CN102244940A - 基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输***，包括发送端子***和接收端子***；所述发送端子***包括发送网关和蓝牙发送模块，蓝牙发送模块用于向发送网关发送应急通信数据；所述发送网关包括配置控制模块、串口转发模块、ZigBee初始化模块、串口监听模块、数据处理模块、数据发送模块；所述接收子***包括接收网关和蓝牙数据接收模块；所述接收网关包括ZigBee数据包截获模块、数据处理模块、串口转发模块、配置控制模块、串口监听模块、接收处理模块、蓝牙接收模块。

Description

基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输***

技术领域

本发明涉及一种基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输***，属于无线通信技术领域。

背景技术

无线通信技术飞速发展，出现了无线局域网(WLAN)、WiMAX、Wi-Fi、无线Mesh网(WMN)、3G和B3G移动通信网络等许多新型的采用不同组网技术的无线网络，给人们的工作和生活方式带来了深刻变革。但这些无线网络有些由于技术方面的限制，有些由于通信设备非常昂贵，有些则受基站和移动交换中心等基础设施的约束，对于一些特殊场合，如战场、发送灾难的地区，这些不能够预先部署基础设施或者基础设施遭到破坏，使得这些无线网络失去其作用。

在当今移动无线通信设备中，具有蓝牙功能的设备如手机、笔记本电脑、无线耳机、PDA等已是常见之物。而今，纵观手机市场，几乎70％的手机都具有了蓝牙功能，著名的手机厂商甚至在今年发布的部分低端低价手机上也开始加入了蓝牙功能，蓝牙已经普及到了我们的生活当中^[8]。但由于蓝牙通讯距离的限制(一般为10米)，使得蓝牙通讯仅能在小范围内起作用。

但由于蓝牙和ZigBee是两种不同的协议标准，蓝牙设备不可能与ZigBee设备直接通信。当这两种设备希望建立通信时，基于这两种技术的设备就需要协议转换。而在现有的无线通信协议转换设备中还不存在蓝牙ZigBee网关，使得目前这两种设备之间还无法直接通信。

在突发灾害事件发生时，灾区中的通信基础设施大部分遭到破坏。这时在灾区中分布着大量的手机设备，但由于无基础设施支持，手机中的电话功能已经丧失，又由于手机中的WiFi功能在国内行货刚得到工信部有条件的解禁(凡配有中国自有无线标准WAPI模块的手机才可以内置WiFi功能并获得入网许可)，手机用户中具有WiFi功能的手机还只是少数。此时，手机中的蓝牙功能成为灾区人们之间进行信息交流的重要手段。广泛应用于灾难救援的ZigBee设备，基于其价格低廉、功耗低、可通过预先部署及事后抛洒的方式向灾区大范围的部署并在通信过程中与蓝牙网络不存在冲突等特点，ZigBee无线网络技术也成为本文中异构无线网络传输***的重要组成部分。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输***。

一种基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输***，包括发送端子***和接收端子***；所述发送端子***包括发送网关和蓝牙发送模块，蓝牙发送模块用于向发送网关发送应急通信数据；所述发送网关包括配置控制模块、串口转发模块、ZigBee初始化模块、串口监听模块、数据处理模块、数据发送模块；所述接收子***包括接收网关和蓝牙数据接收模块；所述接收网关包括ZigBee数据包截获模块、数据处理模块、串口转发模块、配置控制模块、串口监听模块、接收处理模块、蓝牙发送模块。

基于蓝牙功能设备的普及性和ZigBee设备节点的可大范围覆盖等特点，当突发情况发生、通信基础设施遭到破坏时，如5.12汶川地震等，可将灾区零散的蓝牙通讯网络和灾后大范围部署的ZigBee通信网络相结合，快速组建一个满足灾后救援人员的需要灾难救援网络。

