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拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)及方法與流程

文檔序號:11845711閱讀:354來源:國知局
拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)及方法與流程

本發(fā)明屬于嵌入式物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)及方法。



背景技術(shù):

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,ZigBee協(xié)議作為一種低成本,低功耗,低速率,近距離以及高安全的無線通信方案在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在ZigBee的各種應(yīng)用中,位置信息是傳感器數(shù)據(jù)信息的重要組成部分。

節(jié)點定位是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。為了提供有效的位置信息,隨機部署的傳感器節(jié)點必須能夠在布置后確定自身的位置。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點隨機部署、網(wǎng)絡(luò)動態(tài)性、節(jié)點資源有限、通信易受到外界環(huán)境的干擾等特點,傳統(tǒng)的定位方法難以實現(xiàn)有效定位。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位包括基于信號接收強度、基于信號到達角度和基于信號傳輸時間等3種方法?,F(xiàn)有的定位算法雖可以確定節(jié)點的相對位置或者絕對位置,但是實現(xiàn)過程較為復(fù)雜,而且需要預(yù)先部署參考節(jié)點,設(shè)定參考節(jié)點的坐標或編號。安裝過程容易出錯,而且物理位置相鄰的節(jié)點難以實現(xiàn)信息傳遞。

不同的拓撲結(jié)構(gòu)對ZigBee節(jié)點的物理部署具有重要的影響。網(wǎng)絡(luò)上相連接的節(jié)點不代表物理位置是相鄰的節(jié)點。特別是對于煤礦井下監(jiān)控、煤氣管道監(jiān)測、河流水質(zhì)監(jiān)測、大壩防訊測控、道路交通檢測、路燈控制等節(jié)點部署呈鏈狀拓撲分布情況。如何標識節(jié)點相鄰的物理位置成為鏈狀拓撲應(yīng)用的關(guān)鍵。

在ZigBee應(yīng)用中,節(jié)點通過兩種不同地址類型來標識網(wǎng)絡(luò)身份:64Bit的MAC地址和網(wǎng)絡(luò)層的16Bit短地址。MAC地址由設(shè)備廠商在設(shè)備出廠時設(shè)置,可以唯一標記一個設(shè)備,但設(shè)備一旦損壞,更換新的替代設(shè)備后,也就意味著所在物理位置的MAC地址將會發(fā)生改變。16Bit短地址在設(shè)備入網(wǎng)時由協(xié)調(diào)器或父設(shè)備隨機分配。在每次重新入網(wǎng)的時候設(shè)備可能都會分配到不同的地址。以上兩種地址信息僅能表示節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)身份,而且容易會發(fā)生變化,因此不適合用來標記具體的物理位置。

如果直接為每個節(jié)點配備GPS接收器,則會增加節(jié)點的成本、功耗和體積,并不符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本低功耗的要求。因此迫切需要一種簡單易用且較為安全的物理位置標記方法解決這一問題。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題或缺陷,本發(fā)明的目的在于,提供一種拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)及方法,屏蔽網(wǎng)絡(luò)層拓撲連接關(guān)系,將物理位置與拓撲結(jié)構(gòu)相分離,標識出設(shè)備相鄰物理位置,實現(xiàn)物理位置相鄰節(jié)點相互通信,解決現(xiàn)有技術(shù)相鄰節(jié)點難以實現(xiàn)定向數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯栴}。

為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:

拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng),包括中心控制器系統(tǒng)和多個ZigBee協(xié)議設(shè)備,其中,中心控制器系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊、設(shè)備通訊接口模塊、命令交互接口模塊,設(shè)備持有者ID生成模塊、開發(fā)者身份注冊與認證模塊和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng);其中,ZigBee協(xié)議設(shè)備包括集成ZigBee協(xié)議的MCU和非易失性存儲器;

設(shè)備通訊接口模塊連接命令交互接口模塊,命令交互接口模塊連接數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊,數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊連接設(shè)備持有者ID生成模塊和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng);開發(fā)者身份注冊與認證模塊連接命令交互接口模塊和數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊,設(shè)備通訊接口模塊連接集成ZigBee協(xié)議的MCU;

