金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控系统及其监控方法

摘要

本发明公开了一种金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控系统，包括上级ZigBee网络协调器，上级ZigBee网络终端节点，次级ZigBee网络协调器，次级ZigBee网络终端节点和金属密闭腔体，其特征在于，所述金属密闭腔体内至少对应设有一个次级ZigBee网络协调器的天线，所述次级ZigBee网络终端节点位于金属密闭腔体内部，所述上级ZigBee网络协调器位于金属密闭腔体外部；所述一个上级ZigBee网络终端节点和所述一个次级ZigBee网络协调器通过有线连接方式相连接组成一个跨网络中继器。这种新型网络结构解决了金属密闭环境下无线信号的传出和跨金属密闭环境ZigBee组网的难题，对金属密闭环境内多节点的监控提供了有效的解决方案，在实际应用中具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及物联网领域。具体地说，本发明涉及一种金属密闭环境下 基于ZigBee的设备监控系统及其监控方法。

背景技术

ZigBee作为一种新兴的短距离、低速率的无线通信技术，越来越得到 广泛地关注和应用。市场上也出现了大量与ZigBee相关的产品。对比 文献CN101837154A公开了一种名称为“基于ZigBee技术的输液监控系 统”的发明专利，对比文献CN201514469U公开了一种名称为“基于Zi gBee无线通信的电动汽车磷酸铁锂动力电池检测装置”的实用新型专 利，它们都采用ZigBee技术解决无线监控的问题。

然而这些技术方案都没有考虑金属密闭环境下的设备监控问题，当需 要在金属密闭环境内布设监控节点时，ZigBee信号无法穿过金属壁传 出，因此无法实现ZigBee组网及远程的监控。

发明专利内容

本发明的目的之一是为了克服上述背景技术存在的不足，提供一种金 属密闭环境下基于ZigBee的设备监控系统，使其能在金属密闭环境下 实现ZigBee组网和信号传输。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控系统，包括上级ZigBee网 络协调器，上级ZigBee网络终端节点，次级ZigBee网络协调器，次级 ZigBee网络终端节点和金属密闭腔体，其特征在于，所述金属密闭腔 体内至少对应设有一个次级ZigBee网络协调器的天线，所述次级ZigB ee网络终端节点位于金属密闭腔体内部，所述上级ZigBee网络协调器 位于金属密闭 腔体外部；上级ZigBee网络协调器和上级ZigBee网络终端节点组成不 少于一个上级ZigBee网络，每个上级ZigBee网络协调器对应有一个上 级ZigBee网络；一个金属密闭腔体对应的次级ZigBee网络协调器与该 金属密闭腔体内的次级ZigBee网络终端节点组成不少于一个次级ZigB ee网络，每个次级ZigBee网络协调器对应有一个次级ZigBee网络；所 述一个上级ZigBee网络终端节点和所述一个次级ZigBee网络协调器通 过有线连接方式相连接组成一个跨网络中继器；所述跨网络中继器的 上级ZigBee网络终端节点的天线位于金属密闭腔体外部，所述跨网络 中继器的次级ZigBee网络协调器的天线位于其对应一个金属密闭腔体 内部。

较佳的，所述金属密闭腔体可由至少一级金属密闭腔体组成，后一级 金属密闭腔体位于前一级金属密闭腔体内部；所述次级ZigBee网络由 多级ZigBee网络组成，该次级ZigBee网络的级数与所述金属密闭腔体 的级数相同；所述次级ZigBee网络的每一级ZigBee网络终端节点分别 位于同一级金属密闭腔体内部，前后两级ZigBee网络通过跨网络中继 器相连，一个跨网络中继器由一个前一级ZigBee网络终端节点和一个 后一级ZigBee网络协调器通过有线连接方式相连接组成。

较佳的，所述同一级金属密闭腔体可由多个的内部密闭空间不重叠的 金属密闭腔体组成，所述同一级ZigBee网络由多个独立的ZigBee网络 组成。

较佳的，所述跨网络中继器可位于其次级ZigBee网络协调器对应的金 属密闭腔体内部，且所述跨网络中继器的上级ZigBee网络终端节点的 天线可通过金属密闭腔体腔壁的小孔或缝隙布设在金属密闭腔体的外 部。

较佳的，所述跨网络中继器可位于金属密闭腔体外部，且所述跨网络 中继器的次级ZigBee网络协调器的天线可通过金属密闭腔体腔壁的小 孔或 缝隙布设在该次级ZigBee网络协调器对应的金属密闭腔体的内部。

