专利名称：一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统及其通信方法
技术领域：
本发明涉及物联网技术领域，具体的涉及一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统
背景技术：
物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。物联网技术被称为是信息产业的第三次革命性创新。物联网可分为三层感知层、网络层和应用层，其中感知层由各种传感器以及传感器网关构成，感知层的主要功能是识别物体，采集信息。经过了几年的技术积累和发展，感知层技术已经有了突飞猛进的技术和产品的进展。而接下来的是网络层和应用层的发展，而当前和未来迈向大规模应用层的关键和是网络传输和分布式智能信息处理，一般情况物联网的网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。而物联网网络层的核心瓶颈是从获取EPC信息传递到互联网的局域无线网络通信传输能力。相对物联网通信传输来说采用的大多数RF的无线网络，其中ZigBee通信协议应用比较广泛，该技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。但ZigBee具有速率低，传输距离短、安全性差，不稳定、受频道资源影响严重特点，不能满足物联网发展需要大量数据信息高速率、长距离、高安全性的需要，存在技术的缺陷和不足。相反可见光通信技术具备高速率、远距离、安全性稳定性，不受频道资源影响的特点恰好弥补了这些不足。具体的来说，使用单一的ZigBee作为一种无线通信连接的物联网系统具有如下特点和不足(I)传输速率低，目前ZigBee可工作在2. 14GHz (全球流行)、868MHz (欧洲流行)和915MHz (美国流行)3个频段上分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，这样一些视频数据和大信道信息很难通过ZigBee协议在短时间完成，也无法满足3G和未来的4G提供局域高速无线通信传输需求。在物联网大规模应用时很难实现无线通信的数据传输支撑，成为物联网未来发展的瓶颈，而可见光通信将可以达到4-8GBbit秒，未来可能超过不可见光的光纤通信速率。(2)功耗低决定传输距离短=ZigBee它的传输距离在10_75m的范围内，虽然可以继续增加，但会增加整个网络成本，提高单位区域的物联网的布网成本。而可见光通信可以达到IOOOMo
(3)综合成本高ZigBee模块的初始成本在6美元左右，在同等面积内物联网系统内采用单一的ZigBee需要的模块数量巨大，总造价成本高，而ZigBee的可见光通信的物联网目前模块成本为已经在I美元左右，同时LED可见光通信可以作为ZigBee和无线网络系统的主干通道，大幅度降低ZigBee模块的数量同时，又使大量数据通信成为可能，大大降低了综合成本。
(4)网络容量受限一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，最理想状态下一个区域内的物联网系统可以同时存在近百个ZigBee网络，但对于大面积海洋湖泊水纹、沙漠变化、森林放火、南极资源考察等大面积区域环境在物联网的网络容量上无法支撑，而且区域与区域之间的通信必须借助其他的通信方式才能完成，大区与大区间也缺少网络支撑，集合ZigBee的可见光通信系统则可以解决以上问题，实现区域庞大的信息流数据传输给GPRS和互联网。(5)安全性比较差=ZigBee无线网络是通过特定的无线电波传送的，所以在这个发射频率的有效范围内，任何具有合适的接收设备的人都可以捕获该频率的信号，这必然会影响到一个局域网络中的安全，除非你部署了端到端的加密技术，否则都无法保障基于RF的物联网络所谓的真正的安全通信，这一点可见光通信的物联网系统具备非常高的安全性和简便性。(6)不稳定不可靠恶劣环境对ZigBee的无线信号的衰减严重，因而无线网络的不稳定性是不可避免的。物联网稳定性是最重要的，因为时断时续的网络，将是致命影响。同时国家对有限的无线网络实行了频道资源管理，需要申请带宽，因为由于有限的频道资源，使这些通道经常发生堵塞，更何况当物联网大量数据传输时，整个无线网络将拥堵不堪，类似停车场。而基于ZigBee与LED的可见光通信相结合的无线网络支撑的物联网系统非常稳定，不需要申请频道资源。(7)时延问题由于ZigBee采用随机接入MAC层，并且不支持时分复用的信道接入方式，因此对于一些实时的业务并不能很好的支持，这就局限了物联网系统的应用集成，因为很多兼容的设备是采用的时分复用模式的。而且由于发送冲突和多跳，使得时延变成一个不易确定的因素。通信时延和从休眠状态激活的时延相对光通信要长，典型的搜索设备时延30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术可以适用于对通常的无线控制(如工业控制场合等)应用，但对于高性能的科研领域这样的时延就过长了，无法满足高性能试验室、天文检测、航天、太空探索、高精尖军事领域的需求，而可见光通信的时延相对ZigBee非常短，几乎没有延时，所以在主干线的节点和关键节点采用可见光通信技术具备在高技术领域具备更广泛的应用前景。(8)如果是移动的点，将无法组建物联网的通信传输网。对于汽车，集装箱等大型移动性强的物体，RFID技术仍然存在许多问题，特别是读写距离问题，读写系统工作灵活性问题，更多的数据储存和功能扩展问题等，而可见光通信具备对任何静态和动态点实现组网通信能力。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种基于ZigBee和LED可见光通信物的联网系统，该物联网系统结合了两项技术的优点，实现了 ZigBee通信技术与可见光通信的技术的结合，根据技术和应用需要实现了近、中、远距离的高速、安全、稳定的通信传输，又具备简易、低功耗、低成本的双项通讯的优势。