一种通过Zigbee协议进行设备位置自动建模的方法与流程

一种通过zigbee协议进行设备位置自动建模的方法
技术领域
1.本技术涉及数字通信领域，并且更为具体地，涉及一种通过zigbee协 议进行设备位置自动建模的方法。


背景技术：

2.随着智能家居设备的不断普及，用户的家庭中配置有越来越多的家居 设备。为了对用户进行更好的服务，需要建立这些家居设备之间的联系， 因此能够通过手机和此类家居设备自动地计算出不同设备之间的距离。然 后根据家居设备的类型，就能对各种家具设置进行建模，从而将用户家庭 内的各种设施以数字化方式呈现。
3.zigbee，也称紫蜂协议，是一种与蓝牙协议类似的低速短距离传输的 无线网上协议，底层是采用ieee 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。 主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓 扑、低复杂度、快速、可靠、安全。
4.zigbee作为一项新型的无线通信技术，其具有传统网络通信技术所不 可比拟的优势，既能够实现近距离操作，又可降低能源的消耗。又如，相 较于蓝牙等无线通信技术，zigbee无线通信技术可有效降低使用成本，即 便数据处理的速率并不高，然而，值得肯定的是，zigbee无线通信技术更 为便利，可作为众多用户的理想选择。
5.因此，当今众多移动通信终端和智能家居设备都支持zigbee协议。然 而本领域中至今尚未实现藉助于支持zigbee通信协议的移动通信终端和智 能家居设备来实现数字家庭的方式。


技术实现要素：

6.鉴于上述问题，本技术提出了一种通过支持zigbee通信协议的移动通 信终端和智能家居设备来自动构建数字家庭的技术。在实际使用中，利用 本发明所述的技术并结合智能家居app，就能在app中展示家庭结构和家 庭内智能设备的位置以及其它基本信息，并能实时定位家居设备在家庭中 的位置，从而实现用户对智慧家庭的实时掌控。
7.以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。 此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在标识出所有方面 的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目 的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以作为稍后给出的更加 详细的描述之序。
8.根据一示例，描述了一种通过zigbee协议进行设备位置自动建模的方法， 包括：
9.s1：布置三个支持zigbee协议的设备x、y、z并组建网络，支持zigbee 协议的家居设备a加入网络；
10.s2：安装有zigbee协议的移动终端通过zigbee协议中的zdc cluster获 取设备a的设备信息以及设备a与设备x、y、z之间的信号强度；
11.s3：基于设备信息和信号强度来计算移动终端与设备a之间的第一距离；
12.s4：基于第一距离和信号强度来计算设备a与设备x、y、z之间的第二 距离；
13.s5：基于设备x、y、z来建立坐标系；
14.s6：基于坐标系、第一距离以及第二距离来计算设备a的坐标。
15.根据本技术的优选实施例，组建网络进一步包括：
16.分别以设备x、y、z作为协调器，利用zdc cluster获取设备a的设备 信息以及设备a与协调器设备之间的信号强度。
17.根据本技术的优选实施例，zdc cluster定义两个服务：
18.getdeviceinfo服务用于查询网络中其他设备信息，传递设备a的设备信 息；
19.refreshdistancevector服务用于更新设备a与协调器设备之间信号强度信 息。
20.根据本技术的优选实施例，zdc cluster由应用支持子层数据实体apsde 承载，并且在应用程序框架af内部，zigbee设备对象通过apsde
‑
sap 来收发数据，用于在测距过程中传递对象属性。
21.根据本技术的优选实施例，第一距离和第二距离的计算基于以下公式：
[0022][0023]
其中，
[0024]
rssi指示接收信号的强度，其描述设备之间实际信号强度；
[0025]
a
i
指示发射端和接收端相隔1米时的信号强度；
[0026]
n指示环境衰减因子；
[0027]
k指示指数；而
[0028]
abs指示取绝对值，
[0029]
其中k与a
i
的默认值因设备类型而异。
[0030]
根据本技术的优选实施例，通过以下公式来计算环境衰减因子：
[0031][0032]
其中l是两个设备之间的距离。
[0033]
根据本技术的优选实施例，计算设备a的坐标进一步包括：
[0034]
分别以x、y、z设备为圆心，以设备a与设备x、y、z之间的第二距 离为半径画圆，三个圆的交点为设备a的坐标。
[0035]