數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)中存儲有多種數(shù)據(jù),多種數(shù)據(jù)包括開發(fā)者的基本認證信息和開發(fā)者所持有的設(shè)備認證信息;

數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊提供數(shù)據(jù)讀取的接口功能,用于讀取數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)介_發(fā)者身份注冊與認證模塊;

命令交互接口模塊用于將開發(fā)者輸入的認證信息發(fā)送到開發(fā)者身份注冊與認證模塊,提供與開發(fā)者的交互接口;

開發(fā)者身份注冊與認證模塊通過接收到的開發(fā)者輸入的認證信息和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),對開發(fā)者的身份合法性和設(shè)備對于開發(fā)者的合法性進行安全認證,并將設(shè)備對于開發(fā)者的合法性的安全認證結(jié)果通過數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊傳輸?shù)皆O(shè)備持有者ID生成模塊;

設(shè)備持有者ID生成模塊根據(jù)接收到的設(shè)備對于開發(fā)者的合法性的安全認證結(jié)果,生成帶有加密數(shù)字的ZigBee協(xié)議設(shè)備的設(shè)備標簽;

設(shè)備通訊接口模塊用于將中心控制器系統(tǒng)與多個ZigBee協(xié)議設(shè)備連接,還用于將設(shè)備標簽寫入到ZigBee協(xié)議設(shè)備內(nèi)的非易失性存儲器內(nèi)。

具體地,所述數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)采用文本數(shù)據(jù)交換格式如XML或JSON文本文件存儲,或者采用開源數(shù)據(jù)庫。

具體地,命令交互接口模塊用于開發(fā)者審計日志和消息通知的顯示以及開發(fā)者向設(shè)備發(fā)送符合規(guī)范的命令,包括可信設(shè)備基本信息的獲取,修改記錄以及設(shè)備的狀態(tài)信息;命令交互接口模塊具有指令過濾能力,能夠屏蔽危險非法指令和無效指令。

具體地,設(shè)備通訊接口模塊涵蓋多種ZigBee設(shè)備可以接受的通信協(xié)議,設(shè)備通訊接口模塊直接與設(shè)備通信或者通過協(xié)調(diào)器經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)間接與入網(wǎng)設(shè)備通信。

應(yīng)用所述的拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)進行ZigBee物理位置標識的方法,包括以下步驟:

步驟一:初始化并啟動數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng),并啟動中心控制器系統(tǒng),將數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊與數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)連接;開發(fā)者在命令交互接口模塊中的用戶界面進行登錄認證,通過開發(fā)者注冊與認證模塊獲得合法身份后進入中心控制器系統(tǒng);

步驟二:對所有的ZigBee協(xié)議設(shè)備進行注冊分組,開發(fā)者通過設(shè)備通訊接口模塊連接到任意一個ZigBee協(xié)議設(shè)備內(nèi)的集成ZigBee協(xié)議的MCU,進行對ZigBee協(xié)議設(shè)備的配置操作,配置操作具體包括以下步驟:

通過開發(fā)者身份注冊與認證模塊,中心控制器系統(tǒng)對于開發(fā)者身份合法性進行安全認證,若當(dāng)前ZigBee協(xié)議設(shè)備尚未經(jīng)過初始化,則開發(fā)者通過開發(fā)者身份注冊與認證模塊對當(dāng)前ZigBee協(xié)議設(shè)備初始化為持有設(shè)備:通過設(shè)備持有者ID生成模塊生成帶有加密數(shù)字簽名的設(shè)備標簽,并設(shè)置一個持有者口令;

若當(dāng)前ZigBee協(xié)議設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過初始化,則此ZigBee協(xié)議設(shè)備在初始化時已經(jīng)存儲了一個持有者口令,開發(fā)者必須通過開發(fā)者身份注冊與認證模塊輸入認證口令,只有該認證口令和設(shè)備內(nèi)已存儲的持有者口令匹配的情況下,開發(fā)者才能對該設(shè)備進行進一步操作,該進一步操作包括查看已經(jīng)存在的設(shè)備標簽信息,若設(shè)備標簽信息存在錯誤,則對設(shè)備標簽信息進行修改;