本发明的另一个目的在于提供一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统的通信方法。为了解决上述技术问题，实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现—种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统,包括处于物联网系统中的实际事物，一设置有各种传感器以及传感器网关的感知模块和一用于实现实际事物信息识别的中央信息系统，以及一用于实现信息交换与共享的分布式系统及开放性的计算机网络；其还包括=ZigBee通信模块和LED可见光通信模块，以及若干的存储着规范且具有互用性的信息的RFID智能标签；所述实际事物安装有所述RFID智能标签，所述感知模块与所述RFID智能标签之间相互通信，然后经过分节点、关键点和主干线与所述ZigBee通信模块之间相互通信，所述ZigBee通信模块与所述LED可见光通信模块之间相互通信，所述LED可见光通信模块与所述中央信息系统之间相互通信，所述中央信息系统与所述分布式系统和开放性的计算机网络之间相互通信。一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统的通信方法，其包括以下步骤步骤101.通过所述RFID智能标签对所述实际事物的属性进行标识，所述属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在所述RFID智能标签中，动态属性需要先由传感器实时探测，然后存储在所述RFID智能标签中；步骤102.通过所述感知模块对所述RFID智能标签的访问，完成对所述实际事物属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；步骤103.通过所述的每个ZigBee通信模块实现节点内各个传感器之间的通信传输，所述ZigBee通信模块将所述实际事物的信息直接传递给所述LED可见光通信模块，也可以通过所述ZigBee通信模块中的任意一个节点，包括终端、中继器、协调器，将所述实际事物的信息传递给所述LED可见光通信模块；步骤104.通过所述LED可见光通信模块实现多个ZigBee通信模块或节点间的长距离稳定通信传输，同时保留所述ZigBee通信模块的协调器之间的信息交流，作为备份和补充；步骤105.通过所述LED可见光通信模块对所述ZigBee通信模块的节点或ZigBee簇群的信息进行集体打包，传输到所述中央信息系统，所述中央信息系统将处理过后的信息传输到所述分布式系统及开放性的计算机网络上。与现有技术相比，具体的说本发明具有以下有益效果基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统克服了 ZigBee无线通信协议的传输信息量小、速率低、距离传输短、安全稳定差的困难，相对于目前实施单一的LED可见光通信技术搭建成本更简易方便，灵活性更强，应用范围更广可以更早的进入市场，基于ZigBee和可见光通信的物联网系统克服了彼此单一使用的缺陷同时发挥两个通信技术的各自优势，实现了绿色健康、搭建简易、操作灵活、更加稳定、高速安全、传输距离实现近中远结合、以及低成本的无线网络通信，必将为互联网、物联网的广泛应用起到重要作用。(I)基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统传输比单一 ZigBee距离更远，可以达到单个模块超过1500米，而ZigBee距离只有2米-75米，这样非常适合大面积的的物联网应用组网，在森林、海洋、湖泊、沙漠、极地考察检测可以有广泛的应用。(2)基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统传输结合较为容易，系统协调性比较强，很容易进行组网。 (4)基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统传输的速率更快，ZigBee技术一般只有40K，最大只有256KB，而现在ZigBee —个模块有6万多个节点时，所获得数据信息将非常庞大，ZigBee通信协议将严重堵塞，无法畅通的进行信息传输，而集合LED可见光通信作为每个协调器的ZigBee网络，将可以在将庞大的数据在每个模块之间快速传输，并将所有模块汇聚的信息流以高速可达4-8GBIT/S的传输给网络处理中心，成为局域无线网络的干线高速公路。(5) ZigBee通信协议与LED可见光通信系统的结合的物联网系统可以使室内可见光无线通信系统更加容易被推广，由于可以ZigBee相对成熟的联盟协议已经有的广泛的应用基础，所以基于ZigBee的可见光通信系统更容易被市场接受。(6)基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统传输有LED可见光光通信作为ZigBee无线网络的干线传输，所以信息安全得到了保证，杜绝了隔墙有耳的发生，这在信息安全和保密方面起到重要，同时又利用ZigBee的灵活的自组网，在微观的网络节点更灵活可以穿墙不受障碍物影响，这样就不需要增加附属设备，就可以低成本安全的实现了隔墙之间的可见光通信传输，这样就成为LED可见光通信系统延伸和扩容的有效补充。本发明的具体实施方式
由以下实施例及其附图详细给出。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。图I是本发明的基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统的框架原理图。图中标号说明1、ZigBee通信模块，2、LED可见光通信模块，3、实际事物，4、RFID智能标签，5、感知模块，6、中央信息系统，7、分布式系统及开放性的计算机网络。
