CN100479443C - 蓝牙ZigBee网关 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种使蓝牙和ZigBee两种设备之间能够顺利流畅实现通信的蓝牙ZigBee网关。其蓝牙模块与ZigBee模块之间通过串口相连，将蓝牙模块的数据传给ZigBee模块或把ZigBee模块的数据传给蓝牙模块；蓝牙模块内芯片中的蓝牙收发器与蓝牙子节点进行通讯；模块中的ZigBee收发器，用于和ZigBee子节点通过无线方式通信。蓝牙ZigBee网关协议模型分为以下几层：最上层是网关的管理层，下层分别是与蓝牙设备的协议对应的蓝牙射频、基带、LMP和L2CAP、RFCOMM和SDP，和与ZigBee设备的协议相对应的ZigBee物理层、ZigBee MAC层和ZigBee网络层；蓝牙ZigBee网关的管理层是蓝牙及ZigBee初始化、配置和连接管理期间使用执行过程以及蓝牙与ZigBee共存管理的管理实体，它负责管理报文的封装和拆除。

Description

蓝牙ZigBee网关

技术领域

本发明涉及无线通信领域中的网关技术，具体涉及蓝牙和ZigBee的通信转换系统。

背景技术

网关是一种充当转换重任的计算机系统或设备，是连接不同网络的软件和硬件的结合产品。在使用不同的通信协议、数据格式或语言甚至体系完全不同的两种系统之间，网关是一个翻译器；通过重新封闭信息以使它们能被另一个系统读取，以适应目的系统的需求。

蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通信技术，其协议遵循开放系统互连参考模型(OSI/RM)。它包含以下几种协议：基带协议、链路管理协议、逻辑链路控制与适配协议、服务发现协议；电缆替代协议(RFCOMM)；电话传送控制协议以及一些可选协议等。除了上述协议以外，蓝牙规范还定义了主机控制接口(HCI)。它是蓝牙模块和主机间的软件接口，它提供了控制基带、链路管理器、状态寄存器等硬件功能的指令分组格式。利用蓝牙技术，可以低成本地将各种设备连接起来。

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、传感、监控和远程控制等领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。ZigBee联盟在制定ZigBee标准时，采用了IEEE802.15.4作为其物理层和媒体接入层规范。在其基础之上，ZigBee联盟制定了数据链路层(DLL)、网络层(NWK)和应用编程接口(API)规范。

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。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种蓝牙ZigBee网关技术，使蓝牙和ZigBee两种设备之间能顺利流畅地实现通信的蓝牙ZigBee网关。

本发明的目的是这样实现的：蓝牙ZigBee网关，其特征在于硬件包括蓝牙模块和ZigBee模块。蓝牙模块与ZigBee模块之间通过串口相连，用于将蓝牙模块的数据传给ZigBee模块或把ZigBee模块的数据传给蓝牙模块。该蓝牙模块内芯片中的蓝牙收发器与蓝牙子节点通过无线方式通讯；ZigBee收发器与Zigbee节点通过无线方式通信；

蓝牙ZigBee网关协议模型分为以下几层：最上层是网关的管理层，下层分别是与蓝牙子节点的协议对应的蓝牙射频、基带、链路管理协议LMP和逻辑链路控制与适配协议L2CAP、电缆替代协议RFCOMM和服务发现协议SDP，和与ZigBee节点的协议相对应的ZigBee物理层、ZigBee介质访问控制MAC层和ZigBee网络层；蓝牙ZigBee网关管理层是蓝牙及ZigBee初始化、配置和连接管理期间使用执行过程，以及蓝牙与ZigBee共存管理的管理实体，它负责管理报文的封装和拆除。

蓝牙ZigBee网关的处理方法是：

1)对从Zigbee节点发送到蓝牙主机的数据来说，在蓝牙ZigBee网关需经过以下处理：从Zigbee节点接收到的数据→去掉ZigBee物理层分组头→去掉ZigBee介质访问控制MAC层分组头→去掉ZigBee网络层分组头→添加蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加蓝牙物理层分组头。

2)对从蓝牙子节点发送到ZigBee的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从蓝牙子节点接收到的数据→去掉蓝牙物理层分组头→去掉蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→去掉蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加ZigBee网络层分组头→添加ZigBee介质访问控制MAC层分组头→添加ZigBee物理层分组头。