较佳的，所述跨网络中继器的上级ZigBee网络终端节点可位于金属密 闭腔体外部，跨网络中继器的次级ZigBee网络协调器可位于其对应金 属密闭腔体内部，上级ZigBee网络终端节点和次级ZigBee网络协调器 的连接导线可从金属壁的小孔或缝隙穿过该金属密闭腔体外壳。

较佳的，所述跨网络中继器的上级ZigBee网络终端节点和次级ZigBee 网络协调器的有线连接方式可为串口线连接或者I²C总线连接或者USB 连接。

较佳的，所述不同的ZigBee网络可占用不同的信道或占用相同信道但 网络号不同。

本发明的目的之二是为了克服上述背景技术的不足，提供两种金属密 闭环境下基于ZigBee的设备监控方法，通过无线信号和有线信号交替 传输，使其能在金属密闭环境下实现ZigBee组网和信号传输。

为实现该目的，本发明采用如下技术方案：

一种金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控方法，该方法包括步骤a1 ）到a3）：

a1）在金属密闭腔体内放置至少一个次级ZigBee网络终端节点，所述 次级ZigBee网络的终端节点将待传输的数据通过ZigBee网络发送到该 次级ZigBee网络协调器，该次级ZigBee网络协调器通过位于所述金属 密闭腔体内部的天线接收数据；

a2）所述次级ZigBee网络协调器将接收到的数据通过连接导线发送给 相连的上级ZigBee网络终端节点；

a3）所述上级ZigBee网络终端节点将接收到的数据通过位于金属密闭 腔体外部的天线经ZigBee网络发送给位于金属密闭腔体外部的同一上 级 ZigBee网络协调器。

较佳的，在所述步骤a2）中，次级ZigBee网络协调器可对接收到的数 据进行预处理，然后通过连接导线发送给相连的上级ZigBee网络终端 节点；所述预处理包括将接收到的数据缓存、打包，解析接收到的数 据、将其按优先级排入发送队列。

较佳的，在所述步骤a3）中，上级ZigBee网络终端节点可对接收到的 数据进行预处理，然后通过位于金属密闭腔体外部的天线经ZigBee网 络发送给位于金属密闭腔体外部的同一上级ZigBee网络协调器；所述 预处理包括将接收到的数据缓存、打包，解析接收到的数据、将其按 优先级排入发送队列。

另一种金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控方法，该方法包括步骤 b1）到b3）：

b1）在金属密闭腔体外放置至少一个上级ZigBee网络协调器，上级Zi gBee网络协调器将待传输的数据通过ZigBee网络发送到该上级ZigBee 网络的终端节点，该上级ZigBee网络终端节点通过位于所述金属密闭 腔体外部的天线接收数据；

b2）所述跨网络中继器的上级ZigBee网络终端节点将接收到的数据通 过连接导线发送给相连的次级ZigBee网络协调器；

b3）所述次级ZigBee网络协调器将接收到的数据通过位于金属密闭腔 体内部的天线经ZigBee网络发送给位于该金属密闭腔体内部的同一次 级ZigBee网络终端节点。

本发明包括上一级ZigBee网络协调器，跨网络中继器和次级ZigBee网 络终端节点，所述上一级ZigBee网络协调器位于金属密闭腔体外部， 所述次级ZigBee网络终端节点位于金属密闭腔体内部。跨网络中继器 包括次级ZigBee网络的协调器和上一级ZigBee网络的终端节点，所述 次级ZigBee网络的协调器和上一级ZigBee网络的终端节点通过有线连 接方式相连接，该有线连接方式可以为串口或I²C总线或USB连接。跨 网络中继器的次级ZigBee网络协调器的天线和上一级ZigBee网络终端 节点的天线分别位于金属密闭腔体的内部和外部。具体来说，跨网络 中继器可以置于金属密闭腔体金属壁的一侧，它的一根天线置于金属 壁的同一侧，另一根天线可通过屏蔽线从金属壁的小孔或缝隙布设在 金属密闭腔体另一侧；跨网络中继器还可以分为两部分放置，它的上 一级ZigBee网络终端节点置于金属密闭腔体外部，且它的次级ZigBee 网络协调器置于金属密闭腔体内部，上一级ZigBee网络终端节点和次 级ZigBee网络协调器的连接导线从金属壁的小孔或缝隙穿过该金属密 闭腔体外壳。