根据本技术的优选实施例，当新设备d加入网络时，以设备d为协调器 建立网络，通过zdc cluster查询网络中的其它设备的设备信息和信号强度， 计算设备d与设备x、y、z之间的距离，以计算设备d的坐标。
[0036]
根据本技术的优选实施例，当设备a发生位置变化时，以设备a为协调 器建立网络，通过zdc cluster查询网络中的其它设备的设备信息和信号强度， 计算设备a与设备x、y、z之间的距离，以计算设备a的新坐标。
[0037]
根据本技术的优选实施例，zdc cluster基于zigbee协议。
[0038]
利用本技术所描述的方法，解决了支持zigbee通信协议的设备之间位 置相关信息的交互问题。具体地，通过扩展zigbee通信协议标准，本发明 提出了zdc cluster标准，可以使各设备之间能够交换设备、位置和信号强 度信息。
[0039]
本技术的方法还通过多次组网，从而获取支持zigbee通信协议的各设 备之间距离，从而能够进一步描述各设备的空间位置。具体地，通过zdccluster完成信号强度信息
采集和获取，并在移动终端完成距离的计算，通 过设备之间的相互距离来建立各设备的坐标系，从而对家居设备进行位置 空间的建模。
[0040]
为能达成前述及相关目的，这一个或多个方面包括在下文中充分描述 并在所附权利要求中特别指出的特征。以下描述和附图详细阐述了这一个 或多个方面的某些解说性特征。但是，这些特征仅仅是指示了可采用各种 方面的原理的各种方式中的若干种，并且本描述旨在涵盖所有此类方面及 其等效方案。
附图说明
[0041]
为了能详细理解本技术的以上陈述的特征所用的方式，可参照各方面 来对以上简要概述的内容进行更具体的描述，其中一些方面在附图中解说。 然而应该注意，附图仅解说了本技术的某些典型方面，故不应被认为限定 其范围，因为本描述可允许有其他等同有效的方面。
[0042]
在附图中：
[0043]
图1是解说根据本技术的实施例的支持zigbee的家居设备来测量各家 居设备的相对位置的流程图；以及
[0044]
图2是解说根据本技术的实施例的星形组网示意图。
具体实施方式
[0045]
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而无意表示 可实践本文所描述的概念的仅有配置。本详细描述包括具体细节以提供对 各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员将显而易见的是，没有 这些具体细节也可实践这些概念。在某些实例中，以框图形式示出众所周 知的组件以便避免淡化此类概念。
[0046]
应当理解，基于本公开，其他实施例将是显而易见的，并且可以在不 脱离本公开的范围的情况下做出系统、结构、过程或机械改变
[0047]
如上，申请人所要声明的是，本技术中所提及的移动智能终端和智能 家居设备都支持zigbee通信协议。
[0048]
具体地，本技术在基础的zigbee通信协议的基础上，通过自定义的 distance vector cluster(距离向量群集)，使得智能家居设备在通过zigbee 通信协议建立网络后，能够将其自身的设备类型和设备安装属性传输给组 网协调器设备。
[0049]
以下详细描述本技术所涉及的distance vector cluster(距离向量群 集)。
[0050]
众所周知，zigbee的结构分为4层：分别是物理层、mac层、网络/ 安全层和应用/支持层。其中应用/支持层与网络/安全层由zigbee联盟定义， 而mac层和物理层由iee802.15.4协议定义，以下为各层在zigbee结构中 的作用：
[0051]
物理层：作为zigbee协议结构的最低层，提供了最基础的服务，为上 一层mac层提供了服务，如数据的接口等等。同时也起到了与现实(物理) 世界交互的作用；
[0052]
mac层：负责不同设备之间无线数据链路的建立、维护、结束、确认 的数据传送和接收；
[0053]
网络/安全层：保证了数据的传输和完整性，同时可对数据进行加密；
[0054]
应用/支持层：根据设计目的和需求使多个器件之间进行通信。
[0055]
设备支持的标准能力通过profile来描述，每个profile包含一组cluster (群集)。本发明提出了新的zigbee distance vector cluster(zigbee距离 矢量群集，简称zdc cluster，zdc群集)。zdc cluster定义了如下表的 两个command(命令)。
[0056]
getdeviceinfo查询设备信息与距离信息refreshdistancevector更新距离向量
[0057]
zigbee distance vector cluster定义的attribute(属性)
[0058]