3)对从蓝牙子节点A发送给蓝牙子节点B的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从蓝牙子节点A接收到的数据→去掉蓝牙物理层分组头→去掉蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→去掉蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加蓝牙物理层分组头。

4)对从Zigbee节点A发送给Zigbee节点B的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从Zigbee节点A接收到的数据→去掉ZigBee物理层分组头→去掉ZigBee介质访问控制MAC层分组头→去掉ZigBee网络层分组头→添加ZigBee网络层分组头→添加ZigBee介质访问控制MAC层分组头→添加ZigBee物理层分组头。

所述蓝牙ZigBee网关中包括主程序，该主程序实现如下功能：

1)注册过程：当蓝牙子节点和Zigbee节点进入蓝牙ZigBee网络当中时，蓝牙和Zigbee节点必须向蓝牙ZigBee网关进行注册登记和鉴权；

2)服务发现：在本发明中，首要的目的是能够找到网络中的蓝牙子节点和Zigbee节点，并知道他们使用的协议，这个通过蓝牙ZigBee网关所提供的服务发现服务来实现。在服务发现服务的服务记录中，包含有设备名称、地址、协议描述等相关信息，使蓝牙子节点能够发现所有注册到网关的蓝牙子节点及Zigbee节点，反过来Zigbee节点也能找到Zigbee节点及蓝牙子节点；

3)连接过程：是指蓝牙子节点和Zigbee节点之间，或者蓝牙子节点与蓝牙子节点之间、Zigbee节点与Zigbee节点之间的连接过程，Zigbee节点与蓝牙子节点之间的连接必须通过网关中转，而蓝牙子节点之间及Zigbee节点之间可以通过网关中转，也可以直接相连；在连接过程中，采用逐层连接的方式；

4)数据收发过程：包括Zigbee节点数据收发过程、蓝牙子节点数据收发过程和蓝牙ZigBee网关中的数据收发过程；

5)断开过程：是指连接过程的相反过程，也就是指蓝牙子节点与Zigbee节点之间或者蓝牙子节点与蓝牙子节点之间、Zigbee节点与Zigbee节点之间的断开连接过程。断开过程必须经过网关中转；不经过网关断开的过程不在此发明之内。

6)注销过程：当设备要求离开蓝牙ZigBee网络，产生注销过程。注销过程分为正常注销和非正常注销。

相比现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明蓝牙ZigBee网关使蓝牙和ZigBee两种设备之间能顺利流畅地实现通信。

2、本发明蓝牙ZigBee网关蓝牙部分对于蓝牙子节点可以作为网关使用，网关中的ZigBee部分对于Zigbee节点可以作为ZigBee协调器使用。

附图说明

图1是蓝牙ZigBee网关的硬件框图；

图2是蓝牙ZigBee协议模型图示；

图3是蓝牙ZigBee网关程序功能图。

具体实施方式

下面通过借助附图详细描述本发明的具体信息，以便进一步理解本发明。

1、蓝牙ZigBee网关的硬件设计

如图1所示，蓝牙ZigBee网关主要包括：蓝牙模块1和ZigBee模块2。蓝牙模块1与ZigBee模块2之间通过串口相连，用于将蓝牙模块1的数据传给ZigBee模块2或把ZigBee模块2的数据传给蓝牙模块1。

实施例中：蓝牙模块1与RS232串口相连，该模块主要实现蓝牙HCI层以下的协议，并且提供符合蓝牙规范的空中接口。模块内芯片中的蓝牙收发器4与蓝牙子节点5进行通讯。蓝牙子节点5可以是蓝牙手机或是主机中的蓝牙适配器。

ZigBee模块2与RS232串口相连，为了节约成本和减少网关的体积，采用Chipcon公司的cc2430-F128芯片，芯片内部写入了网关的管理程序。此模块用于接收由Zigbee节点6传送过来的数据，并进行处理。模块中的ZigBee收发器3用于和Zigbee节点6通过无线方式通信。

蓝牙ZigBee网关硬件的功能为：遇到紧急情况，按紧急按钮可以向管理中心报警；并通过网关上的无线(ZigBee、蓝牙)模块可以分别与Zigbee节点6和蓝牙子节点5进行通信。