由此，本发明提出了一种新的多级ZigBee网络结构，尤其是设计了一 种跨网络中继器，将前后两级ZigBee网络通过有线连接方式连接起来 。这种新型网络结构解决了金属密闭环境下无线信号的传出和跨金属 密闭环境ZigBee组网的难题，对金属密闭环境内多节点的监控提供了 有效的解决方案，在实际应用中具有重要意义。采用本发明还可实现 网络扩展，支持更多的终端节点接入，通过流量控制和优先级控制提 高数据传输的可靠性和实时性。

 通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用 于解释本发明的实施例。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构框图。

图2是本发明实施例2的结构框图。

图3是跨网络中继器的内部结构框图。

图4是本发明实施例3的结构框图。

具体实施方式

实施例1，如图1所示，金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控系统， 包括第一级无线网络、第二级无线网络和n个金属密闭腔体E1到En，n 不小于1。n个金属密闭腔体的内部空间不重合。第一级无线网络为一 个ZigBee网络，包括一个协调器A和n个终端节点B1到Bn，它们位于所 有金属密闭腔体E1到En的外部。第二级无线网络包括n个次级ZigBee网 络，每个次级ZigBee网络包括一个协调器和不少于一个终端节点，C1 到Cn分别表示不同次级ZigBee网络的协调器，D1到Dn分别表示不同次 级ZigBee网络终端节点，所述n个次级ZigBee网络分别位于编号与之对 应的一个金属密闭腔体（E1到En中的一个）内部。协调器C1到Cn分别 和对应的终端节点B1到Bn通过有线连接方式相连，组成n个跨网络中继 器，连接方式可以为串口连接或I²C总线连接或USB连接，且不仅限于 以上连接方式，n条连接导线分别从金属壁的小孔或缝隙穿过金属密闭 腔体E1到En的金属壁。本实施例中，每个终端节点包括感知模块和无 线收发模块，每个协调器包括无线收发模块。

本实施例收集监测数据的方法如下所述，次级ZigBee网络的终端节点 D1到Dn分别通过感知模块采集到监测数据，然后通过无线收发模块将 监测数据分别发送到协调器C1到Cn。通过无线收发模块协调器C1到Cn 接收到监测数据后，进行预处理或者不经过预处理直接通过有线通信 方式发送到相连的终端节点B1到Bn。终端节点B1到Bn也可对接收到的 数据进行预处理或者不经过预处理直接将数据通过无线收发模块发送 到协调器A。所述预处理过程可包括解析接收到的数据、将其按优先级 排入发送队列或 者数据缓存、打包或者两者都包括，且不仅限于以上数据处理过程。

本实施例发送控制信号的方法与上述过程相反，协调器A将控制信号通 过无线收发模块发送到终端节点B1到Bn，终端节点B1到Bn接收到控制 信号后，进行预处理或者不经过预处理直接通过有线通信方式发送到 相连的协调器C1到Cn，协调器C1到Cn也可对接收到的数据进行预处理 或者不经过预处理直接将数据通过无线收发模块发送到终端节点D1到 Dn。

本实施例的一个具体应用如下，将本实施例应用在UPS后备电源在线监 控系统中，UPS后备电源包括多个铅酸蓄电池，可以多达上百个。一般 情况下，铅酸蓄电池存放在UPS电池柜中，当铅酸蓄电池个数较多时， 需要多个UPS电池柜储存。UPS电池柜的材料通常为金属材料，每个UP S电池柜内部形成一个金属密闭空间，n个UPS电池柜对应实施例中n个 金属密闭腔体E1到En。UPS电池柜内在每个铅酸蓄电池上安装一个传感 器节点，对应实施例中第二级无线网络的终端节点D1到Dn，终端节点 D1到Dn的感知模块能测量蓄电池的端电压、温度等信息。按照本实施 例的网络结构进行布点和组网，采用本实施例收集监测数据和发送控 制信号的方法，就可实现基于ZigBee技术对UPS后备电源进行在线监控 。

实施例2，如图2所示，金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控系统， 包括一个上级ZigBee网络协调器A，n个跨网络中继器B1到Bn，n个金属 密闭腔体E1到En，每个金属密闭腔体E1到En对应有一个次级ZigBee网 络，D1到Dn分别表示不同次级ZigBee网络终端节点，且它们分别位于 金属密闭腔体E1到En内部。