附图说明

图1蓝牙与ZigBee传输***架构图；

图2发送子***模块设计图；

图3ZigBee指令格式；

图4发送网关文本消息转发流程；

图5ZigBee传输消息格式；

图6发送网关转发文本文件流程图；

图7网关图片文件转发流程图；

图8接收子***模块设计图；

图9协议转换网关体系结构图；

图10截获模块工作流程图；

图11处理模块工作流程图；

图12文本消息接收流程图；

图13文本文件接收流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输***架构，采用分层结构设计思想，蓝牙网络通信设备为传输***通信的最上层，作为终端设备负责信息的发送和接收，ZigBee网络通信设备为传输***通信的最底层，主要作为路由设备负责转发蓝牙设备的消息，同时ZigBee设备也可以作为信息的发送端和接收端，实现ZigBee设备间的通信和传感信息采集工作。

在传输***的上层，蓝牙设备之间通过组建微微网进行相互通信。蓝牙设备之间既可以收发文字信息、文本文件和图片文件也可以转发蓝牙设备间的通信数据。当两个微微网之间由于通信距离限制无法通信时需借助ZigBee网络进行通信。

在传输***的底层，众多ZigBee设备通过组建无线mesh网将所有的ZigBee设备连接起来。ZigBee设备既可以转发蓝牙设备的通信数据也可以实现ZigBee设备之间的信息交换，在本文中ZigBee网络主要用于转发蓝牙设备间的数据信息。

蓝牙与ZigBee异构无线网络传输***，分为发送子***和接收子***两部分。总体上来说，发送子***负责将蓝牙数据包转换成可在ZigBee通讯链路上传输的ZigBee数据流，然后通过ZigBee硬件发送设备将ZigBee数据流发送出去，对ZigBee链路来说，实现发送还要考虑到链路本身的***参数，如波特率、校验位、数据停止位等；接收子***所要实现的工作是相对发送子***的一个逆过程，首先需要完成对到达的ZigBee数据流进行过滤、将ZigBee数据流还原成蓝牙数据包、以及进一步将蓝牙数据包转发给蓝牙设备用户的整个过程。

实施例2

本实施例提供发送子***的一个具体实施方案，发送子***如图2所示，包括发送网关和蓝牙发送模块，蓝牙发送模块用于向发送网关发送应急通信数据。***操作人员利用蓝牙发送模块可向***发送网关和附近的其他蓝牙设备节点发送包括文本消息、文本文件和图片文件等信息。

发送网关包括配置控制模块、串口转发模块、ZigBee初始化模块、串口监听模块、数据处理模块、数据发送模块。

(1)配置控制模块：发送网关上层应用程序与ZigBee底层硬件之间通过串口进行数据交流，发送网关要将蓝牙数据包通过串口转发至底层ZigBee设备，需要对底层ZigBee设备所使用的串口进行参数配置。比如，ZigBee设备使用的串口端口号为多少、数据发送的波特率、是否需要输入流和输出流管理、数据发送和接收的数据位和停止位、是否需要奇偶校验等，这些参数的确定都是通过配置控制模块来实现完成的。

(2)串口转发模块：发送网关收到的蓝牙数据包有三种类型——文本消息、文本文件和图片文件，发送网关上层应用程序根据蓝牙数据包类型标识，调用不同的串口写函数，将上层应用数据通过串口发送至网关底层ZigBee设备。在进行串口写之前，需要对所使用ZigBee设备的串口进行参数配置。

串口转发模块主要实现三个功能，将从蓝牙设备接收到的文本消息、文本文件和图片文件经串口传送至ZigBee设备底层，从而实现这三种数据在ZigBee数据链路上的传输。下面将详细介绍如何转发这三种数据。

(1)文本消息转发

在ZigBee网络中，ZigBee协调器向ZigBee路由设备或终端设备发送指令时，发送的是8位的十六进制数指令。如，想要获取远端设备短地址为‘0001’设备上光敏传感器采集到的数据时，只需ZigBee协调器设备向目标ZigBee设备发送‘0001474D’的十六进制指令，目标ZigBee设备即可将它采集的光敏数据通过ZigBee数据链路传送给协调器设备。其中十六进制指令的前四位‘0001’是目标ZigBee设备的短地址。如果是广播，地址为‘FFFF’。十六进制指令的后四位‘474D’为要发送的指令内容。具体发送的指令格式如图3所示。