2、软件设计

2.1协议模型：

蓝牙ZigBee网关协议模型主要针对无线通信中两种不同的标准，即蓝牙和ZigBee产品之间的相互通信。

如图2所示，蓝牙ZigBee网关9协议模型分为以下几层：最上层是网关的管理层8，下层分别是与蓝牙子节点7的协议对应的蓝牙射频、基带、链路管理协议LMP和逻辑链路控制与适配协议L2CAP、电缆替代协议RFCOMM和服务发现协议SDP，和与Zigbee节点10的协议相对应的ZigBee物理层、ZigBee介质访问控制MAC层和ZigBee网络层。蓝牙ZigBee网关9对于蓝牙子节点7是主设备，对于Zigbee节点10是协调器。蓝牙子节点7的协议中的射频、基带、链路管理协议LMP和逻辑链路控制与适配协议L2CAP以及ZigBee的物理层和介质访问控制MAC是OSI的第一、二层。蓝牙电缆替代协议RFCOMM是对GSM TS 07.10的蓝牙适配；蓝牙SDP是蓝牙服务发现协议。蓝牙ZigBee网关的管理层8是蓝牙及ZigBee初始化、配置和连接管理期间使用的执行过程，以及蓝牙与ZigBee共存管理的管理实体。它是整个网关的协议转换功能单元，它负责管理报文的封装和拆除。

蓝牙与Zigbee节点之间建立连接的过程：首先蓝牙子节点7和蓝牙ZigBee网关9每层之间分别建立连接，接着蓝牙子节点7向蓝牙ZigBee网关9发送一个连接请求，连接请求数据包中包含所要连接的Zigbee节点10地址等相关信息，之后蓝牙ZigBee网关9与相应的Zigbee节点10各层之间分别建立连接，成功之后向Zigbee节点10发送连接请求。Zigbee节点10接收到连接请求命令之后，它就做出决定是否接收连接请求命令，如果Zigbee节点10接受连接请求命令，则蓝牙子节点7和Zigbee节点10之间就建立起连接了。

发送数据过程：蓝牙子节点7向网关9发送数据，网关9接收到数据之后，每层都对数据进行处理，数据包在到达管理层8时，其所有的头部均被丢弃掉。此时管理层8把先前蓝牙子节点7和Zigbee节点10之间建立连接的相关信息取出，比如地址等信息。然后管理层8就把地址等信息加入到数据包上，接着继续向下层传输，继续添加相关的信息。最后网关9发送出数据包，Zigbee节点10就接收到相应的数据包。

蓝牙ZigBee网关9的处理过程：

1)对从Zigbee节点10发送到蓝牙主机的数据来说，在蓝牙ZigBee网关9需经过以下处理：从Zigbee节点10接收到的数据→去掉ZigBee物理层分组头→去掉ZigBee介质访问控制MAC层分组头→去掉ZigBee网络层分组头→添加蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加蓝牙物理层分组头；

2)对从蓝牙子节点7发送到ZigBee的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从蓝牙子节点7接收到的数据→去掉蓝牙物理层分组头→去掉蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→去掉蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加ZigBee网络层分组头→添加ZigBee介质访问控制MAC层分组头→添加ZigBee物理层分组头。

3)对从蓝牙子节点A发送给蓝牙子节点B的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从蓝牙子节点A接收到的数据→去掉蓝牙物理层分组头→去掉蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→去掉蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加蓝牙电缆替代协议RFCOMM层分组头(此步骤可选)→添加蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加蓝牙物理层分组头。

4)对从Zigbee节点A发送给Zigbee节点B的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从Zigbee节点A接收到的数据→去掉ZigBee物理层分组头→去掉ZigBee介质访问控制MAC层分组头→去掉ZigBee网络层分组头→添加ZigBee网络层分组头→添加ZigBee介质访问控制MAC层分组头→添加ZigBee物理层分组头。

2.2蓝牙ZigBee网关主程序功能：

参见图3，蓝牙ZigBee网关主程序的主要实现注册11、服务发现12、连接13、数据收发14、断开15和注销16这几个功能。

1)注册过程11：当蓝牙子节点和Zigbee节点进入蓝牙ZigBee网络当中时，蓝牙和Zigbee节点必须向蓝牙ZigBee网关进行注册登记和鉴权；

2)服务发现12：在本发明中，首要的目的是能够找到网络中的蓝牙子节点和Zigbee节点，并知道他们使用的协议，这个通过蓝牙ZigBee网关所提供的服务发现服务来实现。在服务发现服务的服务记录中，包含有设备名称、地址、协议描述等相关信息，使蓝牙子节点能够发现所有注册到网关的蓝牙子节点及Zigbee节点，反过来Zigbee节点也能找到Zigbee节点及蓝牙子节点；