cteictei码ver当前设备信息上报协议的版本fw_ver终端的固件版本号dev_type设备类型category_id大类idtype_id小类idcteictei码basic_signal_name1保持连接的设备1base_signal_strength1zigbee设备基础信号强度信息1ctei_1ctei码ver_1当前设备信息上报协议的版本fw_ver_1终端的固件版本号category_id_1大类idtype_id_1小类idbase_signal_strength4zigbee设备基础信号强度信息4......basic_signal_namen保持连接的设备nbase_signal_strengthnzigbee设备基础信号强度信息n
[0059]
zdc cluster数据对象由apsde(application support sublayer data entity，应用支持子层数据实体)来承载。在应用程序框架(application framework，af)内部，zigbee设备对象通过apsde
‑
sap来收发数据， 用于在测距过程中传递对象属性。
[0060]
本发明提出的zdc cluster对外提供getdeviceinfo和 refreshdistancevector两个命令。
[0061]
其中，getdeviceinfo服务用于查询网络中的其他设备信息以及传递设 备基本信息，包括设备码、协议版本信息、固件版本号、大类id、小类id， 家居设备收到协调器设备的信号强度。
[0062]
refreshdistancevector服务用于更新家居设备与协调器设备之间信号强 度信息。在家居设备在收到数据包后，在af(应用程序框架)结构体中提 取rssi，作为家居设备收到协调器设备的信号强度。
[0063]
以下详细描述通过根据本发明描述的zigbee协议连接了本发明所涉及 的家居设备后，通过zigbee协议组建星形拓扑网络。协调器设备首先选择 网络信道，设置网络id，家居设备(终端节点)通过refreshdistancevector 服务更新与消息发送者之间的信号强度rssi，协调器通过getdeviceinfo服 务向连接到zigbee网络中的设备查询其设备信息以及
信号强度。
[0064]
支持zigbee通信的家居设备之间基础测距公式是 [0065]
其中每个变量和参数的含义如下：
[0066]
rssi
‑
接收信号强度变量，该变量描述设备与设备之间的信号的实际 强度；
[0067]
a
i
‑
发射端和接收端相隔1米时的信号强度；
[0068]
n
‑
环境衰减因子参数，使用时需要根据本发明提出的方法在具体的环 境中进行校准；
[0069]
k
‑
指数参数；
[0070]
abs
‑
取绝对值。
[0071]
注意，针对不同类型的设备，公式f(rssi,n)中参数k与a
i
的默认 值是不同的，在出厂时候该默认值被写入到设备固件的存储里。其中设备 类型与k与a
i
的对应关系如下。
[0072]
设备类型码类型名称k默认值a
i
默认值025001音箱1059007011传感器1045007001开关9.845024001摄像头9.550007033门锁10.550
[0073]
通过zigbee中的zdc cluster，就能够实现移动终端与支持zigbee的 家居设备交互。其交互流程如附图1所示。通过本发明所提供的zdc cluster 来获取支持zigbee通信的家居设备位置的过程如下。
[0074]
步骤s1
[0075]
收集三个支持zigbee通信协议的设备x、y、z与家居设备间的信号 强度。该步骤主要分为以下子步骤。
[0076]
步骤s1
‑1[0077]
在家庭内布置三个支持zigbee通信协议的设备x、y、z，并将设备x、 y、z两两固定距离1米，以x设备作为协调器来组建网络。首先遵照zigbee 标准，选择信道设备网络id，等待其他家居设备发送关联请求，申请加入 该网络。其中网络拓扑是星形。
[0078]
协调器x通过zdc cluster中提供的refreshdistancevector服务来更新 网络中设备与x间的信号强度，通过getdeviceinfo服务查询网络中家居设 备信息与实际信号强度a
x
、rssi
x
值。
[0079]
步骤s1
‑2[0080]
分别以y、z设备为协调器组建网络，家居设备作为终端设备加入该 网络，y、z设备分别通过zdc cluster中提供的refreshdistancevector服务 和getdeviceinfo服务来查询网络中家居设备信息与实际信号强度a
y
、a
z
、 rssi
y
和rssi
z
的值。
[0081]
步骤s2
[0082]
移动终端采集x、y、z设备上的距离向量信息。移动终端上的zigbee 客户端组建网络，通过zdc cluster的查询距离向量接口以获取x、y、z 中存储的各家居设备与x、y、z之间的信号强度以及家居设备信息。
[0083]
步骤s3
[0084]
