一种基于ZigBee的联网控制方法

一种基于ZigBee的联网控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于ZigBee的联网控制方法，包括互联中心、受管控设备、管控端三类节点，构成一个星型网络，受管控设备节点和管控端节点共同采用同一套通用管控指令集或为其真子集使得管控端节点无需针对不同类型受管控设备节点分别采取特别实现就可以实施对不同类型受管控设备节点的管控，管控端节点与互联中心节点可以整合在一起构成管控中心节点，可选增加一类设备类型为ZR的中继节点。上述所采用的ZigBee技术替换为其它种类无线通信技术，各类网络节点设备类型相应变为所采用无线通信技术中具有类似功能的设备类型，也可多种无线通信技术混用。本发明组网灵活、方便，且便于实施控制，适用于智能家居、复杂环境下的多传感器的部署与控制等场合。
【专利说明】—种基于ZigBee的联网控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于物联网【技术领域】，尤其涉及一种基于ZigBee的联网控制方法。
【背景技术】
[0002]ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE802.15.4标准的规定。ZigBee的特点主要有以下几个方面:(I)低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持I个节点工作6?24个月，甚至更长。这是ZigBee的突出优势。相比较，蓝牙能工作数周、W1-Fi可工作数小时。(2)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求，按预测分析，以8051的8位微控制器测算，全功能的主节点需要32KB代码，子功能节点少至4KB代码，而且ZigBee免协议专利费。(3)低速率。ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。(4)近距离。传输范围一般介于10?IOOm之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到f3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。(5)短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3?10s、Wi_Fi需要3s。(6)高容量。ZigBee可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。(7)高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。8)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz (全球)(ISM)频段。ZigBee网络中设备的可分为协调器(Coordinator,由此ZigBee网络协调器简称为ZC)、路由器(Router，由此ZigBee网络路由器简称为ZR)、终端设备(EndDevice，由此ZigBee网络终端设备简称为ZED)等三种角色。ZigBee作为一种短距离无线通信技术，由于其网络可以便捷的为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。