3)连接过程13：是指蓝牙子节点和Zigbee节点之间，或者蓝牙子节点与蓝牙子节点之间、Zigbee节点与Zigbee节点之间的连接过程，Zigbee节点与蓝牙子节点之间的连接必须通过网关中转，而蓝牙子节点之间及Zigbee节点之间可以通过网关中转，也可以直接相连；在连接过程中，采用逐层连接的方式；

4)数据收发过程14：包括Zigbee节点数据收发过程、蓝牙子节点数据收发过程和蓝牙ZigBee网关中的数据收发过程；

5)断开过程15：是指连接过程的相反过程，也就是指蓝牙子节点与Zigbee节点之间或者蓝牙子节点与蓝牙子节点之间、Zigbee节点与Zigbee节点之间的断开连接过程。断开过程必须经过网关中转。不经过网关断开的过程不在此发明之内。

6)注销过程16：当设备要求离开蓝牙ZigBee网络，产生注销过程。注销过程分为正常注销和非正常注销。

通过蓝牙ZigBee网关提供的发现服务，注册到网络中的Zigbee节点及蓝牙子节点可以查询附近所有的Zigbee节点及蓝牙子节点。

正常处理流程为：蓝牙子节点或Zigbee节点首先向蓝牙ZigBee网关进行注册11登记和鉴权。当蓝牙子节点和Zigbee节点加入到蓝牙ZigBee网络中之后，它们自己是作为客户机，而蓝牙ZigBee网关作为服务器。通过服务发现协议SDP，它们可以搜索到在蓝牙ZigBee网关中注册的蓝牙子节点及Zigbee节点。通过连接过程13中，可以在蓝牙子节点与Zigbee节点之间或者蓝牙子节点之间或者Zigbee节点之间建立连接，连接之后，就可以使用数据收发过程14收发数据。数据收发完成之后，可以使用断开过程15断开两者之间的连接。当设备要求离开蓝牙ZigBee网络，就可以使用注销过程16进行注销，注销之后其他设备也就不会再搜索到这个设备了。

本发明是从蓝牙和ZigBee技术的实用价值出发来进行描述的，在不脱离附属的权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以进行各自形式和细节的改变。

Claims (4)

1、蓝牙ZigBee网关，其特征在于硬件包括蓝牙模块(1)和ZigBee模块(2)；蓝牙模块(1)与ZigBee模块(2)之间通过串口相连，将蓝牙模块(1)的数据传给ZigBee模块(2)或把ZigBee模块(2)的数据传给蓝牙模块(1)；该蓝牙模块内芯片中的蓝牙收发器(4)与蓝牙子节点(5)通过无线方式通讯；ZigBee收发器(3)与Zigbee节点(6)通过无线方式通信；

蓝牙ZigBee网关协议模型分为以下几层：最上层是网关的管理层(8)，下层分别是与蓝牙子节点(5)的协议对应的蓝牙射频、基带、链路管理协议LMP和逻辑链路控制与适配协议L2CAP、电缆替代协议RFCOMM和服务发现协议SDP，和与Zigbee节点(6)的协议相对应的ZigBee物理层、ZigBee介质访问控制MAC层和ZigBee网络层；蓝牙ZigBee网关的管理层(8)是蓝牙及ZigBee初始化、配置和连接管理期间使用执行过程以及蓝牙与ZigBee共存管理的管理实体，它负责管理报文的封装和拆除；

蓝牙ZigBee网关(9)的处理方法是：

1)对从Zigbee节点(6)发送到带蓝牙适配器的主机的数据来说，在蓝牙ZigBee网关需经过以下处理：从Zigbee节点(6)接收到的数据→去掉ZigBee物理层分组头→去掉ZigBee介质访问控制MAC层分组头→去掉ZigBee网络层分组头→添加蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加蓝牙物理层分组头；

2)对从蓝牙子节点(5)发送到Zigbee节点(6)的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从蓝牙子节点(5)接收到的数据→去掉蓝牙物理层分组头→去掉蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加ZigBee网络层分组头→添加ZigBee介质访问控制MAC层分组头→添加ZigBee物理层分组头；

