通过Internet‑Zigbee网关连接因特网和Zigbee传感网的方法与流程

本发明涉及一种通过Internet-Zigbee网关连接因特网和Zigbee传感网的方法。

背景技术：

Zigbee技术是一种近距离无线组网通讯技术，因其复杂度低、低功耗的特点在物联网传感控制领域得到了广泛的应用。另一方面，因特网的发展给当今世界带来了极大的便利，如果能够将因特网和无线传感网无缝连接，就可以对放置于人员无法接近的危险、恶劣环境的传感器进行实时在线监测，例如：将安装在河流、水库这样的野外无人值守场所的远端传感器数据周期性采集并上传到因特网，当被测点闸位超过预先设定的阀值时，发出警报及时提醒有关人员采取措施。这样防汛水文水利监测部门就能真正做到远距离遥测。但是，因特网的传输协议和Zigbee传感网的传输协议并不兼容，如何将因特网接入Zigbee传感网对自动控制设备中不可缺少的传感器进行远程控制，是当下异构网络融合领域研究所面临的一个重要问题。

目前使用网关连接因特网和无线传感网的方法主要有以下两种：1)协议栈附加法：将传感网协议栈附加到因特网客户端主机，这样因特网客户端主机都可以被看作是一个虚拟传感器，它们同时遵循因特网传输协议和传感网传输协议；2)配置IP地址法：给传感网中每一个传感器配置IP路由地址，由网关反应式探索因特网客户端IP地址和传感器IP地址，从而识别数据传输路径。配置IP地址法能够保证传感器与其它IP设备的互操作性，数据路由信息也比较清晰，因而近年来受到很大的关注。

依靠复杂的应用层网关将因特网接入Zigbee传感网是一个异构网络构建难题，其研究难点在于无线传感网一般采用的是专用协议，而广泛应用于因特网协议栈中的IP协议对内存和带宽的要求都比较高，如果要将IP协议无缝接入无线传感网就必须降低它对运行环境的要求，才能适应微控制器和低功率无线连接，但是实际操作起来很困难。因此，设计一种网关用于支持异构网络中不同传输协议的共存问题，不改造、不附加现有的网络传输协议，不影响网络协议对运行环境的要求，利用网关转化传输数据的方法来解决网络异构问题，具有重要的理论意义和应用价值。但是，现有技术中尚无相关描述。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种通过Internet-Zigbee网关连接因特网和Zigbee传感网的方法，用于支持异构网络中不同传输协议的共存问题，不改造、不附加现有的网络传输协议，不影响网络协议对运行环境的要求，利用网关转化传输数据的方法来解决网络异构问题。

本发明的技术解决方案是：

一种通过Internet-Zigbee网关连接因特网和Zigbee传感网的方法，通过Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输因特网用户与Zigbee传感器间的信息，实现因特网和Zigbee传感网的网络互联，包括以下步骤：

步骤1、在Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输因特网用户请求信息给Zigbee传感器；

步骤2、在Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输Zigbee传感器信息给Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器；

步骤3、根据Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器产生的一个HTML响应，使得因特网用户能够通过浏览器查看Zigbee传感器信息。

进一步地，在步骤1中，在Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输因特网用户请求信息给Zigbee传感器部分，建立输入信息字符序列与网络短地址及簇标识符的映射关系，Internet-Zigbee网关中的Zigbee协调器根据目标传感器的地址建立与目标传感器之间的唯一信道，对目标传感器属性进行处理。

进一步地，步骤1具体为：

步骤11、Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器接收用户请求信息后，发送给数据转化中心，数据转化中心建立用户请求信息的字符序列与网络短地址、簇标识符的映射关系，该映射关系为按照x的值设置Zigbee协议栈发送函数参量y和z，其中，x为用户请求信息，具体是采用HTML默认编码方式对用户以表单的方式发送的请求报文进行编码，形成一个字符序列，根据ASCII码表把字符序列转换成十进制数字串，y为目标传感器网络短地址，表示目标传感器在Zigbee传感网的地址，z为簇标识符，表示网关的Zigbee协调器对目标传感器属性的处理方式；