具体实施例方式参见图I所示，一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统，包括处于物联网系统中的实际事物3，一设置有各种传感器以及传感器网关的感知模块5和一用于实现实际事物信息识别的中央信息系统6，以及一用于实现信息交换与共享的分布式系统及开放性的计算机网络7 ;其还包括=ZigBee通信模块I和LED可见光通信模块2，以及若干的存储着规范且具有互用性的信息的RFID智能标签4 ;实际事物3安装有RFID智能标签4，感知模块5与RFID智能标签4之间相互通信，然后经过分节点、关键点和主干线与ZigBee通信模块I之间相互通信，ZigBee通信模块I与LED可见光通信模块2之间相互通信，LED可见光通信模块2与中央信息系统6之间相互通信，中央信息系统6与分布式系统和开放性的计算机网络7之间相互通信。一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统的通信方法，其包括以下步骤步骤101.通过RFID智能标签4对实际事物3的属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在RFID智能标签4中，动态属性需要先由传感器实时探测，然后存储在RFID智能标签4中；
步骤102.通过感知模块5对RFID智能标签4的访问，完成对实际事物3属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；
步骤103.通过的每个ZigBee通信模块I实现节点内各个传感器之间的通信传输，ZigBee通信模块I将实际事物3的信息直接传递给LED可见光通信模块2，也可以通过ZigBee通信模块I中的任意一个节点，包括终端、中继器、协调器，将实际事物3的信息传递给LED可见光通信模块2 ； 步骤104.通过LED可见光通信模块2实现多个ZigBee通信模块I或节点间的长距离稳定通信传输，同时保留ZigBee通信模块I的协调器之间的信息交流，作为备份和补充；步骤105.通过LED可见光通信模块2对ZigBee通信模块I的节点或ZigBee簇群的信息进行集体打包，传输到中央信息系统6，中央信息系统6将处理过后的信息传输到分布式系统及开放性的计算机网络7上。上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所作出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统,包括处于物联网系统中的实际事物(3)，一设置有各种传感器以及传感器网关的感知模块(5)和一用于实现实际事物信息识别的中央信息系统(6)，以及一用于实现信息交换与共享的分布式系统及开放性的计算机网络(7)； 其特征在于，还包括 ZigBee通信模块(I)和LED可见光通信模块(2)，以及若干的存储着规范且具有互用性的信息的RFID智能标签⑷； 所述实际事物(3)安装有所述RFID智能标签(4)，所述感知模块(5)与所述RFID智能标签(4)之间相互通信，然后经过分节点、关键点和主干线与所述ZigBee通信模块(I)之间相互通信，所述ZigBee通信模块(I)与所述LED可见光通信模块(2)之间相互通信，所述LED可见光通信模块(2)与所述中央信息系统(6)之间相互通信，所述中央信息系统(6)与所述分布式系统和开放性的计算机网络(7)之间相互通信。
2.一种根据权利要求I所述的基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统的通信方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤101.通过所述RFID智能标签(4)对所述实际事物(3)的属性进行标识，所述属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在所述RFID智能标签(4)中，动态属性需要先由传感器实时探测，然后存储在所述RFID智能标签(4)中； 步骤102.通过所述感知模块(5)对所述RFID智能标签(4)的访问，完成对所述实际事物(3)属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式； 步骤103.通过所述的每个ZigBee通信模块(I)实现节点内各个传感器之间的通信传输，所述ZigBee通信模块(I)将所述实际事物(3)的信息直接传递给所述LED可见光通信模块(2)，也可以通过所述ZigBee通信模块(I)中的任意一个节点，包括终端、中继器、协调器，将所述实际事物(3)的信息传递给所述LED可见光通信模块(2); 步骤104.通过所述LED可见光通信模块(2)实现多个ZigBee通信模块(I)或节点间的长距离稳定通信传输，同时保留所述ZigBee通信模块(I)的协调器之间的信息交流，作为备份和补充； 步骤105.通过所述LED可见光通信模块(2)对所述ZigBee通信模块(I)的节点或ZigBee簇群的信息进行集体打包，传输到所述中央信息系统(6)，所述中央信息系统(6)将处理过后的信息传输到所述分布式系统及开放性的计算机网络(7)上。
全文摘要
一种基于ZigBee和LED可见光通信的物联网系统，包括处于物联网系统中的实际事物，一感知模块和一中央信息系统，以及一分布式系统及开放性的计算机网络；还包括ZigBee通信模块和LED可见光通信模块，以及若干RFID智能标签；实际事物安装有所述RFID智能标签，感知模块与RFID智能标签之间相互通信，然后经过分节点、关键点和主干线与ZigBee通信模块之间相互通信，ZigBee通信模块与LED可见光通信模块之间相互通信，LED可见光通信模块与中央信息系统之间相互通信，中央信息系统与所述分布式系统和开放性的计算机网络之间相互通信。
文档编号H04W84/18GK102625479SQ201110030779
公开日2012年8月1日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者郭丰亮 申请人:郭丰亮