CN107196707B - 分布式光载无线-WiFi-ZigBee网络 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种分布式光载无线‑WiFi‑Zigbee网络，包括：光载无线交换***、分布式主机和若干分布式从机，所述光载无线交换***与分布式主机之间通过WiFi模块进行通信，所述分布式主机与分布式从机之间通过Zigbee无线模块进行通信。本发明采用Zigbee无线通讯技术有效覆盖50～200米，分布式的主机与分布式的从机通过Zigbee协议进行数据通信；分布式主机再通过WiFi把数据进一步传输至光载无线交换***。由于WiFi接入点可以集中在控制室，则可以通过WiFi接入多点分布式从机，而从机由于采用了Zigbee通信技术，即无需每个从机都用WiFi通信，降低了成本，另外采用Zigbee协议实现了按两个字节的短地址查询并通信的功能，有效地提高了***的可靠性、安全性和灵活性，实现了分布式数据的采集。
Description
技术领域
本发明涉及工控技术领域，尤其涉及一种WiFi光载无线交换***中的基于2.4GHz的Zigbee主从分布式网络。
背景技术
传统的工业通讯方式——现场总线，存在传输距离短、互操作性差、传输速率低、需人工布线等缺点。因此，为了实现生产现场的无人值守和远程控制，找到一种便捷有效的方式来解决上述问题，则成为技术发展的趋势。
一篇公开号为CN103200702A的中国发明专利申请揭示了一种分布式光载无线-WiFi-Modbus网络，包括：光载无线交换***，Modbus主机和至少两个Modbus从机；所述光载无线交换***与Modbus主机之间、所述Modbus主机与Modbus从机间通过辐射天线进行无线通信；前述Modbus主机与Modbus从机间的通信方式为通过无线通信模块的射频信号进行无线通信；所述光载无线交换***包括中心站和光线链路，连接在中心站和远端射频单元之间的光纤链路用来实现WiFi无线射频信号的分发，中心站用来进行信号交换、控制和处理，远端射频单元用来实现光电转换和射频功率放大。该专利申请提出的分布式光载无线-WiFi-Modbus网络，实现了终端数据的无线采集和集中管控，且网络环境搭建灵活、安全、可靠。但当某一台WiFi-Modbus主机出现故障时，会导致大量的Modbus从机不能工作，严重影响整个网络的正常工作，网络后期的维护管理极为麻烦。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种网络稳定、健壮的分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络。
为实现该目的，本发明采用如下技术方案：
本发明中的分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络，其特征在于，包括：光载无线交换***、分布式主机、分布式从机(若干)、Zigbee无线模块、WiFi模块。
所述的光载无线交换***结合光载无线技术和WiFi(Wireless Fidelity，无线保真技术)无线宽带局域网技术，利用中心站(CS，Central Station)和远端基站(BS，BaseStation)之间的光纤链路实现WiFi无线射频(RF，Radio Frequency)信号的分发，而信号交换、控制和处理模块都集中在中心站(CS)，远端基站(BS)仅实现光电转换和射频功率放大功能。这样，将复杂、昂贵的设备集中到中心站点，让多个远端基站共享这些设备，从而减少基站的功耗和成本，提高***的可靠性和安全性，同时可以利用光载无线交换***实现频谱带宽资源的动态分配。
所述的分布式主机由微处理器、Zigbee无线接口、WiFi网络接口、I/O接口等硬件及软件***构成。分布式主机通过WiFi网络接口实现主机和光载无线交换***的通信；分布式主机通过Zigbee无线接口实现分布式主机对分布式从机的控制和数据的采集；分布式主机通过I/O接口控制Zigbee无线模块及WiFi模块实现无线数据传输，完成数据的收发和状态的显示；软件***包括单片机控制软件和应用软件，单片机控制***包含主机无线Zigbee(Z-Stack)协议，应用软件具有上位机传感器数据采集***、WiFi模块配置***等功能。
所述的分布式从机由微处理器、存储器、Zigbee无线接口、I/O接口等硬件及软件***构成。分布式从机通过Zigbee无线接口实现分布式主机和分布式从机的实时通信，完成分布式主机的命令；分布式从机通过I/O接口控制Zigbee无线模块实现无线数据传输，完成数据的收发和状态的显示；软件***包含分布式从机无线Zigbee(Z-Stack)协议。
所述Zigbee无线模块使用2.4GHz免费ISM频段免许可证，最大传输数率达200Kbps，并可软件修改波特率，开阔地传输距离达到200米，具有无线唤醒等功能，灵敏度达到-90dBm，可靠性高，可广泛应用于各种场合的短距离无线通信领域(如无线抄表、工业遥控、低功耗手持设备等)。基于Zigbee无线模块实现了无线数据传输，提高了可靠性。
所述WiFi模块为串口或TTL电平转WIFI通信的一种传输转换模块，Uart-WiFi模块是基于Uart接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换。根据主控制器的硬件电路设计，可以实现Zigbee与WiFi的相互转换，从而灵活方便的接入分布式光载无线WiFi网络。
工作过程描述：
工作前搭建好所需的硬件环境，包括光载无线***的搭建、分布式无线Zigbee主从机***的搭建、终端采集***的搭建(温湿度传感器、气体传感器、人体传感器等)。