[0003]根据ZigBee的上述特点，可以将其运用于智能家居、智能医疗、智能交通甚至矿山等复杂环境的灵活组网。但在一些场合中，比如在智能家居中，参与联网的对象可能很多，比如家用电器、插座、灯、电脑，甚至还有窗帘、门窗等房屋的附属物等，就家用电器来说，就有很多类型，常见的类型有空调、电视机、电冰箱、洗衣机、电饭煲、电磁炉、电热水器等。关于智能家居的一些构想，比如在即将回家时开启空调、开启室内电灯等等，这时就需要一种机制；另外有时还需要设置一些传感器，来探测相关的情况，比如煤气是否泄漏、室内温度多少，这类装置的探测数据如何上传也需要一种机制，同时可以采集外界状态数据的传感器装置和执行某些功能的家用电器等装置本身的状态也需要被了解，这些状态数据如何上传也需要同样一种机制；另外传感器有时也可以和家用电器集成在一起，这时两种机制就要结合起来。上述机制可以统称为管理控制机制，简称为管控机制，相关的两类对象就是管控设备和被管控设备，从而实现一个完整的管控机制，而ZigBee网络则为实现管控建立通道，作为其中的一个基础设施。除了 ZigBee网络基础设施，要实现管控机制，按传统的方式，必须对每一个被管控对象来实现管控机制，一般来说同一厂家生产的同一型号设备的管控机制是一样的，有多个同厂同型的被管控对象在实现管控机制时只需要简单的复制一下即可，但现实是被管控对象可能是多种多样的，即算每一种设备都提供接口以接受管理控制，如果各个接口不同也会导致开发的工作量很大，实现起来很不方便，这样就不利于推广应用；如果每一种设备连接口都没有，需要针对本设备来开发出这样的接口，那么实现的难度更大，更加难以推广应用。

【发明内容】

[0004]本发明要解决现有对于ZigBee技术没有考虑网络中联网控制问题而出现以后在智能家居等场合中难以对全网的采集数据及执行特定动作的功能终端设备进行有效的管理控制的问题。为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的联网控制方法，在利用ZigBee技术实现联网的灵活性、方便性、安全性等基础上，实现一种通用的管控机制，通过受管控设备和实施管理的设备共同采用同一套通用管控指令集或为其真子集使得管控端节点无需针对不同类型受管控设备节点分别采取特别实现就可以实施对不同类型受管控设备节点的管控，从而可以在ZigBee网络中方便的添加、去除各种类型的功能终端设备，无需进行特别的开发通过简单的配置调试就可以实现对上述设备的有效管理和控制，真正实现智能管控。
[0005]本发明的一种基于ZigBee的联网控制方法，实现了一种通用的管控机制，适用于满足该管控机制所要求条件的任何设备的管理控制，具体方案是:
该ZigBee网络包括互联中心、受管控设备、管控端三类节点，互联中心节点的ZigBee网络设备类型为ZC (ZigBee网络协调器)，受管控设备节点及管控端节点的ZigBee网络设备类型为ZED (ZigBee网络终端设备)，各类节点的功能即按其名称所述。拓扑结构为以互联中心节点为中心的星型，因为星型结构网络深度最短仅为1，除了中心节点外，任意两个节点之间的网络距离(跳数)为2，也是最短的，这样可以减少网络传输造成的延时，如果采用复杂的网状结构，两个网络距离较远的节点相互通信则会可能有明显的网络延时。为了确保安全不让不被许可的设备加入该ZigBee网络以及让被许可的设备通过确定可靠的节点入网(一般为互联中心节点，需要经后文提到的中继节点加入的则为中继节点，这样可以固定和简化网络拓扑结构)，事先可对所有节点进行设置。一是设置统一的个域网标识符(PAN ID)，此基于ZigBee的应急通信网内所有的设备(包括可能要入网的设备)全部设置同一个建立或加入网路的PAN ID。二是在互联中心节点(及后文提到的中继节点)中设置一个允许加入的设备表，每个允许加入的设备对应一项记录，并通过其IEEE地址(也可叫MAC地址)和/或网络地址(也可叫逻辑地址)对设备进行唯一标识，而对于受管控设备节点则指明要加入网络的父节点(互联中心节点或后文提到的中继节点)的IEEE地址和/或网络地址。为了进一步保障安全，还可以增加口令认证。
[0006]管控端节点和受管控设备节点共同采用同一套通用管控指令集，这样就使得管控端节点无需针对不同类型受管控设备节点分别采取针对性的特别设计就可以实施对不同类型受管控设备节点的管控，在管控端节点向被管控设备节点发出指令时，被管控设备节点按照指令的含义执行相应的动作或功能即可，而每一个指令的含义无论对于管控端节点还是被管控设备节点都是确定的没有疑义的，从而具备通用性；或受管控设备节点采用的通用管控指令集为管控端节点采用的通用管控指令集的一个真子集，在管控端节点向被管控设备节点发出被管控设备不能识别的指令(即被管控设备节点采用的通用管控指令集之外的指令)时予以忽略就是，同样管控端节点也无需针对不同类型受管控设备节点分别采取针对性的特别设计就可以实施对不同类型受管控设备节点的管控，从而具备通用性。