步骤12、根据步骤11中建立的映射关系，Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器建立与目标传感器之间的唯一信道；

步骤13、根据步骤11中建立的映射关系，Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器对目标传感器属性进行处理，具体是：依照Zigbee协议栈对簇标识符的规定确定Zigbee协调器对目标传感器的处理方式。

进一步地，步骤12具体为：首先Zigbee协调器结束与Zigbee传感网中其它传感器收发数据，然后Zigbee协调器根据组网时分配给目标传感器的16bit网络短地址与目标传感器进行来回式通信和收发数据。

进一步地，在步骤2中，在网关的数据转化中心转化传输Zigbee传感器信息给Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器部分，通过对目标传感器有效载荷进行进制转码，以HTML文本的形式标准输出转码后的数值给Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器。

进一步地，步骤2具体为：

步骤21、根据步骤12和步骤13中所述的Zigbee协调器建立与目标传感器之间的唯一信道并对其属性进行处理，目标传感器周期性采集数据并实时发送给Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器，Zigbee协调器从Zigbee协议栈应用层数据帧的有效载荷段读取数值M，M为用户请求的传感器属性值，Zigbee协调器将用户请求的传感器属性值M发送给数据转化中心；

步骤22、在数据转化中心，依照ASCII码表将传感器属性值为十六进制数的M转化成十进制数N，N为用户请求信息中要求查询的目标传感器属性值；

步骤23、在数据转化中心，利用CGI程序以HTML文本的形式通过标准输出将用户请求信息中要求查询的目标传感器属性值N传送给Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明具有的显著优点为：

一、该种通过Internet-Zigbee网关连接因特网和Zigbee传感网的方法，可以实现不同传输协议下的网络互联，尤其是在不同网络协议转化机制非常繁琐的情况下用比较简单的数据转化完成信息的有效传输，能够解决异构无线网络融合问题。

二、现有技术并未考虑网络丢包率，本发明所述的在网关数据转化中心进行数据转化，是通过CGI程序对请求数据和传感器有效数据进行转化，并未影响不同网络传输协议的独立性，从而可以减少丢包率。

三、在网络安全方面，现有技术网络保护措施还不完善，比较难以防止病毒入侵，本发明所述的Internet-Zigbee网关同时包含嵌入式web服务器和Zigbee协调器，在数据开始转化之前，因特网和Zigbee传感网的传输数据已经完成了各自的安全认证程序，可以提供较高的安全保障。

四、现有技术对协议转化的开销比较大，本发明所述通过CGI可执行程序改变数据的存在形式，减少了对内存的浪费，从而降低了融合异构网络的开销。

附图说明

图1是本发明实施例通过Internet-Zigbee网关连接因特网和Zigbee传感网的方法的说明示意图；

图2是实施例中Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器到Zigbee协调器方向的CGI程序流程示意图。

图3是实施例中Zigbee应用层传感器数据帧APS Payload段图。

图4是实施例中Zigbee传感网远程查询界面示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种通过Internet-Zigbee网关连接因特网和Zigbee传感网的方法，通过Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输因特网用户与Zigbee传感器间的信息，实现因特网和Zigbee传感网的网络互联。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1、在Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输因特网用户请求信息给Zigbee传感器。首先通过建立输入信息字符序列与网络短地址及簇标识符的映射关系，Internet-Zigbee网关中的Zigbee协调器根据分配的网络短地址建立与目标传感器之间的唯一信道，对目标传感器属性进行处理，从而转化传输因特网用户请求信息给Zigbee传感器；具体为：

步骤11、Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器接收用户请求信息后，发送给数据转化中心，数据转化中心建立输入信息字符序列与网络短地址、簇标识符的映射关系。

Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器通过标准输入向数据转化中心的CGI程序传输用户请求数据，请求数据是查找Zigbee传感网中的目标传感器以及该传感器属性值。用户端的web浏览器按照“变量名＝变量值”这样的数据对格式进行编码，编码类型采用HTML默认的application/x-www-form-urlencoded编码类型，最后形成一串字符序列提交给嵌入式web服务器。

如图2所示，数据转化中心的CGI程序根据ASCII码表将请求信息的字符序列转化成十进制数字串x。另一方面，已知目标传感器16bit网络短地址在Zigbee网络安全层数据帧中是用十六进制数y表示。Cluster ID在Zigbee应用层数据帧中是用十六进制数z表示。建立x与两个十六进制数的映射关系。

步骤12、根据x对应y、z的映射关系，Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器建立与目标传感器之间的唯一信道。

在数据转化中心的程序中，调用Z-Stack协议栈数据发送函数时，其中目标传感器16bit网络短地址和簇标识符参数按照数字串x分别对应的y和z进行设置，那么网关的Zigbee协调器就立即结束与Zigbee传感网中其它传感器的通信行为，Zigbee协调器根据组网时分配给目标传感器的16bit网络短地址与目标传感器建立信道，并进行来回式通信和收发数据；

步骤13、根据x对应y、z的映射关系，依照Zigbee协议栈对簇标识符的规定确定Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器对目标传感器的处理方式。

步骤2、在Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输Zigbee传感器信息给Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器。通过对目标传感器有效载荷进行进制转码，以HTML文本的形式标准输出转码后的数值给Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器，从而使用户在浏览器上查询Zigbee传感器信息。

步骤21、如图1所示，Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器建立与目标传感器之间的唯一信道并对其属性进行处理之后，目标传感器周期性采集数据并实时发送给Zigbee协调器，Zigbee协调器从Zigbee协议栈应用层数据帧的有效载荷段读取数值M，M为用户请求的传感器属性值；

步骤22、在数据转化中心，依照ASCII码表将传感器属性值为十六进制数的M转化成十进制数N，N为用户请求信息中要求查询的目标传感器属性值；

步骤23、在数据转化中心，利用CGI程序以HTML文本的形式通过标准输出将N传送给Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器。

步骤3、Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器产生一个HTML的响应给用户的浏览器进行浏览，这个HTML页面包含动态更新的数字N。最后，用户能够通过浏览器查看Zigbee传感器信息。

实施例中，Internet-Zigbee网关包括嵌入式web服务器、数据转化中心和Zigbee协调器。

嵌入式web服务器：通过标准输入向数据转化中心的CGI程序传输用户请求数据；产生HTML响应，使得因特网用户能够通过浏览器查看Zigbee传感器信息。

数据转化中心：转化传输因特网用户请求信息给Zigbee传感器，建立输入信息字符序列与网络短地址及簇标识符的映射关系；转化传输Zigbee传感器信息给Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器。

Zigbee协调器：根据分配的网络短地址建立与目标传感器之间的唯一信道，对目标传感器属性进行处理，从而转化传输因特网用户请求信息给Zigbee传感器；实时接收目标传感器周期性的采集数据，Zigbee协调器从Zigbee协议栈应用层数据帧的有效载荷段读取数值M，M为用户请求的传感器属性值，Zigbee协调器将用户请求的传感器属性值M发送给数据转化中心。

下面结合实例对本发明做进一步详细的描述：

用户通过因特网在浏览器上查询Zigbee传感网的传感器A的温度值，使用开源的AppWeb 6.2.3作为Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器，它是一个嵌入式HTTP web服务器，可以直接集成到应用设备上，支持动态网页、服务器端嵌入式脚本过程中的CGI，可加载模块、Apache样式配置、单线程和多线程应用程序等。此外，以TI公司的CC2530和Z-Stack为硬软件平台作为实验背景，使用具备2.4GHz/IEEE 802.15.4兼容无线收发器的Zigbee CC2530芯片作为Internet-Zigbee网关中的ZigBee协调器，它支持离线烧写件。ZigBee协调器依靠RS232接口与集成了嵌入式web服务器的设备相连。Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器和Zigbee协调器都烧录了数据转化中心的CGI程序。