***初始化工作时，分布式主机配置好各个寄存器的参数、WiFi模块的参数、Zigbee无线模块的参数等，分布式从机配置好各个寄存器的参数、Zigbee无线模块的参数等。为保证通信正常进行，需设定光载无线交换***的远端WiFi网络和分布式主机的WiFi模块具有相同的SSID(网络名)、认证密码、工作频道、工作模式等；分布式主机与分布式从机Zigbee无线模块的网络ID和信道等参数一致。
控制中心通过光载无线交换***将WiFi信号覆盖到远端分布式天线***，分布式主机的WiFi模块接到分布式***中，分布式主机负责将WiFi信号转换为Zigbee无线信号发射出去，这样控制中心发送指令，经光载无线交换***再由分布式主机的WiFi模块，将其转换为Zigbee无线信号发送给分布式从机，分布式从机再通过RS232/RS485串行接口将指令发送至各种终端传感器，对传感器完成相应的控制和数据的采集，传感器通过相同的方式将采集的数据回发给控制中心，从而实现了高速、灵活、安全的网络覆盖，完成了数据的无线采集、控制与管理。
本发明的有益效果是：
在现有的工业控制网络技术中，没有出现采用本发明的分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络***实现的。本发明的分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络技术和理念属首创。
本发明应用在各种工业生产中，经济、便捷，产品的互操作性好，大大减少了人工布置通信线路并很好的实现了资源的共享及远程的集中监控和管理，对进一步提高整个工控领域的集成度和自动化程度有着积极的意义。
在本发明中采用Zigbee无线通讯技术有效覆盖50～200米，分布式的主机与分布式的从机通过Zigbee协议进行数据通信；分布式主机再通过WiFi把数据进一步传输至光载无线交换***。由于WiFi接入点可以集中在控制室，则可以通过WiFi接入多点分布式从机，而从机由于采用了Zigbee通信技术，即无需每个从机都用WiFi通信，降低了成本，另外采用Zigbee协议实现了按两个字节的短地址查询并通信的功能，有效地提高了***的可靠性、安全性和灵活性，实现了分布式数据的采集。
与分布式光载无线-WiFi-Modbus网络相比，分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络具备网络自动愈合功能。在一般的分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络应用中，一台光载无线交换***会携带多台WiFi-Zigbee主机，每一台WiFi-Zigbee主机也可携带一台或多台Zigbee从机。假如某一台ZigBee从机处于两台WiFi-ZigBee主机的重叠网络覆盖范围内，当其中一台WiFi-ZigBee主机因为某种因素造成损坏，无法正常工作时，该Zigbee从机会自动接入另一台WiFi-Zigbee主机的Zigbee网络，而无需进行任何人为调整配置，大大提高了网络的稳定性和健壮性，便于后期网络的维护和管理。
附图说明
图1为分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络原理框图。
图2为分布式从机的原理框图。
图3为分布式主机的原理框图。
图4分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络的控制软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和示例性实施例对本发明作进一步地描述，其中附图中相同的标号全部指的是相同的部件。此外，如果已知技术的详细描述对于示出本发明的特征是不必要的，则将其省略。
如图1所示，一种分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络包括：光载无线交换***1，分布式主机2，分布式从机3(若干)，Zigbee无线模块，WiFi模。
其中，光载无线交换***1是结合光载无线技术和WiFi(Wireless Fidelity，无线保真技术)无线宽带局域网技术，利用中心站(CS，Central Station)和远端基站(BS，BaseStation)之间的光纤链路实现WiFi无线射频(RF，Radio Frequency)信号的分发，而信号交换、控制和处理模块都集中在中心站(CS)，远端基站(BS)仅实现光电转换和射频功率放大功能。
辐射天线101、201为WiFi模块的辐射天线，工作在2.4GHz频段，收发WiFi无线射频信号。
辐射天线211、301为ZigBee无线模块的辐射天线，工作在2.4GHz频段，收发2.4G无线射频信号。
虚线表示从机可以为1～255个。
如图2所示，所述分布式从机3由Zigbee模块304、微处理器303、RS232/RS485模块305、电源模块302、接口306构成，实现通过RS232/RS485模块305及接口306采集外部信号，通过Zigbee模块304与分布式主机进行通信，并把数据按照Z-Stack协议处理。
电源模块302为给分布式从机提供电源，其工作在0.7V～5.5V，200mA。实线307为电源模块给从机其它电路提供电源。微处理器303由内存储器、I/O接口等硬件及软件***构成。实双向线308为微处理器与Zigbee无线模块进行半双工通信线路。Zigbee无线模块304使用2.4GHz免费ISM频段免许可证，最大传输数率达200Kbps，并可软件修改波特率，开阔地传输距离达到200米，具有无线唤醒等功能，灵敏度达到-90dBm，发射功率最大为10dBm。辐射天线301工作在2.4GHz频段，收发Zigbee无线射频信号。实双向线309为微处理器与RS232/RS485半双工通信线路。RS232/RS485模块305为微处理器的TTL电平与外部接口RS232/RS485电平提供转换作用。实双向线310为外部设备与RS232/RS485半双工通信线路。接口306为与外部设备连接的RS232/RS485的接口。