基于ZigBee指令格式简单、便于传输小数据量数据的特点，在本发明的文本消息转发设计中，利用ZigBee的指令数据形式来进行蓝牙的文本消息在ZigBee链路上的转发。其中数据的前四位仍为目标ZigBee设备的短地址，后四位为要转发的文本消息。由于在蓝牙的文本消息中可能有中文和英文两种字符，而英文是需要占2位的十六进制数，中文则需要占用4位十六进制数。为ZigBee底层便于区分接收到的字符消息是中文还是英文，同时也为收发消息时不产生混乱，保持每次只收发一个英文字符或中文字符，本发明在转发英文字符时，在其前面添加一个标志位表示后面的内容为英文字符。如发送英文字符‘a’时，发送的十六进制指令为‘FFFF5861’，其中‘FFFF’为设备短地址的广播地址，‘58’为英文信息标志位‘X’的十六进制表示，‘61’为要转发的英文字母‘a’的十六进制表示。

发送网关转发蓝牙文本消息流程如图4所示。

本文的异构无线网络传输***中两个设备间需要发送网关进行文本消息转发的情况主要有以下两种：

1)两个蓝牙设备相距较远，需要进行文本消息交互的情况

2)蓝牙设备与ZigBee网关设备需要进行文本消息交互的情况

由于两个相距较远的蓝牙设备无法知道对方的存在，同时蓝牙设备也无法知道ZigBee网关设备的短地址，所以本发送网关在进行文本消息转发时均采用广播形式转发。

(2)文本文件转发

在ZigBee网络中，传输的最大数据包是127字节，它主要包括PHY层报头、MAC层报头、NWK层报头、APS层报头、PAYLOAD和FCS。ZigBee的详细数据传输消息格式如图5所示。

ZigBee数据包中PHY层报头占6字节数据，MAC层报头占23字节数据，NWK层报头占8字节数据，APS层报头占7字节数据，FCS占2字节数据。这样，在ZigBee网络中实际能传输的最大负载为81字节的数据。

由于在ZigBee传输链路中传输的最大数据负载为81字节，同时，ZigBee底层的串口读函数每次从串口读取数据时只能读取固定大小的数据，所以，本文中规定ZigBee数据链路只能发送数据负载为81字节的ZigBee数据包。

由于要转发的蓝牙文本文件分组包大小不定，所以对要转发的蓝牙文本文件分组包大小要进行判断，大于81字节的要进行重新分段。小于81字节的文本文件分组包要进行字节填充。本文中采用的填充字符为‘’，对于分组包大小不到81字节的填充‘’至81字节，接收端网关读取数据包至‘’时，表示后面内容的冗余数据，无需再进行读取。

发送网关转发蓝牙文本分组包的详细流程如图6所示。

(3)图片文件转发

图片文件与文本文件不同之处在于文本文件中的内容都是可见的，在进行传输时，可按内容读取进行传输。而在图片文件中包含一些不可见字符，使用内容传输方法传输图片文件时，对于那些不可见字符是无法进行获取并传输的，这样会导致在接收子***端因缺少部分数据而无法正确还原图片文件。

为使图片文件也能在ZigBee数据链路中传输，本实施例中采用图片文件间接传输方法，即在发送网关转发蓝牙图片分组数据包之前，先将要转发的图片文件保存在本地并转换成十六进制的文本文件，然后将转换后的十六进制文本文件通过ZigBee数据链路发送到接收网关；在传输***的接收网关端再将接收到的十六进制文本文件还原回图片文件，将图片文件经蓝牙数据链路转发给目的蓝牙用户端。

