一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，涉及物联网与通信技术领域。具体地说，涉及将zigbee传感器网络和移动通信网络两种不同协议间的数据进行透明转换，并提供硬件管理接口和动态路由维护等辅助功能的技术。本发明以S3C6410 SoC为核心，通过UART接口外接多个zigbee无线传感器网络单元，通过USB接口外接移动通信网络单元搭建系统硬件平台。软件部分划分为应用层和网络层，在应用层实现外部接口动态管理，维护路由表等功能，在网络层运行TCP/IP协议栈和zigbee协议栈，并运行协议转换程序。硬件部分的可扩展性设计和软件部分的分层设计、动态路由表机制使得该系统在需要大规模布置zigbee传感器网络的应用场景中具有极大的优势。
【专利说明】
一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，属于物联网与通信技术领域。
技术背景
[0002]随着信息通信技术的不同进步，通信网络作为信息通信技术的重要基础，已经从人与人的通信发展到人与物以及物与物并逐渐趋向于从纵向的局部物物相连过渡到横向的跨应用、跨地域的物联网。在这样的背景下，无线传感器网络(WSN)应用而生并在短时间内获得了广泛的应用。无线传感器网络具有低功耗、大规模、自组织网络等特点，可以以一种低成本、高效率的方式实现人与物、物与物间的通信。但是由于应用场景的特殊性，WSN技术一般都应用在局部区域内，网与网之间无法通信，这样构成了一个个信息孤岛，离真正实现全面互联互通、协同感知还有一定距离。此外，各类感知技术种类繁多，且采用不同的通信协议，根本无法实现互联互通。
[0003]Zigbee是WSN技术的一种，作为无线监测与控制的全球性无线通信标准，因其低功耗，自组网等特点得到了越来越多的应用。但是zigbee协议是一种短程无线局域网协议，并且数据传输能力有限，因此，要通过zigbee协议实现远程管理，控制各种传感装置，就需要充分利用现有的网络基础设施，设计zigbee网络与其他网络之间连接的网关设备，这是zigbee传感器网络能够大规模应用的关键。目前各大运营商已建成了覆盖全国的有线、无线通信网络，移动通信网带宽高、数据传输距离远，通过传统通信网络与基于zigbee的传感器网络有机结合，就可以有效解决节点互联互通的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于实现一种可以完成zigbee网络与移动通信网数据透明传输的网关系统。该网关系统可以外接多组zigbee子网络，对于从移动通信网络传输到zigbee子网络的数据进行协议转换后再分发，使数据在zigbee子网络中传输效率提高，因此该系统更加适合在大规模zigbee传感器网络中应用。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案实现:一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，硬件部分由移动通信单元，zigbee传感器网络协调器单元，ARMll处理器单元组成，软件部分由运行于ARMlI处理器之上的嵌入式LINUX操作系统，传感器网络接口，多组zigbee子网络热插拔管理模块，动态路由维护模块、TCP/IP协议与zigbee协议转换模块，移动通信网络接口组成。
[0006]本发明与现有技术相比具有如下优点和效果:
[0007]1.本发明针对zigbee协议与TCP/IP协议之间的转换进行专门优化，使得数据在zigbee侧传输效率提高，在移动通信网一侧处理更加方便。
[0008]2.本发明支持zigbee传感器网络多个子网络接入，在不使用外接扩展接口的情况下，支持三个子网络连接，使用外接硬件接口的情况下可以支持更多，便于在大规模应用环境下使用。
[0009]3.本发明专门设计用于处理多个zigbee子网络的管理模块，使得zigbee协调器可以即插即用，符合实用要求。
[0010]4.本发明移动通信网络接口支持移动3G网络，具有很好的通用性和实用性。
[0011]5.本发明提供zigbee传感器网络设备管理功能，通过调用移动通信网络侧的API应用接口，可以了解底层网络的相关信息，实现远程控制。
[0012]6.本发明具有zigbee无线传感器网络动态路由功能，通过维护zigbee无线传感器网络与物理接口之间的映射表，完成移动通信网络数据发送至zigbee无线传感器网络时的路由功能，使得zigbee无线传感器器网络的低功耗特性更加显著。
【附图说明】
[0013]图1为本发明涉及的网关系统硬件结构图；
[0014]图2为本发明涉及的网关系统软件模块图。
[0015]图3为本发明涉及的网关系统软件执行流程图。
[0016]图4为本发明涉及的网关系统动态路由功能流程图。
【具体实施方式】
[0017]为了使本发明的目的、技术方案更加清楚，下面结合附图对本发明作详细说明。
[0018]如图1所示，一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统硬件部分由移动通信单元，zigbee传感器网络单元和ARM处理器单元组成。
[0019]ARM处理器单元处于核心位置，该单元以三星公司armll处理器S3C6410SoC为核心，外接多个UART接口和一个USB接口，通过UART接口与zigbee传感器网络中的协调器相连，通过USB接口与移动通信单元相连，而NAND FLASH则用于存储系统运行所必须的软件程序以及相应的数据信息。
[0020]zigbee传感器网络单元可以在网关系统中挂接多个，因此该系统可以用于连接多个zigbee子网络，使得系统可以在大规模传感器网络布置的环境中使用。Zigbee传感器网络中节点类型有协调器，路由器和终端节点三种，一个zigbee网络中可以有多个路由器和终端节点，只能有一个协调器，因此，一个传感器网络中唯一的协调器接入网关系统，收集其他两种节点类型采集的数据到网关系统，或者将网关系统要转发的数据发送至对应的节点，zigbee传感器网络中的协调器是传感器网络单元中的核心组成部件。
