专利名称：ZigBee蜂窝网络的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种ZigBee蜂窝网络。
背景技术：
现有的网络技术已比较成熟，例如中国专利文献公告号CN1394038 公开了一种IP网络节点发现方法，以IP网络中的路由器节点作为种子节 点，利用其路由表和ARP表的信息查找下一跳路由器和与该节点直连的子 网中各主机加以记录，并对点对点方式连接的路由器采取在IP地址范围内 从两端优先进行的快速查找方法，允许人工干预跳过网络中不支持S丽P的 路由器，从而提高网络节点发现方法的运行效率。同一个网段中，若两个网络设备(如终端与终端、终端与路由器)之 间可直接通讯，而无需其他中继设备，则它们的最远通信距离就被称为一 跳。ZigBee技术是一种短距离通信方式，具有低功耗、低成本、体积小等 优点，^皮认为是构建无线传感器网络的首选方式。对于环境监测、智能小区等应用，需要在一个很大的覆盖区域内构建 无线传感器网络。虽然在ZigBee规范中， 一个协调器可以控制65536个结 点，但是，当网络节点数很多时会导致各个节点发送数据的时间相差很长， 耗能相差悬殊。假设65536个结点均匀分布在一个半径为700米的圆形的 区域内，协调器放置在圆形区域的中心，其ZigBee终端(ZE)分布密度d 为d = __ = 0.0426 (个/平方米) 700x700x3.14即每100平方米内平均约4个结点。设ZigBee网络一跳的传输距离为70 米，则位于圓形区域边界上的结点需要10跳才能将数据传输到协调器。这 样，将会导致位于协调器附近的结点(一般为路由器)承担中继任务的次 数太多、时间很长，耗电量大。对于一个实际的应用环境，传感器结点难以应用在没有遮挡的平面上，复杂的传输环境会使一跳的传输距离更短， 致使跳数更多，位于协调器附近的结点的电池消耗更快。另外，随着相同 数据帧重传次数的增加，使得结点竟争信道的频度增加，导致冲突概率增 加，这将降低通信的可靠性。类似的技术方案如中国专利文献公告号CN201044130公开的一种用 区域化无线网络传输公交车辆信息的装置，由网络协调器和区域路由站牌 以及ZigBee终端(ZE)站牌组成一定范围的树形拓朴结构的传输网络，传 输网络交界处放置有边界路由站牌；区域路由站牌和终端站牌内放置有站 牌信息模块、车辆信息模块、中央处理单元和显示器。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种ZigBee蜂窝网络，以在较大的 覆盖区域内有效减少位于协调器附近的路由器所承担的中继任务的次数， 确保网络数据传输的效率和可靠性。为解决上述技术问题，本发明设计了一种ZigBee蜂窝网络，包括网 关和虫奪窝式布置的多个ZigBee子网，各相邻的ZigBee子网之间、网关和 与其相邻的ZigBee子网之间采用符合ZigBee规范的无线传输或者采用 433MHz频段(免费频段)进行无线传输；网关接收来自各ZigBee子网的数 据并进行协议转换，然后与Internet网或移动网络进行无线通讯。所述ZigBee子网的^隻盖区域呈正六边形，ZigBee子网包括ZigBee 协调器、以ZigBee协调器为中心而布置的多个ZigBee路由器及多个ZigBee 终端；相邻的ZigBee 3各由器之间、ZigBee 3各由器和与其相邻的ZigBee终 端之间、ZigBee协调器和与其相邻的ZigBee路由器之间、ZigBee协调器 和与其相邻的ZigBee终端之间采用符合ZigBee规范进行无线传输，且以 较低的功率发送频段在2. 4GHz的无线信号，并采用CSMA/CA协议竟争第2 至16信道。相邻两个ZigBee子网中的ZigBee协调器之间、网关和与其相邻的 Z i gBee协调器之间的无线传输采用第 一信道，用于实现相邻Zi gBee子网之 间或ZigBee子网与网关之间进行点对点通信，且所述无线传输采用较高功 率。所述网关包括MCU模块、以及与MCU模块相连的采用2. 4GHz频带的ZigBee收发才莫块、与MCU坤莫块相连的用于与Internet网进行无线通讯的以 太网模块、与MCU模块相连的用于与移动网络进行无线通讯的GSM/CDMA模 块。