指定时间内，协调器未接到该应答，就可判定该普通节点 不在线，在节点列表中将其登记为出网状态；如果接到应答，就可确 定该普通节点在线，再进一步判断该节点原状态是入网还是出网，如 果是入网，就不作任何操作，如果为出网，就向该节点发送配置帧，对其进行基本配置，主要是路由表，使其明确可以与其直接传输数据 的节点，同时明确接力传输时的接力节点。然后协调器在节点列表中
重新设定该普通节点的状态为入网。配置帧的格式如图13所示，帧 类型字节置为0x03:配置完毕后，协调器以相同的方式查询网络内
部的下一个普通节点，这样依次将所有普通节点査询一遍，然后循环。 这样，协调器就可感知每个普通节点的存在，对普通节点进行配 置，在网络中实时的增加和删除节点，从而实现自动组网和自动网络
维护。协调器和普通节点的主程序框图分别如图9和图10。
2.网络安全机制
基于IEEE802.15.4物理层和媒体控制层接口，我们自定义应用 层数据传输格式，并采取加密措施，提高网络的安全性。各模块节点 之间传输的数据帧格式约定如图14所示前2个字节是发出数据的 源节点自身的地址标识，在程序中对应于两个字节变量的设定，每个 模块都有不同的自身地址；接下来的2个字节是目标节点的地址标 识；第5个字节是帧类型，置为0x10，代表数据帧；第6个字节用 于奇偶校验，其算法简洁而有效，加上MC13213带有的CRC校验机 制，充分保证网内数据传输的正确性；接下来的字节是实际的数据， 所有的数据均采用DES加密算法，提高数据传输的安全性和可靠性。 3.网内接力机制
为了增大数据传输距离，进而增大网络覆盖面积，我们引入网内 接力传输机制。每个节点在发送数据时，首先根据自身的路由表确定 是否可以直接将数据传输到目标节点，如果不可以，就采用接力传输， 将数据连同目标地址传输到接力节点，接力节点接到该数据后，再跟 据自身路由表确定是否还需要接力，这样，逐级传输，直到信息抵达 目标节点。在本系统中，进行接力传输的数据帧格式如图15所示， 帧类型字节置为0x20:
4.系统级优化节电机制
我们从整个系统角度，充分考虑优化节电、降低功耗。当某个普 通节点的数据传输完毕后，若没有待发送的新数据，经过所设定的延 时，该节点将转入节电模式，然后，再经过短暂延时，会重新进入数 据传输状态。
权利要求
1、一种基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通信系统，其特征在于由传输层和串行通用模块组成；传输层和串行通用模块之间通过基于IEEE 802.15.4技术无线连接。
2、 一种适用于基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通信系统的软 件程序，其特征在于包括自动组网和自动网络维护机制、网络安 全机制、网内接力机制和系统级优化节电机制；其中自动组网和自动网络维护机制将每一个子网中的节点可分两层 协调器和普通节点，协调器管理普通节点，存储节点信息，协调网络 的工作，普通节点完成基本的数据收发，汇报自身状态；子网内的所 有节点采用统一编号方式，标识自身的地址，地址范围1-65500;协调器工作的具体步骤为 (a)在通电后，协调器首先进行网络配置，初始化节点列表和路由表，确定连接关系。然后，从节点列表中的第一个普通节点开始，向其发送网络维护帧，接收其应答，査询其状态；(b) 如果在指定时间内，协调器未接到该应答，就可判定该普通节点不在线，在节点列表中将其登记为出网状态；如果接到应答，就可确定该普通节点在线，再进一步判断该节点原状态是入网还是出网；(c) 如果是入网，就不作任何操作，如果为出网，就向该令点发送配置帧，对其进行基本配置，主要是路由表，使其明确可以与其直接传输数据的节点，同时明确接力传输时的接力节点；(d) 协调器在节点列表中重新设定该普通节点的状态为入网；普通节点工作的具体步骤为(a) 协调器是否发来网络维护帧，如果是需要回复应答帧；如果没 有发来网络维护帧就需要判断协调器是否发来配置帧，如果是就需 要做相应的配置，并回到初始状态，如果没有发来配置帧，也并回到 初始状态；(b) 回复应答帧后判断是否需要收发数据，如果是判断是否需要 接力传输，如果是进行接力传输数据，如果不是就进行直接传输数据；网络安全机制中各模块节点之间传输的数据帧格式是前2个字节是发出数据的源节点自身的地址标识，在程序中对应于两个字节变量的设定，每个模块都有不同的自身地址；接下来的2个字节是目标 节点的地址标识；第5个字节是帧类型，置为0x10，代表数据帧； 第6个字节用于奇偶校验，其算法简洁而有效，加上MC13213带有 的CRC校验机制，充分保证网内数据传输的正确性；接下来的字节 是实际的数据，所有的数据均采用DES加密算法；网内接力传输机制的每个节点在发送数据时，首先根据自身的路 由表确定是否可以直接将数据传输到目标节点，如果不可以，就采用 接力传输，将数据连同目标地址传输到接力节点，接力节点接到该数 据后，再跟据自身路由表确定是否还需要接力，这样，逐级传输，直 到信息抵达目标节点；系统级优化节电机制的工作步骤是当某个普通节点的数据传输 完毕后，若没有待发送的新数据，经过所设定的延时，该节点将转入 节电模式，然后，再经过短暂延时，会重新进入数据传输状态。