步驟三:通過設(shè)備通信接口模塊,將步驟二生成的設(shè)備標簽寫入到ZigBee協(xié)議設(shè)備內(nèi)的非易失性存儲器內(nèi);

步驟四:移除當(dāng)前連接的ZigBee協(xié)議設(shè)備,重新選取一個新的ZigBee協(xié)議設(shè)備,重復(fù)步驟一至步驟三,得到全部ZigBee協(xié)議設(shè)備的設(shè)備標簽,實現(xiàn)對ZigBee協(xié)議設(shè)備的物理位置的標識。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下技術(shù)效果:

1、設(shè)備持有者ID生成模塊針對ZigBee協(xié)議設(shè)備生成帶有加密數(shù)字的設(shè)備標簽來標識ZigBee協(xié)議設(shè)備,提高設(shè)備使用的安全性。

2、利用非易失性存儲器保存設(shè)備持有者信息和分組標簽以及組內(nèi)相對位置標記,保證信息的可靠性。

3、在應(yīng)用層設(shè)置位置標識的方法,不改變原有拓撲結(jié)構(gòu)及自組織方式,不影響ZigBee通信效率。

4、設(shè)備擴展性好,只在軟件應(yīng)用層進行處理,不增加硬件設(shè)備。只需要按照標簽設(shè)置規(guī)則進行設(shè)置,操作方便。

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的方案做進一步詳細地解釋和說明。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖;

圖2是中心控制系統(tǒng)操作流程圖;

圖3是拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee節(jié)點物理位置標識方法的設(shè)備標簽結(jié)構(gòu)圖;

圖4是拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee節(jié)點物理位置標識方法的相鄰設(shè)備標簽設(shè)置樣例。

具體實施方式

遵從上述技術(shù)方案,參見圖1,本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)包括中心控制器系統(tǒng)和多個ZigBee協(xié)議設(shè)備,其中,中心控制器系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊、設(shè)備通訊接口模塊、命令交互接口模塊,設(shè)備持有者ID生成模塊、開發(fā)者身份注冊與認證模塊和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng);其中,ZigBee協(xié)議設(shè)備包括集成ZigBee協(xié)議的MCU(單片機)和非易失性存儲器。所述設(shè)備通訊接口模塊連接命令交互接口模塊,命令交互接口模塊連接數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊,數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊連接設(shè)備持有者ID生成模塊和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng);開發(fā)者身份注冊與認證模塊連接命令交互接口模塊與數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊,設(shè)備通訊接口模塊連接集成ZigBee協(xié)議的MCU。

數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)中存儲有多種數(shù)據(jù),多種數(shù)據(jù)包括開發(fā)者的基本認證信息和開發(fā)者所持有的設(shè)備認證信息;所述數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)可以采用現(xiàn)有的文本數(shù)據(jù)交換格式如XML,JSON等文本文件存儲,也可以選擇現(xiàn)有的開源數(shù)據(jù)庫,需要說明的是無論采用哪種方式都應(yīng)對數(shù)據(jù)的存儲進行安全性論證,保證存儲方案是安全可靠的,建議文本存儲方案使用一種現(xiàn)有的加密方案。

數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊提供數(shù)據(jù)讀取的接口功能,用于讀取數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)并傳輸?shù)介_發(fā)者身份注冊與認證模塊;所述數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊用于將設(shè)備持有者ID生成模塊和命令交互接口模塊與數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)連接,提供數(shù)據(jù)存取的接口功能。數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊存取的數(shù)據(jù)內(nèi)容應(yīng)包含登錄ID,登錄認證密碼,開發(fā)者ID,添加的分組,持有的設(shè)備信息,修改記錄和審查日志等內(nèi)容。