ZigBee蜂窝网络一跳的传输距离为70-1000米，则当ZigBee终端与 一 ZigBee协调器的距离在一跳范围内时，ZigBee终端直接将数据发送给该 ZigBee协调器；当ZigBee终端与一 ZigBee协调器的距离超过一跳范围时， 该Z i gBee终端通过至少 一个Z i gBee路由器将数据转发到该Z i gBee协调器。ZigBee协调器对接收到的数据按数据帧进行判断若是重复帧，则删除该帧；若不是重复帧，且该ZigBee协调器距网关在一跳范围内，则ZigBee 协调器直接将数据发送到网关，网关对该凄t据进行分析和处理，并进行协 -汉变换，然后传输到Internet或移动网络；若不是重复帧，且该ZigBee协调器距网关不在一跳范围内，则ZigBee 协调器将接收的数据发送到相邻ZigBee子网的ZigBee协调器，由其负责 中继，直至将所述数据发送到网关；网关对该数据进行分析和处理，并进 4亍协议变换，然后传IIT到Internet网或移动网纟各。与现有技术相比，本发明具有以下积极效果(l)本发明中，各ZigBee 子网按蜂窝式布置，有效缩短了 ZigBee子网内节点(包括路由器和终端设 备)之间的彼此通信距离，减少了中继次数；同时也减少了不同ZigBee子 网之间通信时的中继次数，确保了 ZigBee网络数据传输的效率和可靠性。 (2 )本发明中，各ZigBee路由器和ZigBee终端以ZigBee协调器为中心 而布置，有效缩短了 ZigBee子网内各节点间凝:据传输的实际距离，确保了 ZigBee网络数据传输的效率和可靠性，并满足数据传输时间延迟的要求。 各ZigBee子网之间通过ZigBee协调器通信；两ZigBee协调器可直接通信， 或通过l个或多个ZigBee协调器中继后通信，这取决于其间的距离。(3) 本发明中，ZigBee子网内各节点间的间距较短，故采用较低的功率发送无 线信号，并采用CSMA/CA协议竟争第2至16信道；相邻两个ZigBee子网 之间、ZigBee子网与网关之间距离相对较大，故采用功率较高的无线信号； 其间采用第一信道，有效防止了在ZigBee子网之间、ZigBee子网与网关之 间通讯时发生信道堵塞的现象，确保了 ZigBee网络数据传输的效率和可靠性。
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并 结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中图1为本发明实施例1中的ZigBee蜂窝网络的原理结构图。 图2为本发明实施例2中的ZigBee蜂窝网络的原理结构图。 图3为本发明实施例1中网关的结构图。 图4为本发明实施例2中基站的结构图。 图5为本发明实施例2中网关的结构图。图6为本发明实施例2的433MHz无线收发模块所发送数据帧的格式， 其中帧类型用于表示数据帧和命令帧。
具体实施方式
(实施例1)见图1,本实施例的ZigBee ifr窝网络，包括网关2和^^窝式布置的 多个ZigBee子网1，各相邻的ZigBee子网1之间、网关2和与其相邻的 ZigBee子网1之间釆用符合ZigBee规范的无线传输；网关2接收来自各 ZigBee子网1的数据并进^f亍协议转换，然后与Internet网4或移动网络3 进行无线通讯。所述ZigBee子网1的覆盖区域呈正六边形，ZigBee子网1包括ZigBee 协调器ZC、以ZigBee协调器ZC为中心而布置的多个ZigBee路由器ZR及 多个ZigBee终端ZE;相邻的ZigBee路由器ZR之间、ZigBee路由器ZR和 与其相邻的ZigBee终端ZE之间、ZigBee协调器ZC和与其相邻的ZigBee 路由器ZR之间、ZigBee协调器ZC和与其相邻的ZigBee终端ZE之间采用 符合ZigBee规范进行无线传输，且以较低的功率发送频段在2. 4GHz的无 线信号，并采用CSMA/CA (即载波监听多路访问/冲突防止)协议竟争第2 至16信道。相邻两个ZigBee子网1中的ZigBee协调器ZC之间、网关2和与其相 邻的ZigBee协调器ZC之间的无线传输采用第一信道，用于实现相邻ZigBee 子网1之间或ZigBee子网1与网关2之间进4亍点对点通信，且所述无线传 输采用较高功率。