这时被管控设备节点可以通过其设备类型码或类似的标志来指示管控端节点采用相应的真子集来实施对其的管控，这样更方便实施管控。ZigBee网络可以用来交互数据，现实中往往用来传输所采集的探测信息数据及本身的状态信息数据，也可以用来传输指示执行某一动作或功能的指令数据，这里称为管控指令。这样就需要一个机制，把管控指令和信息数据分开，可以这样实现，就是ZigBee网络本身具备的数据收发功能基础上，将数据至少分为两类，一类是管控指令，一类是信息数据(信息数据也可以进一步细分，如探测类信息、状态类信息等)，赋以不同数据识别标记以进行区别。无论是采用何种ZigBee芯片连入网络及其它的硬件如何搭配，只要收到管控指令数据识别标记的数据，就把它当做管控指令进行处理。接下来就是创建一套通用管控指令集，即管控指令集中每一条指令代表一个统一定义的确定含义，同时每一条指令都通过一个统一格式的可以相互区别的代码表示。假设，指令集的每一个指令均用2字节表示，那么理论上这个指令集的规模可达6万条，如果用0001( 16进制)代表断开电源开关、0002 (16进制)代表合起电源开关，那么收到管控指令0001 (16进制)的任何设备都执行断开电源开关的动作，如果能够执行这个动作的话。由于，不同设备的动作和功能有可能不同，因此这个指令集要实现通用性，必须考虑现实中各种设备的实际情况。比如对于插座来说，只有两个动作，一是断开电源开关，二是合起电源开关；而对于空调来说，主要也有两个动作，一是关闭空调，二是开启空调，因为空调一般是一直连接上电源以便于控制，而为了省电，也可以将断开电源开关和合起电源开关的动作进入到空调控制中，所以不仅要考虑现有的动作，还要考虑未来可能需要实现的操作。因此，通用管控指令集的构建可以参考以下步骤:对现有可能的不同类别受管控设备的已有的各种操作功能及可能需要的各种操作功能进行归类整理，把其中在日常生活中比较常用的或具有开发前景的操作功能逐个列出，如电源开关、设备开关、功能调节、休眠周期、采样频率、获取当前状态信息、获取当前探测信息等，然后将其中相同、相近的操作功能归并为一个，比如在电视机遥控器调节中，有调节频道、声音等功能通过上下两个键调节，在空调中也有类似调节温度、模式等的调节，这些操作可以考虑为统一为三个指令，是功能选择指令，对于电视机来说可以在频道、声音等中进行选择，对于空调则是在温度、模式等中进行选择，然后再有两个调节指令，一个向上调节、一个向下调节。最后归纳出由若干不相同、不相近的基本操作功能构成的基本操作功能集合，涵盖现有可能的不同类别的受管控设备的全部基本操作功能，任何一种现有可能的受管控设备的全部基本操作功能集合要么与此集合相等要么为其真子集；由于不同类别的设备其操作一般不同，因此在管理控制时只要用到其中一个子集，而不需要用到所有的指令，这样可以把一些典型的设备的常见指令组合定义一个设备类型代码，以便于在管理控制设备时自动选择相应的指令子集。然后根据一种统一的格式，为此集合的每一个基本操作功能编制对应的指令，全部的指令构成的集合即为通用管控指令集。不带参数的指令采用定长格式，比如两个字节；带参数的指令采用不定长格式，指令部分也采用定长方式但参数根据情况确定长度，一般最多可带两个参数。采用上述通用管控指令集的受管控设备，只要收到指令且来自有权管理的管控端的指令，就必须按指令执行相应的动作或功能，如果该设备有这样动作或功能的话，即设备要实现所有能实现的指令，其它的不能实现的指令则忽略。
[0007]上述基于ZigBee的联网控制方法，其中管控端节点与互联中心节点可以整合在一起构成管控中心节点，这时其设备类型为ZC，同时具备管控端节点与互联中心节点的功能和特征，即既是整个网络的中心，又是一个管控其它设备的节点，和受管控设备节点共同实现同一套通用管控指令集。这样做不仅可以节约一个设备(合二为一就减少了一个设备)，而且中心节点到每一个受管控设备的网络距离仅为1，这样传输的延时最短。在现实当中，人们对于遥控器式样的管控设备已经用得比较习惯，可以做一个这样的专门的管控端设备，也可以将管控功能集成到具有ZigBee芯片的手机上，目前的手机处理能力比较强，完全可以满足需要，而且更加容易携带和使用。