具体处理步骤如下：

a蓝牙图片文件数据包到达传输***发送网关，发送网关将图片文件存储在本地。

b将存储在本地的图片文件转换成十六进制文本文件。

c发送网关发送转换后的十六进制文本文件。

发送网关转发图片文件的具体流程如图7所示。

(3)ZigBee初始化模块：负责对发送网关的ZigBee设备进行初始化，包括***时钟、堆栈、ZigBee芯片各个硬件模块、设备MAC地址、应用框架层和ZigBee设备的操作***等，然后搜索附近是否有可用网络，如有则选择是通过协调器加入网络还是通过已有节点入网。如无可用网络，判断本地设备是否为全功能设备，如果不是则需等待。如果是全功能设备，设置本地设备为网络协调器并进行信道扫描(包括能量扫描和主动扫描)创建一个新网络。

(4)串口监听模块：负责监听是否有数据从发送网关的上层经串口发送给底层ZigBee设备，一旦串口有数据到来，ZigBee设备的操作***就会自动转到自定义的数据处理回调函数，执行自定义操作。

(5)数据处理模块：接收来自发送网关上层经串口传送过来数据，并依据数据类型的不同进行区分处理；对接收到的串口数据经过逻辑或及逻辑左移的操作获取ZigBee目标设备短地址、数据内容和数据长度等信息。

(6)数据发送模块：调用ZigBee设备驱动接口，将数据通过ZigBee设备硬件发送模块进行发送；数据发送的过程就是数字信息转变成链路传输信号的过程。经过此过程，数据将以信号的形式在ZigBee链路信道中传输。

实施例3

本实施例体统接收子***的具体实施方案，接收子***包括接收网关和蓝牙数据接收模块。蓝牙数据接收模块用于接收来自接收网关数据转发模块转发的应急通信数据。

参考图8。

接收网关包括ZigBee数据包截获模块、数据处理模块、串口转发模块、配置控制模块、串口监听模块、接收处理模块、蓝牙发送模块。

(1)ZigBee数据包截获模块：在ZigBee协议栈网络层截获ZigBee数据包，并依据目的地址判断是否是自己或者是广播数据帧；在ZigBee数据包的头部字段里，包含了消息的实际源地址及最终的目的地址等信息，可以根据这些信息对ZigBee数据包进行截获，以决定满足何种条件的ZigBee包可以继续传递，不满足条件的ZigBee包则予以抛弃。

(2)数据处理模块：对截获的ZigBee数据包进行信息类别判断，并针对不同的类型数据进行相应的数据处理；信息的类别主要包括文本消息、文本文件和图片文件等。由于发送网关在转发蓝牙数据时，为区分转发的是何种信息类型的数据包，在转发时将ZigBee数据包数据负载的首字节数据中填充信息类型标识。数据处理模块在处理截获到的ZigBee数据包时，可以根据这个类型字段来判断负载中的消息属于哪种类型，以决定使用哪种自定义数据处理函数进行接收处理。

(3)串口转发模块：因接收网关的上层同底层设备之间是通过串口进行通信的，接收网关的串口转发模块主要负责将数据处理模块处理后的数据经串口上传至接收网关上层；在ZigBee协议栈串口数据处理函数中，专门设有串口写函数，负责将ZigBee设备底层的数据经串口上传至接收网关上层，可利用此函数功能实现串口的数据转发。

(4)配置控制模块：同发送网关的配置控制一样，接收网关底层ZigBee设备所使用的串口也需要进行参数配置。包括使用的串口端口号、数据发送的波特率、输入流和输出流管理、数据发送和接收的数据位和停止位、奇偶校验等，这些参数的确定都是通过配置控制模块来实现完成。

(5)串口监听模块：负责监听是否有底层数据经串口传至接收网关的上层，如有，则触发相应的事件处理函数，将接收到的数据存储在缓存数组中，以供进一步的处理。在进行串口监听之前，需要使用配置控制模块对所使用的串口进行参数配置。

(6)接收处理模块：负责将接收缓存数组中的数据处理成适合蓝牙设备发送的数据形式，以供下一步的蓝牙发送模块使用；在数据处理过程中，如果接收到的是文本消息则可直接通过蓝牙设备进行转发；如果收到的是文本文件则需在本地进行保存然后再通过蓝牙进行转发；如果收到的是图片文件则需先将其还原为图片文件再通过蓝牙设备进行转发。