如图3所示，所述分布式主机2包括：WiFi模块205、Zigbee模块204、微处理器203、电源模块202，实现WiFi信号与Zigbee信号的转换，并把数据按照Z-Stack协议处理。
实双向线208为微处理器与Zigbee无线模块204进行半双工通信线路。Zigbee无线模块204使用2.4GHz免费ISM频段免许可证，最大传输数率达200Kbps，并可软件修改波特率，开阔地传输距离达到200米，具有无线唤醒等功能，灵敏度达到-90dBm，发射功率最大为10dBm。辐射天线211工作在2.4GHz频段，收发Zigbee无线射频信号。
实双向线209为微处理器与WiFi模块205进行半双工通信线路。WiFi模块205为串口或TTL电平转WiFi通信的一种传输转换模块，Uart-WiFi模块是基于Uart接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换。在本发明中WiFi模块主要是通过IEEE802.11协议栈使得在光载无线交换***与分布式主机间通信。辐射天线201工作在2.4GHz频段，收发WiFi无线射频信号。
电源模块202为给分布式主机提供电源，其工作在5.0V～10V，500mA。实线207为电源模块给分布式主机其它电路提供电源。微处理器203，由内存储器、I/O接口等硬件及软件***构成。
如图4所示，***初始工作时，分布式主机配置好各个寄存器的参数、WiFi模块的参数、Zigbee无线模块的参数等，分布式从机配置好各个寄存器的参数、Zigbe无线模块的参数等。为保证通信正常进行，需设定光载无线交换***的远端WiFi网络和分布式主机的WiFi模块具有相同的SSID(网络名)、认证密码、工作频道、工作模式等；分布式主机和分布式从机的Zigbee无线模块的网络号和信道等参数一致。
分布式主机监控是否有数据发给分布式主机，如果接收到数据则先把数据放入缓存，没有则继续监控分布式主机是否有接收到数据。
分布式主机接收到数据以后判断数据是经过WiFi从光载无线交换***发送来的还是其它方式发送给分布式主机的，如果是光载无线交换***发来的那么分布式主机按照自定义协议解析数据并重新按照自动以协议通过Zigbee发送给分布式从机。
如果分布式主机接收到数据不是从光载无线交换***接收的数据那么就判断数据是否是从Zigbee模块接收的数据，如果是，那么按照Z-Stack协议解析数据并把数据按照Z-Stack协议通过WiFi发送给光载无线交换***，然后继续监控分布式主机是否接收到数据；如果不是则继续监控分布式主机是否接收到数据。
如果分布式从机接收到Zigbee数据，那么分布式从机按照Z-Stack协议解析数据并按照Z-Stack协议处理数据，可以是读取外部RS232/RS485的数据等，然后再把数据通过Zigbee模块发送给分布式主机。
虽然上面已经示出了本发明的一些示例性实施例，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的原理或精神的情况下，可以对这些示例性实施例做出改变，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (2)
1.分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络，其特征在于，包括：光载无线交换***、分布式主机和若干分布式从机，所述光载无线交换***与分布式主机之间通过WiFi模块进行通信，所述分布式主机与分布式从机之间通过Zigbee无线模块进行通信；
所述光载无线交换***包括中心站和远端基站，中心站和远端基站之间通过光纤链路连接，信号交换、控制和处理模块都集中在中心站，远端基站仅实现光电转换和射频功率放大功能；
所述分布式主机包括：微处理器、Zigbee无线接口、WiFi网络接口、I/O接口，微处理器通过WiFi网络接口实现主机和光载无线交换***的通信，微处理器通过Zigbee无线接口实现分布式主机对分布式从机的控制和数据的采集；微处理器通过I/O接口控制Zigbee无线模块及WiFi模块实现无线数据传输；
所述的分布式从机包括：微处理器、存储器、Zigbee无线接口、I/O接口，微处理器通过Zigbee无线接口实现分布式主机和分布式从机的实时通信，完成分布式主机的命令，微处理器通过I/O接口控制Zigbee无线模块实现无线数据传输，微处理器通过存储器存储接收到或待发送信息
应用时，一台光载无线交换***携带多台WiFi-Zigbee主机，每一台WiFi-Zigbee主机携带一台或多台Zigbee从机；假如某一台ZigBee从机处于两台WiFi-ZigBee主机的重叠网络覆盖范围内，当其中一台WiFi-ZigBee主机因为某种因素造成损坏，无法正常工作时，该Zigbee从机会自动接入另一台WiFi-Zigbee主机的Zigbee网络。
2.根据权利要求1所述的分布式光载无线-WiFi-Zigbee网络，其特征在于，所述分布式从机的数量为1-255个。
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Granted publication date: 20200131 |