CN101815041A - 多网合一型网关 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种四网合一型网关，主要实现ZigBee网络，蓝牙网络，TD-SCDMA网络和因特网中任意两种网络之间相互通信。本网关采用了4个双FIFO模块，每个双FIFO模块均含有独立的发送FIFO与接收FIFO，消除了网络间速度不匹配问题；每个网络模块与处理器均通过USB接口连接，增加了维修的方便性和应用灵活性；工作方式上采用循环检测法，任意网络间发送一帧信息后必须中断，避免了某一网络长时间独占另一网络，特别是使得任意网络间通信的几率相同。该网关适用于含有上述多个网络并需要进行网络间通信的领域，如家庭网络，工业控制网络和传感网等。
Description
技术领域
本发明是一种多网合一型网关，涉及异构网络融合技术。
背景技术
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，是一种介于无线标识技术和蓝牙之间的技术提案，它是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee技术具有省电，安全和可靠性高，时延短，网络容量大，高保密性等优点，但通信速率最多只有250Kbit/s，因此它被认为是最有前途的短距离无线传感网技术。目前世界各国都在大力发展物联网，ZigBee网络技术也将会在更大范围的被推广使用。
蓝牙也是一种短距离无线网络技术，最早是爱立信公司在1994年开始研究的一种能使手机与其附件之间相互通信的无线模块，传输距离只有10m。目前新的蓝牙标准和技术加强了距离和速率方面的研究，其2.0版本已经能够支持10Mbit/s以上的速率，通信范围可达100米。蓝牙自其规范发布以来，已经被越来越多的应用如工业自动控制、家庭自动化、电信级的音频传输、PDA、手机和PC外设。在二者的关系上，ZigBee联盟始终认为ZigBee和蓝牙是互为补充，而不是互相竞争，二者都将被广泛应用于无线传感器网络。
TD-SCDMA是由我国研发的具有自主知识产权的第三代移动通信标准，于2000年被国际电信联盟正式采纳为全球认可的3G标准之一。它的诞生，填补了我国百年电信史的空白，对改变我国移动通信产业的落后状况、提升电信业的核心竞争力、加快产业结构的调整和优化升级具有重要意义。TD-SCDMA标准自提交以来，经过第三代移动通信伙伴项目体系框架的融合完善，融入了时分双工、智能天线、同步CDMA技术，多用户检测、软件无线电、上行同步以及接力切换等国际先进技术。TD-SCDMA系统及其技术具有如下突出优势：频谱效率高，支持多载频，呼吸效应微弱，组网和频谱利用灵活，频率资源丰富，与GSM组网易于实施，灵活高效承载非对称数据业务。近年来，TD-SCDMA技术在我国迅速推广，国家一如既往的支持TD-SCDMA技术的发展，无线传感器网络在远程通信方面优先选择TD-SCDMA技术。
因特网是我们最熟悉的网络，它是目前最普及的网络，几乎成了我们生活中的一部分，鉴于大家对它的了解，在此不对该网络进行过多的描述。
随着通信网络的发展，未来网络除了以低成本实现数据的高速传输外，还要求网络具有很强的适应性和生存能力。目前这四种网络均已应用到相关领域，并且在同一场所或领域有多种网络被应用，但这四种网络都有各自的协议和标准，相互之间不能通信。为了使各个网络之间能够相互通信，本发明设计了一种四网合一型网关，它支持四种网络中的任意两种进行通信。因此，该网关的应用领域很广，即在对上述四种网络中任意两种之间有通信数据转换需求的地方，都可以使用。
如在一个家庭中，既拥有ZigBee网络的电器，也拥有蓝牙网络的电器，并且还有家庭互联网，那么，我们就可以利用该网关，将这三种网络互联，从而可以通过互联网控制电器的使用，同时，也可以接入TD-SCDMA网络，利用手机，随时随地控制家用电器等。例如，将家用电饭煲通过四网合一网关联网，主人可以通过TD-SCDMA网络利用手机随时控制电饭煲烧饭，增加了方便性。此外，如果将其它电器设备也通过此形式联网，主人在外地就可以随时了解家中的所有情况。
传感网是目前研究最热门的一种技术，它的特点是网络覆盖面广，低功耗，低成本，而ZigBee网络是最符合低功耗的特点，蓝牙网络，因特网是已经存在的应用比较多的网络，TD-SCDMA网络是目前中国政府力推的网络。该网关的发明，可以使传感网基于现有的网络，将各种网络连接起来，从而有效利用现有的网络，降低成本，使传感网技术迅速普及和推广，并且扩大网络通信范围。