[0008]上述基于ZigBee的联网控制方法还可根据增加一类设备类型为ZR (ZigBee网络路由器)的中继节点，其作用是起中继通信链路的作用，对于少数距离比较远的设备需要这种中继节点才能建立网络连接。在有通过中继节点接入网络情况时网络拓扑结构为树形且最大深度不超过2。另外中继节点与受管控设备节点可以整合在一起构成可以中继通信的受管控设备节点，这时设备类型为ZR，同时具备中继节点与受管控设备节点的功能和特征，这时也以与受管控设备节点相同的方式接受管控端节点的管控。要用到中继节点的中继功能主要有两种情况，一是复杂环境下，因为建筑物或设备物品的阻挡导致一些区域信号不好或没有而不能联网，二是间隔距离超过此处ZigBee模块的传输距离，比如国内的住宅所配的车棚一般隔正式的住宅有一段距离。在第一种情况下，可以在使基站节点与中继节点确保能够通信的情况下(可以均采用增强型ZigBee模块)，如果一些移动终端(采用的是标准型ZigBee模块)不能联入基站节点，则通过中继节点联入，这样网络拓扑结构就从星型变成树形，所以为了面对这种情况出现，在受管控节点中可以分别指明可加入网络的主父节点(一般为互联中心节点)和备用父节点(一般为中继节点)的IEEE地址和/或网络地址，优先从互联中心节点加入网络，不行时才通过中继节点加入网络。在第二种情况，需要限制网络的深度，这里限制为2，若管控端节点同时也是互联中心节点，那么最大网络距离为2，若不是则为3，从而尽可能减少网络延时。
[0009]上述基于ZigBee的联网控制方法，其中联网所采用的ZigBee技术替换为其它无线通信技术，各类网络节点设备类型相应变为所采用无线通信技术中具有类似功能的设备类型。目前无线通信技术有很多种，比如移动通信运营商的网络，覆盖范围更大，但成本较高。也有一些其它的短距离无线通信技术，比如蓝牙技术、微波通信技术等，其中新一代蓝牙技术的传输距离可达数十米、耗电量也较老一代明显降低，在某些方面接近于ZigBeeJM传输速率更高。
[0010]上述基于ZigBee的联网控制方法，其中联网所采用的ZigBee技术可以替换为两种或以上无线通信技术的组合，每一种无线通信技术构成的子网若非ZigBee网络则网络中各类网络节点设备类型相应变为所采用无线通信技术中具有类似功能的设备类型；每个子网的互联中心节点(若管理控制端与互联中心整合在一起则为管控中心节点)增加子网间互联功能构成一个网关并且其中两个或以上甚至全部的网关可整合在一起构成超过两个子网或全部子网互联的网关，整个网络至少有一个管控端节点，无需每个子网都拥有自己的管控端。ZigBee网络比较是一个小范围的网络，如果要实现随时随地进行管理控制，就有必要与现有的互联网连接起来，可以通过GPRS、4G等技术实现ZigBee网络接入互联网，从而实现远程控制。目前家用的无线路由器普及比较高，用户的手机、笔记本电脑可以通过其提供的WiFi信号接入互联网，可以在此设备上加装ZigBee模块，作为一个互联中心节点，同时又是WiFi子网、ZigBee子网及互联网的网关，不仅可以让多类设备接入，还实现了与互联网的互联，相关的管理程序可以放到此网关上(如作为一个WEB应用)，则任何一个可以访问的设备都可以作为管控端节点来进行管控。
[0011]本发明公开了一种基于ZigBee的联网控制方法，以及多种改进，还公开了一种通用管控指令集的构建方法。本发明在充分利用无线通信技术特别是ZigBee技术实现灵活、方便组网的基础上，创建了一种通用的管控机制，从而可以方便的管理控制，适用于智能家居、复杂环境下的多传感器的部署与控制等场合，有利于智能家居等ZigBee深层次应用的早日推广应用。
【专利附图】

【附图说明】
[0012]图1为基于ZigBee的智能家居网拓扑图。1.管控中心节点，2.受管控设备节点(各节点中的数字代表设备类型、字母M代表为管控端节点)
下面结合附图对本发明作进一步说明。
【具体实施方式】
[0013]实施例1