[0021]移动通信单元为USB接口的3G上网卡，该单元采用华为E1750无线上网卡，支持WCDMA 3G网络制式。
[0022]如图2所示，一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统软件部分由应用层、网络层和内核层组成。
[0023]应用层提供传感器网络接口和移动通信网络接口，运行热插拔管理程序和动态路由管理程序，该层不断地监测传感器网络接口和移动通信网络接口，当有数据收到时，将数据转入网络层进行处理。热插拔管理程序负责在后台监测硬件的变化，并与动态路由管理程序一起负责动态路由表的维护。也就是说，当系统初始化或者有硬件改动时，传递对应的数据到动态路由表管理程序中。
[0024]网络层运行TCP/IP协议栈和zigbee协议栈，以及运行协议转换程序。TCP/IP协议是互联网的基础，得益于LINUX系统对网络协议的完善支持，使得协议转换程序几乎不需要做任何网络底层操作，只需要调用socket接口即可。协议转换程序将socket接口收到的数据加入PANID信息，查询动态路由表，之后将数据转发到对应zigbee子网的UART接口。同时，将各个UART接口接收到的数据去掉PANID信息，发送到socket接口。
[0025]内核层运行linux kernel，考虑到网关系统需要同时完成硬件管理，动态路由表维护，协议转换等任务，整个系统基于操作系统而不是裸跑来运行，是一个更好的选择。嵌入式Iinux丰富的外设驱动、完善的网络支持等特性，使其成为该网关系统的首选。内核层由进程调度系统、内存管理系统、虚拟文件系统、进程间通信系统和网络接口系统组成，这些子系统以进程调度为核心，各个部分相互依赖，相互合作，共同搭建起Iinux的内核系统。另外，内核层还需要管理USB接口和UART接口驱动，在内核源代码的基础上，通过对内核的裁剪定制，添加了 3G上网卡的驱动，完成内核的移植。
[0026]如图3所示为网关系统的运作流程。网关系统实现的功能是监测连接UART接口的zigbee协调器和连接USB接口的3G网卡设备，如果收到UART接口的数据，则将其转化为TCP/IP数据，并从网络接口发送出去；如果收到3G网络接口发送过来的数据，则将其转化为zigbee数据，并查询动态数据路由表，选择相应的UART接口，将数据发送到指定的zigbee无线传感器网络中。
[0027]如图4所示，网关系统采用的一种基于"动态路由表"的数据转发机制。网关系统需要维护一张UART端口号到zigbee协调器PANID之间的路由表。当系统上电时，检查文件系统中是否存在路由表，若不存在则建立该路由表；每当有socket数据收到时，解析收到的数据，提取出zigbee子网络的PANID信息，查询对应的UART端口并将数据发送过去；在每次收发数据之后，更新路由表。
【主权项】
1.一种应用于大规模Zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在于该网关系统硬件部分分为移动通信单元、zigbee传感器网络单元和ARMll处理器单元三个部分；系统软件部分由应用层、网络层和内核层三部分组成；系统采用一种基于“动态路由表”的数据转发机制。2.根据权利要求1所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于ARMll处理器单元通过UART接口与zigbee传感器网络单元相连，通过USB接口与移动通信单元相连。3.根据权利要求2所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于该系统采用的zigbee传感器网络单元通过UART接口接入ARMll处理器单元，可以接入三个或者更多。4.根据权利要求3所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于通过扩展UART接口，系统可以接入多个zigbee传感器子网络，便于在大规模应用场景下布置实施。5.根据权利要求1所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于zigbee传感器网络单元与移动通信单元支持热插拔，系统能够对硬件模块进行动态实时管理。6.根据权利要求1所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于系统软件部分划分为应用层和网络层，应用层负责外设接口管理和动态路由表维护，在接口收到数据时，将数据转入网络层，网络层运行TCP/IP协议栈和zigbee协议栈，负责数据在不同协议栈中的解包和打包过程，完成不同协议间数据的透明转换。7.根据权利要求6所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于应用层维护动态路由表，根据系统初始化和硬件热插拔机制来维护一张UART端口到zigbee协调器PANID之间的路由表。8.根据权利要求7所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于zigbee传感器网络侧的数据通过网关系统不访问路由表，移动通信网络侧的数据则需要访问路由表来决定数据转发的端口，从而显著提高系统带宽，降低功耗。9.根据权利要求7所述的一种应用于大规模zigbee传感器网络与移动通信网的网关系统，其特征在还在于在系统断电时，可以将动态路由表保存到文件系统中，在系统重启时可根据配置信息选择重建路由表或者重新载入保存的路由表。
【文档编号】H04W88/16GK105898900SQ201510034237
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】王军, 王一军, 张曾洋, 徐川, 王国成
【申请人】王军, 王一军, 张曾洋, 徐川, 王国成