见图2，所述网关2包括MCU模块、以及与MCU模块相连的采用2. 4GHz 频带的ZigBee收发模块、与MCU4莫块相连的用于与Internet网4进行无 线通讯的以太网模块、与MCU ;^莫块相连的用于与移动网络3进行无线通讯 的GSM/CDMA才莫块。ZigBee蜂窝网络一跳的最大传输距离为100米(其他实施例中，可以 为70-1000米间的任意值)，则当ZigBee终端ZE与一 ZigBee协调器ZC 的距离在一跳范围内时，ZigBee终端ZE直接将数据发送给该ZigBee协调 器ZC;当ZigBee终端ZE与一 ZigBee协调器ZC的距离超过一跳范围时， 该ZigBee终端ZE通过至少一个ZigBee路由器ZR将数据转发到该ZigBee 协调器ZC。ZigBee协调器ZC对接收到的数据按数据帧进行判断 若是重复帧，则删除该帧；若不是重复帧，且该Zi gBee协调器ZC距网关2在一跳范围内，则ZigBee 协调器ZC直接将数据发送到网关2 ，网关2对该数据进行分析和处理，并 进行协议变换，然后传输到Internet4或移动网络3;若不是重复帧，且该ZigBee协调器ZC距网关2不在一跳范围内，则 ZigBee协调器ZC将接收的数据发送到相邻ZigBee子网1的ZigBee协调器 ZC,由其负责中继，直至将所述数据发送到网关2;网关2对该数据进行分 析和处理，并进行协议变4奐，然后传输到Internet网4或移动网络3。(实施例2 )在实施例1的基础上，本实施例有如下变形各相邻的ZigBee子网1之间、网关2和与其相邻的ZigBee子网1之 间采用433MHz频段进行无线传输。见图2，所述ZigBee子网1包括基站BS、以基站BS为中心而布置 的多个ZigBee路由器ZR及多个ZigBee终端ZE;相邻的ZigBee路由器ZR 之间、ZigBee路由器ZR和与其相邻的ZigBee终端ZE之间、基站BS和与 其相邻的ZigBee路由器ZR之间、基站BS和与其相邻的ZigBee终端ZE之 间采用符合ZigBee规范的无线传输，且以较低的功率发送频段在2.4GHz 的无线信号，并采用CSMA/CA协议竟争第1至16信道。所述相邻ZigBee子网1中的基站BS之间、网关2和与其相邻的基站
BS之间采用点对点的无线传输，且发射功率4交高、频段为433MHz。见图4，所述基站BS包括依次相连的ZigBee协调器、协议转换模块 和433MHz无线收发模块；ZigBee协调器将接收的数据进行解码后传输给协 议转换模块，协议转换模块将该数据进行一各式转换并传输给433MHz无线收 发模块，433MHz无线收发模块以较高功率发射频段在433MHz。ZigBee子网内各节点间的通讯采用较^f氐功率且频段在2. 4GHz的无线信 号；相邻两个ZigBee子网之间、ZigBee子网与网关之间釆用较高功率且发 射频段在433MHz的无线信号；使ZigBee子网内各节点间的数据传输可采 用16个信道，确保了传输效率；ZigBee子网之间、ZigBee子网与网关之 间通讯时采用另一频段，避免了发生信道堵塞的现象，确保了ZigBee网络 数据传输的效率和可靠性。见图5，所述网关2包括MCU模块、与MCU模块相连的433MHz无线 收发模块、与MCU模块相连的用于与Internet网4进行无线通讯的以太网 模块、以及与MCU模块相连的用于与移动网络3进行无线通讯的GSM/CDMA 模块；基站BS中的ZigBee协调器将来自各ZigBee终端ZE的数据传输到 协议转换模块，以进行格式转换并发送至433MHz无线收模块，433MHz无线 收模块将该数据发送到相邻ZigBee子网1的基站BS或网关2,以与移动网 纟各3或Internet4进行无线通讯。ZigBee蜂窝网络一跳的传输距离为70米，则当ZigBee终端ZE与一基站BS的距离在一跳范围内时，ZigBee终端 ZE直接将数据发送给该基站BS;当ZigBee终端ZE与一基站BS的距离超过一跳范围时，ZigBee终端 ZE通过至少一个ZigBee 3各由器ZR将数据转发到该基站BS;基站BS中的ZigBee协调器对所述数据按数据帧进行判断若是重复帧，则删除该帧；若不是重复帧，则将该数据传输给协议转换模块，由其进行数据的格 式转换后送至433MHz无线收发模块；若所述基站BS距网关2在一跳范围内，则该433MHz无线收发模块直 接将该数据发送到网关2;网关2对该数据进行分析和处理，并进行协议变 换，然后传输到Internet4或移动网络3;若所述基站BS距网关2不在一跳范围内，则该433MHz无线收发^f莫块