发明内容
根据现有网络的特点和技术上的不足及目前网络间互联的需求，本发明提供了一种多网合一型网关，实现了ZigBee网络，蓝牙网络，TD-SCDMA网络和因特网之间任意两种网络之间的通信。
按照本发明提供的技术方案，所述多网合一型网关包括一个处理器，所述处理器连接3个及以上双FIFO模块，每个双FIFO模块分别连接一个USB接口，每个USB接口分别连接一个不同的带USB接口的网络通信模块；
所述处理器周期性的检测与所述网络通信模块连接的各个网络，各网络间通信采用分时操作，即任意时刻只能实现两个网络间通信，其它网络若请求通信，必须在本次网络间通信结束后才能建立通信通道。
所述带USB接口的网络通信模块是：蓝牙模块、ZigBee模块、TD-SCDMA模块或因特网模块。
所述双FIFO模块包括一个发送FIFO模块和一个接收FIFO模块，用于高速与低速网络之间的速度匹配。
所述处理器对网络连接的处理采用循环检测法，并且任意两个网络间在发送完一帧信息后，必须请求网络间的断开，若希望继续通信，则再次请求网络连接。
所述蓝牙模块是蓝牙网络的一个节点，实现网关与蓝牙网络的无线连接；所述ZigBee模块为ZigBee网络的网络节点，负责网关与ZigBee网络的无线连接；所述TD-SCDMA模块为TD-SCDMA网络的一个节点，实现网关与TD-SCDMA网络的无线连接；所述因特网模块是因特网网络的一个终端节点，因特网模块通过网线与因特网网络连接。
本发明的优点是：采用双FIFO结构，每个双FIFO模块均含有独立的发送FIFO模块与接收FIFO模块，实现了不同速度网络之间数据的缓冲，使网络能够顺利流畅的通信；网络模块与处理器连接采用USB接口，增加了网关维修的方便性和应用灵活性；处理器对网络连接的处理采用循环检测法，并且任意两个网络间在发送完一帧信息后，必须请求网络间的断开，若希望继续通信，则再次请求网络连接，避免了单一网络长时间独占另外一个网络，使得任意网络间通信的几率相同。
附图说明
图1是本发明实施例的四网合一型网关的使用状态图；
图2是本发明实施例的四网合一型网关的结构图；
图3是TD-SCDMA网络请求与ZigBee网络通信的流程图；
图4是本发明工作的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明做详细的描述。本发明具体涉及嵌入式技术、短距离无线通信ZigBee技术与蓝牙技术、第三代移动通信TD-SCDMA技术和因特网技术及这些网络之间的通信转化系统。以下是一个实用的四网合一型网关的设计。
1.四网合一型网关硬件设计
如图1，本发明的四网合一型网关10包括：网络连接和协议转化功能模块1、因特网模块25、蓝牙模块22、ZigBee模块23、TD-SCDMA模块24。因特网模块25是因特网的一个终端节点，它通过网线与因特网网络7连接；蓝牙模块22是蓝牙网络的一个节点，它实现网关10与蓝牙网络8的无线连接；ZigBee模块23为ZigBee网络的网络节点，它负责网关10与ZigBee网络23的无线连接；TD-SCDMA模块24为TD-SCDMA网络的一个节点，它实现网关10与TD-SCDMA网络6的无线连接。网络连接和协议转化功能模块1实现蓝牙网络8，ZigBee网络9，TD-SCDMA网络6和因特网7间任意两种网络的连接和网络协议的转化。因此，本发明的网关可以实现ZigBee网络，蓝牙网络，TD-SCDMA网络和因特网中任意两种网络之间的通信。
图2为网关10的详细结构图，网络连接和协议转化功能模块1对应虚线12所包括的部分，包括：处理器13，4个双FIFO模块14、15、16、17，4个USB接口模块18、19、20、21。处理器13分别通过第一双FIFO模块17与第一USB接口18连接，通过第二双FIFO模块14与第二USB接口19连接，通过第三双FIFO模块15与第三USB接口20连接，通过第四双FIFO模块16与第四USB接口21连接。第一USB接口18与带USB接口的ZigBee模块23连接，第二USB接口19与带USB接口的TD-SCDMA模块24连接，第三USB接口20与带USB接口的因特网模块25连接，第四USB接口21与带USB接口的蓝牙模块22连接。