基于x、y、z设备与家居设备之间的实际信号强度，移动终端通过 zigbee客户端将a0、rssi0带入测距公式得到计算衰减因子的公式：
[0085][0086]
其中l是两个设备之间的距离。
[0087]
将衰减因子n0代入测距公式，得到zigbee客户端所在移动终端和支持 zigbee通信协议的家居设备之间的距离计算公式：
[0088][0089]
步骤s4
[0090]
计算支持zigbee通信协议的家居设备与x、y、z设备之间的距离。
[0091]
移动终端的zigbee客户端通过步骤s3中得到的设备间测距公式f (rssi)、以及步骤s2中得到家居设备与x、y、z设备的实际信号强度， 分别计算每个家居设备到三个支持zigbee的设备x、y、z之间的距离l
x
、 l
y
、l
z
。
[0092]
步骤s5
[0093]
将设备x设为原点、x、y的连线为数轴水平方向，与x、y、z平面 竖直的方向作为数轴垂直方向，建立坐标系。
[0094]
步骤s6
[0095]
基于步骤s5中建立的坐标系，通过步骤s4得到的支持zigbee的家居 设备到支持zigbee的设备x、y、z之间的距离，通过ctei码选择同一家居 设备a与x、y、z的距离l
x
、l
y
、l
z
。以x为圆心l
x
为半径画圆r
x
、以 y为圆心l
y
为半径画圆r
y
、以z为圆心l
z
为半径画圆r
z
，三个圆r
x
、r
y
、r
z
交汇的点即为家居设备所在坐标。
[0096]
针对所采集到的家居设备(通过ctei码来标识)，就能够按照以上步 骤分别计算各个家居设备在步骤s5建立的坐标系中的坐标。
[0097]
根据本技术的方法还能在网络中新加入设备d时，计算该新设备d的 位置。
[0098]
首先，将设备d作为协调器建立星形拓扑网络。
[0099]
然后，设备d通过zdc cluster定义的服务来查询网络中其他家居设 备的设备信息与信号强度。
[0100]
第三，移动终端的zigbee客户端通过步骤s4计算出设备d与x、y、 z之间的距离l
ab
、l
ac
、l
bc
。
[0101]
第四，移动终端的zigbee客户端使用步骤s6来计算出d的坐标，完 成d的位置确认。
[0102]
当网络中的现有设备发生位置变化时，利用本技术的方法能够监测支 持zigbee的智能家居设备在家庭中的位置变化。
[0103]
为了解说并帮助理解本技术的组网过程，图2中解说了根据本技术的 实施例的星形组网示意图。
[0104]
相对于现有技术中存在的解决方案，本技术所提供的系统和方法具有以下 优势。
[0105]
首先，在现有的zigbee通信协议中增加了距离向量群集(zdc cluster)， 因此加载有本发明提出的距离向量群集配置文件的家居设备就能够通过 zdc cluster定义的命令来查询计算家居设备的位置所需的信号强度等信 息。
[0106]
其次，通过本技术的方法所提出的测距计算公式，能够基于移动终端 的客户端来计算其与支持zigbee通信协议的家居设备之间的距离，以及设 备和设备之间的距离。
[0107]
第三，通过支持zigbee通信协议的家居设备之间的距离，就能够建立 一个坐标系，然后根据本发明提出的测距计算公式，就能够对后续加入到 这个家居设备群体中的、支持zigbee通信的家居设备进行测距，从而得到 新加入设备的距离。或者在现有家居设备发生位置变动时，能够监测其实 时位置。
[0108]
最终能够得到各类家居设备之间相互距离的信息，从而描述这些家居 设备在家庭内部位置信息，从而对家居设备位置进行自动建模。
[0109]
应该理解，所公开的方法中各步骤的具体次序或阶层是示例性过程的 解说。基于设计偏好，应该理解，可以重新编排本文描述的方法或方法体 系中各步骤的具体次序或阶层。所附方法权利要求以样本次序呈现各种步 骤的要素，且并不意味着被限定于所呈现的具体次序或阶层，除非在本文 中有特别叙述。
[0110]
提供先前描述是为了使本领域任何技术人员均能够实践本文中的各种 方面。对这些方面的各种改动将容易为本领域技术人员所明白，并且在本 文中所定义的普适原理可被应用于其他方面。因此，权利要求并非旨在被 限定于本文中所示出的各方面，而是应被授予与权利要求的语言相一致的 全部范围，其中对要素的单数形式的引述并非旨在表示“有且仅有一个”(除 非特别如此声明)而是“一个或多个”。除非特别另外声明，否则术语“一些
”ꢀ
指的是一个或多个。引述一列项目中的“至少一个”的短语是指这些项目的 任何组合，包括单个成员。作为示例，“a、b或c中的至少一者”旨在涵盖： 至少一个a；至少一个b；至少一个c；至少一个a和至少一个b；至少一 个a和至少一个c；至少一个b和至少一个c；以及至少一个a、至少一个b 和至少一个c。本公开通篇描述的各种方面的要素为本领域普通技术人员当 前或今后所知的所有结构上和功能上的等效方案通过引述被明确纳入于 此，且旨在被权利要求所涵盖。此外，本文中所公开的任何内容都并非旨 在贡献给公众，无论这样的公开是否在权利要求书中被显式地叙述。