根据步骤1在Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输因特网用户请求信息给目标传感器A。

步骤11、在数据转化中心建立输入信息字符序列与网络短地址、簇标识符的映射关系。

用户请求信息是以表单的方式发送请求报文给Internet-Zigbee网关的嵌入式web服务器，按照“变量名＝变量值”这样的数据对格式采用application/x-www-form-urlencoded编码类型进行编码，提交给CGI程序的字符序列为name＝sensor A&attribution＝temperature。

数据转化中心的CGI程序根据ASCII码表将请求信息的字符序列转化成十进制数字串x,x＝1109710910161115101110115111114653897116116114105981171161051111106111610110911210111497116117114101。由TI公司的Packet Sniffer软件抓到的在Zigbee网络安全层数据帧显示，Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器分配给目标传感器A的网络短地址y为0x0001，在Zigbee应用层传感器数据帧显示，簇标识符z为0x0002。建立x值与y值、z值的映射关系。

步骤12、根据x对应y、z的映射关系，Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器建立与目标传感器A之间的唯一信道。

在数据转化中心程序中，调用Z-Stack协议栈数据发送函数时，当函数参量x的值为1109710910161115101110115111114653897116116114105981171161051111106111610110911210111497116117114101时，发送函数调用的网络短地址即设置为0x0001，簇标识符设置为0x0002。这样，Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器立即结束与Zigbee传感网中其它传感器的通信行为，建立了与目标传感器A之间的唯一信道。

步骤13、根据x对应y、z的映射关系，依照Zigbee协议栈对簇标识符的规定确定Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器对目标传感器A的处理方式。

依照Zigbee协议中的ZigBee Cluster Library(ZCL)可以得出簇标识符的值为0x0002时表示求温度值。所以Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器和目标传感器A之间的约定法则是求传感器A的温度值。

根据步骤2在Internet-Zigbee网关的数据转化中心转化传输目标传感器A的温度值给因特网用户。

步骤21、目标传感器A周期性采集数据并实时发送给Internet-Zigbee网关的Zigbee协调器，Zigbee协调器从Zigbee应用层数据帧的有效载荷段读取数值M，用TI公司的Packet Sniffer软件抓到Zigbee应用层传感器数据帧APS Payload段的数据如图3所示，目标传感器A采集的温度和父节点地址数据分别是0x25、0x00。

步骤22、在数据转化中心，依照ASCII码表将有效载荷段十六进制数值M转化成十进制数N。N即是用户请求信息中要求查询的目标传感器A的温度值。

经过Internet-Zigbee网关数据转化后，十六进制数25对应的十进制数是37，而十六进制数0对应的十进制数为0。所以，目标传感器A的温度值为37，父节点地址为0。

步骤3、Internet-Zigbee网关中的嵌入式web服务器产生一个HTML的响应给用户的浏览器进行浏览，这个HTML页面包含动态更新的数字N。最后，用户能够通过浏览器查看目标传感器A的温度值。

实验结果如图4所示。

由图4可知，浏览器显示的是Zigbee传感网远程查询系统界面，用户在因特网的客户端打开浏览器选择需要查询的Zigbee传感器A，并且选择该传感器属性，点击查询，经过Internet-Zigbee网关数据传化后，实时数据显示在新的网页中，温度值是37。通过实验可知，本发明的方法实现了在两个不同网络传输协议下的数据转化传输，通过Internet-Zigbee网关成功连接因特网和Zigbee传感网，使得因特网用户能够通过网页查询Zigbee传感器的实时数据。

由上可知，本发明的方法无论在网络丢包率、网络安全性还是算法开销上，相较其他算法都具有优势，尤其在融合异构网络时对内存和运行带宽要求比较高的情况下，优势更为明显，从而验证了本发明方法的有效性。