所有的4种网络模块均通过USB接口接入方式连接到网关10中是本发明的一个优点。USB接口支持热插拔，因此，网关的组合很方便，也很灵活。若在某一具体应用中只存在其中三个或两个网络，可以只连接需要的网络，而不像集成连接方式那样，每个网络模块都必须出现在网关中；若某个网络模块或者协议转化功能模块坏了，仅需更换该模块即可，不用丢弃整个网关。
四网合一型网关中，每一个USB接口固定连接一种类型的网络，如本网关中所设计的第一USB接口18对应ZigBee网络9，第二USB接口19对应TD-SCDMA网络6，第三USB接口20对应因特网网络7，第四USB接口21对应蓝牙网络8。在处理器13进行协议转化和网络识别及连接时，均是按照这种固定方式来工作的，例如，处理器13默认从第一USB接口18传递过来的数据就是来自于ZigBee网络。
双FIFO模块14、15、16、17包括发送FIFO与接收FIFO两个FIFO模块，它可以对数据进行缓冲，匹配不同网络的通信速度，从而使不同通信速度的网络能够顺利流畅的通信。
2.四网合一型网关的处理过程
本网关10的处理过程主要分为：TD-SCDMA/ZigBee通信、TD-SCDMA/蓝牙通信、TD-SCDMA/因特网通信、ZigBee/蓝牙通信、ZigBee/因特网通信、蓝牙/因特网通信。下面仅以TD-SCDMA/ZigBee通信为例说明通信过程，其它网络间通信的方法相同。
TD-SCDMA/ZigBee通信主要分为两种情况：
1)TD-SCDMA网络连接请求方(即主动方)，ZigBee网络响应方(即被动方)；
2)ZigBee网络连接请求方(即主动方)，TD-SCDMA网络响应方(即被动方)；
对于第一种情况，工作流程图如图3所示，其工作过程描述如下：
TD-SCDMA网络中某一个节点请求与ZigBee中某一节点通信，TD-SCDMA网络中该节点首先发送一个请求信息给TD-SCDMA模块，该请求信息里包含ZigBee网络中节点的地址信息，TD-SCDMA模块接收到该信号后，发送给处理器，处理器获得该信号，首先查询地址对应表，将请求信息中的地址转化成ZigBee网络节点的地址，然后发送一个连接请求信号(已经转化成ZigBee网络中节点的地址)给ZigBee模块，ZigBee模块将请求信号转发到ZigBee网络中对应的节点。若ZigBee节点可以进行数据通信，则回送一个同意通信的信号给处理器，处理器接收到该信号后，就在TD-SCDMA网络和ZigBee网络间建立一条通信通道。然后处理器发送连接成功信号给TD-SCDMA模块及TD-SCDMA网络节点，两个网络中的网络节点开始数据通信。若ZigBee网络节点忙，则通信连接失败。数据通信分为两种情况：
1)TD-SCDMA网络节点发送指令，要求ZigBee网络节点发送数据；
在这种情况下，TD-SCDMA网络节点首先通过无线方式发送指令给TD-SCDMA模块，TD-SCDMA模块接收到信息后，将指令通过USB接口和双FIFO的发送FIFO发送给处理器，处理器将指令进行协议转化，通过双FIFO接口的接收FIFO及USB接口发送给ZigBee模块，由ZigBee模块通过无线方式发送给ZigBee网络节点。ZigBee网络节点按照指令的要求，将采集到的数据信息发送给TD-SCDMA网络节点。TD-SCDMA若成功接收数据，则不做任何操作，若接收数据失败，则在下一次连接时，可根据系统设置，选择是否重新传输该数据。若系统设置为重新传输数据，则会有一个最大重复传输数据次数的限制，持续重传要求次数超过该限制，不再要求重传。
2)TD-SCDMA网络节点直接发送数据，要求ZigBee网络节点接收数据；
在这种情况下，TD-SCDMA网络节点首先通过无线方式发送相应的数据给TD-SCDMA模块，TD-SCDMA模块接收到数据后，将数据通过USB接口和双FIFO的发送FIFO发送给处理器，处理器将数据进行协议转化，通过双FIFO接口的接收FIFO及USB接口发送给ZigBee模块，由ZigBee模块通过无线方式发送给ZigBee网络节点。ZigBee网络节点接收到数据后，会返回一个数据接收情况的报告给TD-SCDMA网络节点。若成功接收，则返回接收成功信息，若接收出错，则返回接收失败信息，根据系统设置，可选择是否要求TD-SCDMA网络重新传输数据。若系统设置为重新传输数据，则会有一个最大重复传输数据次数的限制，持续重传要求次数超过该限制，则会默认连接无效，不再重传。