3)对从蓝牙子节点A发送给蓝牙子节点B的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从蓝牙子节点A接收到的数据→去掉蓝牙物理层分组头→去掉蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加蓝牙逻辑链路控制与适配协议L2CAP层分组头→添加蓝牙物理层分组头；

4)对从Zigbee节点A发送给Zigbee节点B的数据来说，在网关里，它需要经过以下处理：从Zigbee节点A接收到的数据→去掉ZigBee物理层分组头→去掉ZigBee介质访问控制MAC层分组头→去掉ZigBee网络层分组头→添加ZigBee网络层分组头→添加ZigBee介质访问控制MAC层分组头→添加ZigBee物理层分组头。

2、根据权利要求1所述的蓝牙ZigBee网关，其特征在于所述蓝牙ZigBee网关中包括主程序，该主程序实现如下功能：

1)注册过程(11)：当蓝牙子节点和Zigbee节点进入蓝牙ZigBee网络当中时，蓝牙和Zigbee节点必须向蓝牙ZigBee网关进行注册登记和鉴权；

2)服务发现(12)：首要的目的是能够找到网络中的蓝牙子节点和Zigbee节点，并知道他们使用的协议，这个通过蓝牙ZigBee网关所提供的服务发现服务来实现；在服务发现服务的服务记录中，包含有设备名称、地址、协议描述相关信息，使蓝牙子节点能够发现所有注册到网关的蓝牙子节点及Zigbee节点，反过来Zigbee节点也能找到Zigbee节点及蓝牙子节点；

3)连接过程(13)：是指蓝牙子节点和Zigbee节点之间，或者蓝牙子节点与蓝牙子节点之间、Zigbee节点与Zigbee节点之间的连接过程，Zigbee节点与蓝牙子节点之间的连接必须通过网关中转，而蓝牙子节点之间及Zigbee节点之间可以通过网关中转，也可以直接相连；在连接过程中，采用逐层连接的方式；

4)数据收发过程(14)：包括Zigbee节点数据收发过程、蓝牙子节点数据收发过程和蓝牙ZigBee网关中的数据收发过程；

5)断开过程(15)：是指连接过程的相反过程，也就是指蓝牙子节点与Zigbee节点之间或者蓝牙子节点与蓝牙子节点之间、Zigbee节点与Zigbee节点之间的断开连接过程；断开过程必须经过网关中转；不经过网关断开的过程不在所述断开过程(15)之内；

6)注销过程(16)：当设备要求离开蓝牙ZigBee网络，产生注销过程，注销过程分为正常注销和非正常注销。

3.根据权利要求1所述的蓝牙ZigBee网关，其特征在于所述蓝牙与Zigbee节点之间建立连接的过程：首先蓝牙子节点(5)和蓝牙ZigBee网关(9)每层之间分别建立连接，接着蓝牙子节点(5)向蓝牙ZigBee网关(9)发送一个连接请求，连接请求数据包中包含所要连接的Zigbee节点(6)地址相关信息，之后蓝牙ZigBee网关(9)与相应的Zigbee节点(6)各层之间分别建立连接，成功之后向Zigbee节点(6)发送连接请求命令；Zigbee节点(6)接收到连接请求命令之后，它就做出决定是否接收连接请求命令，如果Zigbee节点(6)接受连接请求命令，则蓝牙子节点(5)和Zigbee节点(6)之间就建立起连接了。

4.根据权利要求2所述的蓝牙ZigBee网关，其特征在于所述网关处理流程为：首先蓝牙子节点或Zigbee节点向蓝牙ZigBee网关进行注册(11)登记和鉴权，当蓝牙子节点和Zigbee节点加入到蓝牙ZigBee网络中之后，它们自己是作为客户机，而蓝牙ZigBee网关作为服务器；通过服务发现协议SDP，它们可以搜索到在蓝牙ZigBee网关中注册的蓝牙子节点及Zigbee节点；通过连接过程(13)，在蓝牙子节点与Zigbee节点之间或者蓝牙子节点之间或者Zigbee节点之间建立连接，连接之后，就可以使用数据收发过程(14)收发数据；数据收发完成之后，可以使用断开过程(15)断开两者之间的连接；当设备要求离开蓝牙ZigBee网络，就可以使用注销过程(16)进行注销，注销之后其他设备也就不会再搜索到这个设备了。

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