接收处理模块主要实现将从串口发送过来的应急通信数据还原为文本消息、文本文件或图片文件信息，以供蓝牙发送模块将其转发给目的蓝牙节点，包括以下子单元：

(a)文本消息接收处理单元

文本消息数据包经数据处理模块处理后，经串口上传来的是一个英文字符或中文字符的十六进制数据，这些十六进制数据将被文本消息接收处理模块转换成正常的字符数据存储在数据缓存数组中，待文本消息接收处理模块处理完所有到来的十六进制文本消息，将文本消息数据缓存数组交给蓝牙发送模块，由接收网关的蓝牙发送模块将文本消息转发给蓝牙接收软件。

接收处理模块处理文本消息接收的具体流程如图12所示。

(b)文本文件接收处理单元

文本文件数据包经数据处理模块处理后会从串口传送至接收网关上层，当文本文件接收处理模块从串口读取数据时，由于串口本身的限制每次只能获取一个字符的数据，而发送网关在发送文本文件时是分两步来完成，首先将文本文件的基本属性信息发送，包括文件的名称、文件后缀和文件大小，其次才发送文本文件的内容信息。这样文本文件接收处理模块在进行接收数据时无法区分收到的信息是文本文件的基本属性信息还是文本文件的内容信息。

本发明中，文本文件接收处理模块设计在接收文本文件信息时，设置一个标志变量‘change’并将其初始化为‘1’。当其值为‘1’时，表示当前接收的是文本文件的基本属性信息。当其值为‘2’时，表示当前接收的文本文件的内容信息。同时，为便于‘change’值的变换，ZigBee设备在发送文本文件的基本属性信息时，在基本属性信息的后面追加标志位‘％’。当ZigBee设备接收网关从串口读取到‘％’时，表示文本文件的基本属性信息已接收完毕，可以将‘change’值修改为‘2’。同样，ZigBee设备发送网关在发送文本文件的内容信息时，在最后的一个数据包后面追加标志位‘！’。接收网关接收到‘！’表示文本文件的内容信息接收完毕，可将‘change’值修改为‘1’。

考虑到传输***数据传输的可靠性，本文中的文本文件和图片文件都采用存储转发的模式进行设计，即在接收网关端先将要转发的文本文件存储在本地，然后再转发给目标蓝牙接收节点。

为能将要转发的文本文件存储在接收网关本地，文本文件接收处理模块在接收文本文件时，先将文本文件的基本属性信息进行接收，利用文本文件的文件名和文件后缀在本地创建内容空白的文本文件；然后，再将接收到的文本文件内容信息写入创建的文本文件中，以达到先存储的目的；最后，调用数据转发模块将要转发的文本文件发送给蓝牙接收软件。

文本文件接收处理模块工作流程如图13所示。

(c)图片文件信息接收处理单元

(图片文件信息接收处理单元的功能在发送子***的串口转发模块进行描述的，现在修正到这里)

图片文件信息接收处理单元将接收到的信息转换成十六进制的文本文件，并将接收到的文本文件转换成图片文件，交由蓝牙发送模块通过蓝牙链路发送给蓝牙数据接收模块。

具体处理步骤如下：

a远端接收网关接收并存储发送过来的十六进制文本文件。

b将存储的十六进制文本文件转换成图片文件。

c调用接收网关蓝牙设备图片发送程序转发转换的图片文件。

接收网关转发图片文件的具体流程如图7所示。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于蓝牙、ZigBee的异构无线网络传输***，其特征在于，包括发送端子***和接收端子***；所述发送端子***包括发送网关和蓝牙发送模块，蓝牙发送模块用于向发送网关发送应急通信数据；所述发送网关包括配置控制模块、串口转发模块、ZigBee初始化模块、串口监听模块、数据处理模块、数据发送模块；所述接收子***包括接收网关和蓝牙数据接收模块；所述接收网关包括ZigBee数据包截获模块、数据处理模块、串口转发模块、配置控制模块、串口监听模块、接收处理模块、蓝牙发送模块。

Images