一种简易智能家居的实现。
[0014]通用管控指令集主要指令包括:一是断开电源开关，二是合起电源开关；三是关闭设备，四是开启设备；五是功能选择，六是向上调节，七是向下调节；八是获取设备当前状态。
[0015]受管控设备节点包括空调2台、电热水器I台、电脑I台、电视机I台、插座5个，空调、电视机等节点内部维护一个功能参数表，存储每一个功能的当前值(如空调运行模式功能的当前值为制热模式)及当前功能选择。管控端节点为I台安卓智能手机同时作为互联中心节点。本ZigBee网络的PAN ID均设置为214，作为管控中心节点的手机通过自带的APP程序设置，受管控设备在购买时由销售商通过专用设备在写入，即限制这些设备只能加入PAN ID为214的ZigBee网络。
[0016]插座设备类型为1，实现(即可接收并做出相应反应)指令一、二和八；电热水器和电脑设备类型为2，实现指令二、三和八；空调、电视机设备类型为3，实现指令三至八。
[0017]由手机启动并建立整个网络，识别每一个设备的设备类型以确定可以采取对应的指令子集，然后为每一个设备设置一个容易识别记忆的名称，在实施管理时，可以先向所有发送获取设备当前状态指令了解当前设备运行状态，假如电脑状态为设备关闭而现在想要打开电脑，则向电脑发出指令四电脑设备接收后则开启设备。小孩房间的空调已经开启2个小时若要关闭，则向对应空调发出指令三。上床后，不确认客厅的烤火器是否关闭，则直接向对应的插座发出指令一，断开该插座电源开关。
【权利要求】
1.一种基于ZigBee的联网控制方法，其特征在于: 该ZigBee网络包括互联中心、受管控设备节点、管控端三类节点，互联中心节点设备类型为ZC、受管控设备节点及管控端节点设备类型为ZED，网络拓扑结构为以互联中心节点为中心的星型结构； 管控端节点和受管控设备节点共同采用同一套通用管控指令集，或受管控设备节点采用的通用管控指令集为管控端节点采用的通用管控指令集的一个真子集； 管控端节点与互联中心节点可以整合在一起构成管控中心节点，这时其设备类型为ZC,同时具备管控端节点与互联中心节点的功能和特征； 可选增加一类设备类型为ZR的中继节点用来中继通信，在有通过中继节点接入网络情况时网络拓扑结构为树形结构且最大深度不超过2 ;另外中继节点与受管控设备节点可以整合在一起构成可以中继通信的受管控设备节点，这时其设备类型为ZR，同时具备中继节点与受管控设备节点的功能和特征。
2.根据权利要求1所述的联网控制方法，其特征在于: 其中联网所采用的ZigBee技术替换为其它种类无线通信技术，各类网络节点设备类型相应变为所采用无线通信技术中具有类似功能的设备类型。
3.根据权利要求1所述的联网控制方法，其特征在于: 其中联网所采用的ZigBee技术替换为两种或以上无线通信技术的组合，每一种无线通信技术构成的子网若非ZigBee网络则网络中各类网络节点设备类型相应变为所采用无线通信技术中具有类似功能的设备类型； 每个子网的互联中心节点(若管理控制端与互联中心整合在一起则为管控中心节点)增加子网间互联功能构成一个网关并且其中两个或以上甚至全部的网关可整合在一起构成超过两个子网或全部子网互联的网关，整个网络至少有一个管控端节点，无需每个子网都拥有自己的管控端。
4.一种通用管控指令集的构建方法，其特征在于: 对现有可能的不同类别受管控设备的已有的各种操作功能及可能需要的各种操作功能进行归类整理，把其中在日常生活中比较常用的或具有开发前景的操作功能逐个列出，然后将其中相同、相近的操作功能归并为一个，最后归纳出由若干不相同、不相近的基本操作功能构成的基本操作功能集合，涵盖现有可能的不同类别的受管控设备的全部基本操作功能，任何一种现有可能的受管控设备的全部基本操作功能集合要么与此集合相等要么为其真子集；然后按照统一的格式，为此集合的每一个基本操作功能编制对应的指令，全部的指令构成的集合即为通用管控指令集。
【文档编号】H04L29/08GK103825955SQ201410091926
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】倪龙 申请人:宁波保税区攀峒信息科技有限公司