命令交互接口模塊提供中心控制器系統(tǒng)與開發(fā)者的交互接口,用于將開發(fā)者輸入的認證信息發(fā)送到開發(fā)者身份注冊與認證模塊;開發(fā)者輸入的認證信息包括對開發(fā)者的身份合法性的認證信息和設(shè)備對于開發(fā)者的合法性的認證信息;所述命令交互模塊用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理和命令的發(fā)送,提供與管理者的交互接口;命令交互接口模塊用于開發(fā)者審計日志和消息通知的顯示以及開發(fā)者向設(shè)備發(fā)送符合規(guī)范的命令,包括可信設(shè)備基本信息的獲取,修改記錄,以及設(shè)備的狀態(tài)信息等;命令交互接口模塊應(yīng)該具有一定的指令過濾能力,能夠在一定程度上屏蔽一些危險非法指令和無效指令。

開發(fā)者身份注冊與認證模塊通過接收到的開發(fā)者輸入的認證信息和數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),對開發(fā)者的身份合法性和設(shè)備對于開發(fā)者的合法性進行安全認證,開發(fā)者的身份合法性通過安全認證,開發(fā)者才能對中心控制系統(tǒng)進行操作;并將設(shè)備對于開發(fā)者的合法性的安全認證結(jié)果通過數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊傳輸?shù)皆O(shè)備持有者ID生成模塊;只有經(jīng)過合法注冊的開發(fā)者才能使用中心控制器對所持有設(shè)備進行操作,開發(fā)者在注冊后需通過登錄界面登錄認證后方能進行后續(xù)對合法設(shè)備的有效操作。經(jīng)過登錄認證的開發(fā)者,需要匹配所持有設(shè)備寫入的持有者信息口令,只有開發(fā)者所使用的認證口令和設(shè)備內(nèi)已經(jīng)存儲的持有者口令匹配的情況下,開發(fā)者才能對該設(shè)備進行進一步操作,否則中心控制器應(yīng)拒絕開發(fā)者所有命令請求。如果當(dāng)前設(shè)備尚未經(jīng)過初始化,則開發(fā)者可以對該設(shè)備初始化為持有設(shè)備。

設(shè)備持有者ID生成模塊根據(jù)接受到的設(shè)備對于開發(fā)者的合法性的安全認證結(jié)果,生成帶有加密數(shù)字的ZigBee協(xié)議設(shè)備的設(shè)備標簽;所述的設(shè)備持有者ID生成模塊用于針對ZigBee協(xié)議設(shè)備生成帶有加密數(shù)字的設(shè)備標簽;設(shè)備持有者ID生成模塊應(yīng)至少實現(xiàn)設(shè)備持有者ID生成的基本加密和簽名操作。當(dāng)開發(fā)者注冊成功中心控制器應(yīng)自動調(diào)用該模塊根據(jù)前述口令規(guī)則生成一套認證口令,并采用散列函數(shù)加密簽名,設(shè)備持有者ID應(yīng)采用不可逆加密方案,防止明文攻擊。設(shè)備持有者ID的生成規(guī)則應(yīng)使用存儲系統(tǒng)ID+開發(fā)者ID+當(dāng)前系統(tǒng)時間+隨機數(shù)作為種子,考慮到一般嵌入式設(shè)備存儲器的容量,生成長度應(yīng)控制256Bit以內(nèi)。

設(shè)備通訊接口模塊用于將中心控制器系統(tǒng)與多個ZigBee協(xié)議設(shè)備連接,通過組網(wǎng)的方式將生成的設(shè)備標簽輸入到ZigBee協(xié)議設(shè)備內(nèi)的集成ZigBee協(xié)議的MCU,并通過集成ZigBee協(xié)議的MCU寫入到非易失性存儲器內(nèi)。設(shè)備通訊接口模塊應(yīng)涵蓋一種或多種ZigBee設(shè)備可以接受的通信協(xié)議,包含串口通信模塊。設(shè)備通訊接口模塊可以直接與設(shè)備通信也可以通過協(xié)調(diào)器經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)間接與入網(wǎng)設(shè)備通信,無論哪種通信方案,被通信設(shè)備都需經(jīng)過身份認證方可使用,可擴展的通信接口包括TCP/IP協(xié)議接口和藍牙通信接口。