如图3所示，跨网络中继器由一个上级ZigBee网络终端节点与一个次级 ZigBee网络协调器通过有线连接方式相连接组成，连接方式可以为串 口连接或I²C总线连接或USB连接，且不仅限于以上连接方式。本实施 例中，跨网络中继器B1到Bn的次级ZigBee网络协调器分别与次级ZigB ee网络终端节点D1到Dn组成n个次级ZigBee网络；上级ZigBee网络协调 器A 和跨网络中继器B1到Bn的上级ZigBee网络终端节点组成一个上级ZigB ee网络。跨网络中继器B1到Bn位于所有金属密闭腔体E1到En的外部， 它们的次级ZigBee网络协调器的天线分别通过屏蔽线从金属壁的小孔 或缝隙穿入金属密闭腔体E1到En。本实施例收集监测数据的方法和发 送控制信号的方法与实施例1相同。

此外，实际应用中，跨网络中继器B1到Bn还可以分别位于金属密闭腔 体E1到En的内部，它们的上级ZigBee网络终端节点的天线可以分别通 过屏蔽线从金属壁的小孔或缝隙穿出金属密闭腔体E1到En，来实现金 属密闭环境下无线信号的传出和跨金属密闭环境ZigBee组网。

实施例3，如图4所示，金属密闭环境下基于ZigBee的设备监控系统， 包括第一级无线网络、第二级无线网络、第三级无线网络和三个金属 密闭腔体E1到E3。金属密闭腔体E1和E2的内部空间不重叠，金属密闭 腔体E3位于E1的内部。第一级无线网络包括两个上级ZigBee网络，它 们都位于金属密闭腔体E1、E2、E3的外部，A1、A2分别为这两个上级 ZigBee网络的协调器。第二级无线网络包括三个次级ZigBee网络，D1 、D2、D3分别为这三个次级ZigBee网络的终端节点；终端节点D1、D2 位于金属密闭腔体E1的内部，同时位于金属密闭腔体E3的外部；终端 节点D3位于金属密闭腔体E2的内部。第三级无线网络包括一个次级Zi gBee网络，G为这个次级ZigBee网络的终端节点，位于金属密闭腔体E 3的内部。跨网络中继器B1由A1所在的上级ZigBee网络终端节点和D1所 在的次级ZigBee网络协调器通过有线连接方式连接组成，它位于金属 密闭腔体E1的外部，它的次级ZigBee网络协调器的天线从金属壁的小 孔或缝隙通过屏蔽线穿入金属密闭腔体E1。由此，跨网络中继器B1跨 过金属密闭腔体E1连接了A1所在的上级ZigBee网络和D1所在的次级Zi gBee网络。与跨网络中继器B1相同，跨网络中继器B2、B3、F分别跨过 金属密闭腔体E1、E2、E3，分别连接了A1、A2、D1所在的ZigBee网络 和D2、D3、G所在 的ZigBee网络。

本实施例中第二级无线网络监测数据上传的方法与实施例1中收集监测 数据的方法相同，终端节点D1、D2的监测数据上传至协调器A1，终端 节点D3的监测数据上传至协调器A2。第三级无线网络监测数据上传的 方法如下, 终端节点G通过感知模块采集到监测数据，然后通过无线 收发模块将监测数据发送到跨网络中继器F的次级ZigBee网络协调器。 通过无线收发模块跨网络中继器F的次级ZigBee网络协调器接收到监测 数据后，进行预处理或者不经过预处理直接通过有线通信方式发送到 相连的跨网络中继器F的上一级ZigBee网络终端节点。跨网络中继器F 的上一级ZigBee网络终端节点对接收到的数据进行预处理或者不经过 预处理后，按照实施例1中收集监测数据的方法上传到协调器A1。

本实施例中向第二级无线网络发送控制信号的方法与实施例1中发送控 制信号的方法相同，协调器A1可将控制信号发送到终端节点D1和D2， 协调器A2可将控制信号发送到终端节点D3。第三级无线网络发送控制 信号的方法如下，按照实施例1中发送控制信号的方法，协调器A1将控 制信号发送到跨网络中继器F的上一级ZigBee网络终端节点，跨网络中 继器F的上一级ZigBee网络终端节点接收到控制信号后，进行预处理或 者不经过预处理后通过有线通信方式发送到协调器F，协调器F也可对 接收到的数据进行预处理或者不经过预处理后将数据通过无线收发模 块发送到终端节点G。

以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上 揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效 组合。