考虑到某两个网络间长期独占网络通道，会使其它网络间不能通信，本网关在设计时，要求任意两种网络间数据通信时，每次只能传输一帧数据，一旦一帧数据传输完毕，必须中断网络连接。因此当TD-SCDMA网络节点或者ZigBee网络节点传输完一帧数据后，处理器会给TD-SCDMA网络和ZigBee网络发送连接断开命令，TD-SCDMA网络和ZigBee网络的数据通信结束。
第二种情况的工作方式也是如此，不同的是请求网络通信的主动方是ZigBee网络。
网关系统的工作，主要由处理器来控制，它采用一种循环检测方法实现所有网络间的通信，流程如示意图4，其工作方式如下：
网关在上电时首先要进行初始化操作，即蓝牙模块，ZigBee模块，TD-SCDMA模块，因特网模块将本网络中节点的地址信息及自身的地址信息发送到处理器，处理器对所有网络节点的地址进行映射，建立一个地址对应表。此外，网关在工作时，若蓝牙网络，ZigBee网络中有节点接入时，也会修改相应的地址对应表。处理器首先检测ZigBee网络是否请求通信(即双FIFO模块17的发送FIFO是否为非空)。若有请求，则读取双FIFO模块17的发送FIFO中的数据，判断ZigBee网络请求与哪一个网络通信，通信方法如同ZigBee/TD-SCDMA通信；若无请求或者一帧信息通信结束，则检测蓝牙网络是否请求通信(即双FIFO模块16中的发送FIFO是否为空)，若有请求，则读取双FIFO模块16发送FIFO中的数据，判断蓝牙网络请求与哪一个网络通信，通信方法如同ZigBee/TD-SCDMA通信；若无请求或者一帧信息通信结束，则接着检测因特网网络是否请求通信(即双FIFO模块15中的发送FIFO是否为空)，然后再检测TD-SCDMA网络是否请求通信(即双FIFO模块14中的发送FIFO是否为空)，四种网络均检测一遍后，再从ZigBee网络开始重新检测，这样周期性工作，使四种网络任意两种网络间都能够实现通信。
本发明的网关中任意两种网络间通信的权利是平等的，网关中网络通信采用分时操作的原理。所以网关的有效通信速率会降低，这就使得本网关的应用领域只限于低速率通信的网络环境中。因此它适合家庭家电一体化控制系统，传感网系统及工业控制等领域中想要基于现有的多种网络，并且网络间仅需传输少量信息或有效传输速率较低的领域，特别适合那些网络间通信时仅在固定间隔时间点上通信的应用领域，如无线个人局域网。
本发明是从网关的硬件结构和工作方式方面来描述的，在不脱离附属的权利要求书所限定的本发明精神和范围的情况下，可以进行各自形式和细节的改变。
Claims (5)
1.多网合一型网关，其特征在于：包括一个处理器(13)，所述处理器(13)连接3个及以上双FIFO模块，每个双FIFO模块分别连接一个USB接口，每个USB接口分别连接一个不同的带USB接口的网络通信模块；所述处理器(13)周期性的检测与所述网络通信模块连接的各个网络，各网络间通信采用分时操作，即任意时刻只能实现两个网络间通信，其它网络若请求通信，必须在本次网络间通信结束后才能建立通信通道。
2.如权利要求1所述的多网合一型网关，其特征是所述带USB接口的网络通信模块是：蓝牙模块(22)、ZigBee模块(23)、TD-SCDMA模块(24)或因特网模块(25)。
3.如权利要求1所述的多网合一型网关，其特征是所述双FIFO模块包括一个发送FIFO模块和一个接收FIFO模块，用于高速与低速网络之间的速度匹配。
4.如权利要求1所述的多网合一型网关，其特征是所述处理器(13)对网络连接的处理采用循环检测法，并且任意两个网络间在发送完一帧信息后，必须请求网络间的断开，若希望继续通信，则再次请求网络连接。
5.如权利要求1所述的多网合一型网关，其特征是所述蓝牙模块(22)是蓝牙网络(8)的一个节点，实现网关与蓝牙网络(8)的无线连接；所述ZigBee模块(23)为ZigBee网络(23)的网络节点，负责网关与ZigBee网络(23)的无线连接；所述TD-SCDMA模块(24)为TD-SCDMA网络(6)的一个节点，实现网关与TD-SCDMA网络(6)的无线连接；所述因特网模块(25)是因特网网络(7)的一个终端节点，因特网模块(25)通过网线与因特网网络(7)连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20100825 |