所述的集成ZigBee協(xié)議的MCU用于與設(shè)備通訊接口模塊連接,使得中心控制器系統(tǒng)與ZigBee協(xié)議設(shè)備連接;

所述的非易失性存儲器用于存儲生成的設(shè)備標簽;

本發(fā)明的應(yīng)用所述的拓撲結(jié)構(gòu)無關(guān)的ZigBee物理位置標識系統(tǒng)進行ZigBee物理位置標識的方法,參見圖2,包括以下步驟:

步驟一:首先初始化并啟動數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng),然后啟動中心控制器系統(tǒng),將數(shù)據(jù)信息存儲接口模塊與數(shù)據(jù)信息管理系統(tǒng)連接;開發(fā)者在命令交互接口模塊中的用戶界面進行登錄認證,獲得合法身份后進入中心控制器系統(tǒng);

步驟二:對所有的ZigBee協(xié)議設(shè)備進行注冊分組,指的是將所有的ZigBee協(xié)議設(shè)備分成多個組,并對每個組設(shè)置編號;開發(fā)者通過設(shè)備通訊接口模塊(可以選擇通過有線方式或無線方式)連接到任意一個ZigBee協(xié)議設(shè)備內(nèi)的集成ZigBee協(xié)議的MCU模塊,然后進行對ZigBee協(xié)議設(shè)備的配置操作,配置操作具體包括以下步驟:

通過開發(fā)者身份注冊與認證模塊,中心控制器系統(tǒng)對于開發(fā)者身份合法性進行安全認證,若當(dāng)前ZigBee協(xié)議設(shè)備尚未經(jīng)過初始化,則開發(fā)者通過開發(fā)者身份注冊與認證模塊進行注冊登錄,對當(dāng)前ZigBee協(xié)議設(shè)備初始化為持有設(shè)備:通過設(shè)備持有者ID生成模塊生成帶有加密數(shù)字簽名的設(shè)備標簽,實現(xiàn)當(dāng)前ZigBee協(xié)議設(shè)備與開發(fā)者的綁定,并設(shè)置一個持有者口令。具體設(shè)備標簽內(nèi)容包括16Bit的目錄索引(低8Bit記錄為目的起始偏移量,高8Bit為數(shù)據(jù)校驗和,數(shù)據(jù)校驗和用于檢測數(shù)據(jù)是否為合法數(shù)據(jù))、256Bit的持有者口令、16Bit的設(shè)備分組信息(標明設(shè)備所屬分組)和3個8Bit的位置分量(標明該設(shè)備在分組內(nèi)的相對位置,分別標明設(shè)備的橫坐標,縱坐標和空間垂直位置坐標)。

若當(dāng)前ZigBee協(xié)議設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過初始化,則此ZigBee協(xié)議設(shè)備在初始化時已經(jīng)存儲了一個持有者口令,開發(fā)者必須通過開發(fā)者身份注冊與認證模塊在其登錄界面輸入認證口令,只有該認證口令和設(shè)備內(nèi)已存儲的持有者口令匹配的情況下,開發(fā)者才能對該設(shè)備進行進一步操作,查看已經(jīng)存在的設(shè)備標簽信息,若設(shè)備標簽信息存在錯誤,則對信息進行修改,若該認證口令和設(shè)備內(nèi)已存儲的持有者口令不匹配,則無法對設(shè)備進行操作。

步驟三:通過設(shè)備通信接口模塊,將圖3所示的設(shè)備標簽寫入到ZigBee協(xié)議設(shè)備內(nèi)的非易失性存儲器內(nèi)。

步驟四:移除當(dāng)前連接的ZigBee協(xié)議設(shè)備,重新選取一個新的ZigBee協(xié)議設(shè)備,重復(fù)步驟一至步驟三,得到全部ZigBee協(xié)議設(shè)備的設(shè)備標簽,實現(xiàn)對ZigBee協(xié)議設(shè)備的物理位置的標識。

參見圖4,根據(jù)寫入的設(shè)備標簽,物理相鄰位置節(jié)點的位置分量相差1,可以實現(xiàn)相鄰節(jié)點間的數(shù)據(jù)通信。

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