将该数据发送到相邻ZigBee子网1的基站BS,由其负责中继，直至将数据 发送到网关2;网关2对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传 丰俞到Internet4或移动网络3。ZigBee协调器中存储各ZigBee子网的地址，当ZigBee终端向ZigBee 协调器或网关传输信号时(数据帧)，ZigBee协调器根据ZigBee子网地址 和结点地址判断接收的数据帧是否需要中继。当网关向ZigBee终端发送控 制命令时，ZigBee协调器根据子网地址和结点地址来决定接收命令的结点。由于ZigBee蜂窝网络的数据传输量相对较少，为了有效的利用信道， 433MHz收发模块之间收发数据时，采用CSMA/CA协议。
权利要求
1、一种ZigBee蜂窝网络，其特征在于包括网关(2)和蜂窝式布置的多个ZigBee子网(1)，各相邻的ZigBee子网(1)之间、网关(2)和与其相邻的ZigBee子网(1)之间采用符合ZigBee规范的无线传输或者采用433MHz频段进行无线传输；网关(2)接收来自各ZigBee子网(1)的数据并进行协议转换，然后与Internet网(4)或移动网络(3)进行无线通讯。
2、 根据权利要求1所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于所述ZigBee 子网(1)的覆盖区域呈正六边形，ZigBee子网(1)包括ZigBee协调器(ZC)、以ZigBee协调器(ZC )为中心而布置的多个ZigBee路由器(ZR ) 及多个ZigBee终端(ZE );相邻的ZigBee路由器(ZR )之间、ZigBee路由器(ZR )和与其相邻的 ZigBee终端(ZE )之间、ZigBee协调器(ZC )和与其相邻的ZigBee路由 器(ZR)之间、ZigBee协调器(ZC )和与其相邻的ZigBee终端(ZE )之间 采用符合ZigBee规范进行无线传输，且以较低的功率发送频段在2. 4GHz 的无线信号，并采用CSMA/CA协议竟争第2至16信道。
3、 根据权利要求2所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于相邻两个 ZigBee子网(1)中的ZigBee协调器(ZC )之间、网关(2)和与其相邻的 ZigBee协调器(ZC)之间的无线传输采用第一信道，用于实现相邻ZigBee 子网(1)之间或ZigBee子网(1)与网关(2)之间进行点对点通信，且 所述无线传输采用较高功率。
4、 根据权利要求1-3之一所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于所 述网关(2)包括MCU;f莫块、以及与MCU;f莫块相连的采用2. 4GHz频带的 ZigBee收发^^莫块、与MCU才莫块相连的用于与Internet网(4)进行无线通 讯的以太网才莫块、与MCU才莫块相连的用于与移动网络(3)进行无线通讯的 GSM/CDMA模块。
5、 根据权利要求4所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于ZigBee蜂 窝网络一跳的传输距离为70-1000米，贝'J: 当ZigBee终端(ZE)与一 ZigBee协调器(ZC )的距离在一跳范围内 时，ZigBee终端(ZE)直接将数据发送给该ZigBee协调器(ZC );当ZigBee终端(ZE)与一 ZigBee协调器(ZC )的距离超过一跳范围 时，该ZigBee终端(ZE)通过至少一个ZigBee路由器(ZR )将数据转发 到该ZigBee协调器(ZC);ZigBee协调器(ZC)对接收到的数据按数据帧进行判断若是重复帧，则删除该帧；若不是重复帧，且该ZigBee协调器(ZC)距网关(2)在一跳范围内， 则ZigBee协调器(ZC)直接将数据发送到网关(2)，网关(2)对该数据 进行分析和处理，并进4于协议变换，然后传输到Internet (4)或移动网络 (3);若不是重复帧，且该ZigBee协调器(ZC)距网关(2)不在一跳范围 内，则ZigBee协调器(ZC )将接收的数据发送到相邻ZigBee子网(1 )的 ZigBee协调器(ZC)，由其负责中继，直至将所述数据发送到网关(2 );网 关(2)对该数据进行分析和处理，并进行协议变换，然后传输到Internet 网(4)或移动网络(3)。