3、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通 信系统，其特征在于上述传输层可以由远程传输模块和无线USB 模块组成，也可由远程传输模块或无线USB模块单独组成；远程传 输模块可以由无线以太网模块、无线GPRS/GSM模块，无线CDMA 模块任意组合组成，也可由它们单独组成。
4、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通 信系统，其特征在于上述串行通用模块可以由无线串口模块和无线 485模块组成，也可由无线串口模块或无线485模块单独组成。
5、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通 信系统，其特征在于上述无线USB模块由USB接口单元、DC/DC 电源电路、CPU和天线RF单元4部分组成，USB接口单元、CPU 和天线RF实行依次双向连接，USB接口单元的输出端与DC/DC电 源电路的输入端口连接，DC/DC电源电路的输出端口分别与CPU和 天线RF单元连接。
6、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通 信系统，其特征在于上述无线串口模块由DC/DC电源电路、RS-232 接口单元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口单元组成；RS-232接口单元、CPU和天线RF单元实行依次双向连接，A/D转换接口单 元的输出端口与CPU连接，DC/DC电源电路的输出端口分别与 RS-232接口单元、CPU和天线RF单元的输入端口连接。
7、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通 信系统，其特征在于上述无线485模块由DC/DC电源电路、RS-485 接口单元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口单元组成；其中RS-485 口采用芯片MAX490，并与CPU和天线RF单元实行依次双向连接， A/D转换接口单元的输出端口与CPU连接，DC/DC电源电路的输出 端口分别与RS-485接口单元、CPU和天线RF单元的输入端口连接。
8、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通 信系统，其特征在于上述无线以太网模块由DC/DC电源电路、以 太网接口单元、CPU和天线RF单元组成；其中以太网接口单元采用 ARM7处理器芯片，并与CPU和天线RF单元实行依次双向连接， DC/DC电源电路的输出端口分别与以太网接口单元、CPU和天线RF 单元的输入端口连接。
9、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通 信系统，其特征在于上述无线GPRS/GSM模块由DC/DC电源电路、 GPRS/GSM单元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口单元组成；其 中GPRS/GSM采用Simens的MC35子模块，并与CPU、天线RF单 元实行依次双向连接，A/D转换接口单元的输出端口与CPU连接， DC/DC电源电路的输出端口分别与RS-232接口单元、CPU和天线 RF单元的输入端口连接。
10、 根据权利要求1所述的基于IEEE 802.15.4技术的短程无线 通信系统，其特征在于上述无线CDMA模块由DC/DC电源电路、 CDMA单元、CPU、天线RF单元和A/D转换接口单元；其中CDMA 采用WAVECOM的TS-WCC1 ，并与CPU、天线RF单元实行依次双 向连接，A/D转换接口单元的输出端口与CPU连接，DC/DC电源电 路的输出端口分别与RS-232接口单元、CPU和天线RF单元的输入 端口连接。
全文摘要
一种基于IEEE 802.15.4技术的短程无线通信系统，由传输层和串行通用模块组成；传输层和串行通用模块之间通过基于IEEE802.15.4技术无线连接。本发明的优点是1.硬件部分结构简单，可根据现场的实际情况进行配置、连接，因此可将多种无线传输和有线传输技术有机地结合起来，使其功能更加齐全、应用更为广泛。2.软件部分是基于IEEE 802.15.4技术的改进，使得系统成本偏低、耗电少、抗干扰能力强，通信效率高。
文档编号H04L29/10GK101552705SQ20081005259
公开日2009年10月7日 申请日期2008年4月2日 优先权日2008年4月2日
发明者吴建兵 申请人:天津伊诺塞特电子技术有限公司