6、 根据权利要求2所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于所述ZigBee 子网(1)包括基站(BS)、 ZigBee路由器(ZR )及ZigBee终端(ZE );相邻的ZigBee路由器(ZR)之间、ZigBee路由器(ZR )和与其相邻的 ZigBee终端(ZE )之间、基站(BS )和与其相邻的ZigBee路由器(ZR )之 间、基站(BS)和与其相邻的ZigBee终端(ZE )之间采用符合ZigBee规 范的无线传输，且以较低的功率发送频段在2.4GHz的无线信号，并采用 CSMA/CA协议竟争第1至16信道；所述相邻ZigBee子网(1)中的基站(BS)之间、网关(2)和与其相 邻的基站(BS)之间采用点对点通信方式，且发射功率较高、频段为433MHz。
7、 根据权利要求6所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于所述基站 (BS)包括依次相连的ZigBee协调器、协议转换模块和433MHz无线收发模块；所述Zi gBee协调器将接收的数据进行解码后传输给协议转换模块，协 议转换模块将该数据进行格式转换并传输给433MHz无线收发模块，433MHz 无线收发模块以较高功率发射频段在433MHz。
8、 根据权利要求7所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于所述网关 (2)包括MCU模块、与MCU模块相连的433MHz无线收发模块、与MCU模块相连的用于与Internet网(4 )进行无线通讯的以太网模块、以及与MCU 模块相连的用于与移动网络(3 )进行无线通讯的GSM/CDMA模块；基站(BS)中的ZigBee协调器将来自各ZigBee终端(ZE )的数据传 输到协议转换模块，以进行格式转换并发送至433MHz无线收模块，433MHz 无线收模块将该数据发送到相邻ZigBee子网(1)的基站(BS )或网关(2 )， 以与移动网络(3 )或Internet ( 4 )进行无线通讯。
9、 根据权利要求8所述的ZigBee蜂窝网络，其特征在于ZigBee蜂 窝网络内一跳的传输距离为70米，基站(BS)之间一跳的传输距离为 500—1000米，则:当ZigBee终端(ZE )与一基站(BS )的距离在一跳范围内时，ZigBee 终端(ZE )直接将数据发送给该基站(BS );当ZigBee终端(ZE )与一基站(BS )的距离超过一跳范围时，ZigBee 终端(ZE)通过至少一个ZigBee路由器(ZR )将数据转发到该基站(BS );基站(BS)中的ZigBee协调器对所述数据按数据帧进行判断若是重复帧，则删除该帧；若不是重复帧，则将该数据传输给协议转换模块，由其进行数据的格 式转换后送至433MHz无线收发模块；若所述基站(BS)距网关(2)在一跳范围内，则该433MHz无线收发 模块直接将该数据发送到网关(2 );网关(2 )对该数据进行分析和处理， 并进行协议变换，然后传输到Internet (4)或移动网络(3);若所述基站(BS)距网关(2)不在一跳范围内，则该433MHz无线收 发模块将该数据发送到相邻ZigBee子网(l)的基站(BS)，由其负责中继， 直至将数据发送到网关(2 );网关(2 )对该数据进行分析和处理，并进行 协议变换，然后传输到Internet (4)或移动网络(3)。
全文摘要
本发明涉及一种ZigBee蜂窝网络，用于在较大的覆盖区域内有效减少位于协调器附近的路由器所承担的中继任务的次数，确保网络数据传输的效率和可靠性，该ZigBee蜂窝网络，包括网关和蜂窝式布置的多个ZigBee子网，各相邻的ZigBee子网之间、网关和与其相邻的ZigBee子网之间采用符合ZigBee规范的无线传输或者采用433MHz频段进行无线传输；网关接收来自各ZigBee子网的数据并进行协议转换，然后与Internet网或移动网络进行无线通讯。各ZigBee子网按蜂窝式布置，有效缩短了ZigBee子网内节点间的通信距离，减少了中继次数；也减少了不同ZigBee子网之间通信时的中继次数，确保了数据传输的效率和可靠性。
文档编号H04W84/18GK101400159SQ20081017245
公开日2009年4月1日 申请日期2008年11月11日 优先权日2008年11月11日
发明者洋 余, 史国栋, 李红卫, 贾中宁, 钱志文, 陶为戈 申请人:江苏技术师范学院