拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统及方法

摘要

本发明公开了一种拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统及方法，屏蔽网络层拓扑连接关系，将物理位置与拓扑结构相分离，标识出设备相邻物理位置，实现物理位置相邻节点相互通信，解决现有技术相邻节点难以实现定向数据传输的问题。拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统包括中心控制器系统和多个ZigBee协议设备，在应用层设置位置标识的方法，不改变原有拓扑结构及自组织方式，不影响ZigBee通信效率；设备扩展性好，只在软件应用层进行处理，不增加硬件设备，只需要按照标签设置规则进行设置，操作方便。

说明书

技术领域

本发明属于嵌入式物联网技术领域，涉及一种拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统及方法。

背景技术

随着物联网技术的发展，ZigBee协议作为一种低成本，低功耗，低速率，近距离以及高安全的无线通信方案在物联网领域得到广泛应用。在ZigBee的各种应用中，位置信息是传感器数据信息的重要组成部分。

节点定位是无线传感器网络的关键技术。为了提供有效的位置信息，随机部署的传感器节点必须能够在布置后确定自身的位置。由于无线传感器网络具有节点随机部署、网络动态性、节点资源有限、通信易受到外界环境的干扰等特点，传统的定位方法难以实现有效定位。无线传感器网络定位包括基于信号接收强度、基于信号到达角度和基于信号传输时间等3种方法。现有的定位算法虽可以确定节点的相对位置或者绝对位置，但是实现过程较为复杂，而且需要预先部署参考节点，设定参考节点的坐标或编号。安装过程容易出错，而且物理位置相邻的节点难以实现信息传递。

不同的拓扑结构对ZigBee节点的物理部署具有重要的影响。网络上相连接的节点不代表物理位置是相邻的节点。特别是对于煤矿井下监控、煤气管道监测、河流水质监测、大坝防讯测控、道路交通检测、路灯控制等节点部署呈链状拓扑分布情况。如何标识节点相邻的物理位置成为链状拓扑应用的关键。

在ZigBee应用中，节点通过两种不同地址类型来标识网络身份：64Bit的MAC地址和网络层的16Bit短地址。MAC地址由设备厂商在设备出厂时设置，可以唯一标记一个设备，但设备一旦损坏，更换新的替代设备后，也就意味着所在物理位置的MAC地址将会发生改变。16Bit短地址在设备入网时由协调器或父设备随机分配。在每次重新入网的时候设备可能都会分配到不同的地址。以上两种地址信息仅能表示节点的网络身份，而且容易会发生变化，因此不适合用来标记具体的物理位置。

如果直接为每个节点配备GPS接收器，则会增加节点的成本、功耗和体积，并不符合无线传感器网络低成本低功耗的要求。因此迫切需要一种简单易用且较为安全的物理位置标记方法解决这一问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题或缺陷，本发明的目的在于，提供一种拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统及方法，屏蔽网络层拓扑连接关系，将物理位置与拓扑结构相分离，标识出设备相邻物理位置，实现物理位置相邻节点相互通信，解决现有技术相邻节点难以实现定向数据传输的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统，包括中心控制器系统和多个ZigBee协议设备，其中，中心控制器系统包括数据信息存储接口模块、设备通讯接口模块、命令交互接口模块，设备持有者ID生成模块、开发者身份注册与认证模块和数据信息管理系统；其中，ZigBee协议设备包括集成ZigBee协议的MCU和非易失性存储器；

设备通讯接口模块连接命令交互接口模块，命令交互接口模块连接数据信息存储接口模块，数据信息存储接口模块连接设备持有者ID生成模块和数据信息管理系统；开发者身份注册与认证模块连接命令交互接口模块和数据信息存储接口模块，设备通讯接口模块连接集成ZigBee协议的MCU；

数据信息管理系统中存储有多种数据，多种数据包括开发者的基本认证信息和开发者所持有的设备认证信息；

数据信息存储接口模块提供数据读取的接口功能，用于读取数据信息管理系统中的数据并传输到开发者身份注册与认证模块；

命令交互接口模块用于将开发者输入的认证信息发送到开发者身份注册与认证模块，提供与开发者的交互接口；

开发者身份注册与认证模块通过接收到的开发者输入的认证信息和数据信息管理系统中的数据，对开发者的身份合法性和设备对于开发者的合法性进行安全认证，并将设备对于开发者的合法性的安全认证结果通过数据信息存储接口模块传输到设备持有者ID生成模块；

设备持有者ID生成模块根据接收到的设备对于开发者的合法性的安全认证结果，生成带有加密数字的ZigBee协议设备的设备标签；

设备通讯接口模块用于将中心控制器系统与多个ZigBee协议设备连接，还用于将设备标签写入到ZigBee协议设备內的非易失性存储器内。

具体地，所述数据信息管理系统采用文本数据交换格式如XML或JSON文本文件存储，或者采用开源数据库。

具体地，命令交互接口模块用于开发者审计日志和消息通知的显示以及开发者向设备发送符合规范的命令，包括可信设备基本信息的获取，修改记录以及设备的状态信息；命令交互接口模块具有指令过滤能力，能够屏蔽危险非法指令和无效指令。

具体地，设备通讯接口模块涵盖多种ZigBee设备可以接受的通信协议，设备通讯接口模块直接与设备通信或者通过协调器经由ZigBee网络间接与入网设备通信。

应用所述的拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统进行ZigBee物理位置标识的方法，包括以下步骤：

步骤一：初始化并启动数据信息管理系统，并启动中心控制器系统，将数据信息存储接口模块与数据信息管理系统连接；开发者在命令交互接口模块中的用户界面进行登录认证，通过开发者注册与认证模块获得合法身份后进入中心控制器系统；

步骤二：对所有的ZigBee协议设备进行注册分组，开发者通过设备通讯接口模块连接到任意一个ZigBee协议设备內的集成ZigBee协议的MCU，进行对ZigBee协议设备的配置操作，配置操作具体包括以下步骤：

通过开发者身份注册与认证模块，中心控制器系统对于开发者身份合法性进行安全认证，若当前ZigBee协议设备尚未经过初始化，则开发者通过开发者身份注册与认证模块对当前ZigBee协议设备初始化为持有设备：通过设备持有者ID生成模块生成带有加密数字签名的设备标签，并设置一个持有者口令；

若当前ZigBee协议设备已经经过初始化，则此ZigBee协议设备在初始化时已经存储了一个持有者口令，开发者必须通过开发者身份注册与认证模块输入认证口令，只有该认证口令和设备内已存储的持有者口令匹配的情况下，开发者才能对该设备进行进一步操作,该进一步操作包括查看已经存在的设备标签信息，若设备标签信息存在错误，则对设备标签信息进行修改；

步骤三：通过设备通信接口模块，将步骤二生成的设备标签写入到ZigBee协议设备內的非易失性存储器内；

步骤四：移除当前连接的ZigBee协议设备，重新选取一个新的ZigBee协议设备，重复步骤一至步骤三，得到全部ZigBee协议设备的设备标签，实现对ZigBee协议设备的物理位置的标识。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、设备持有者ID生成模块针对ZigBee协议设备生成带有加密数字的设备标签来标识ZigBee协议设备，提高设备使用的安全性。

2、利用非易失性存储器保存设备持有者信息和分组标签以及组内相对位置标记，保证信息的可靠性。

3、在应用层设置位置标识的方法，不改变原有拓扑结构及自组织方式，不影响ZigBee通信效率。

4、设备扩展性好，只在软件应用层进行处理，不增加硬件设备。只需要按照标签设置规则进行设置，操作方便。

下面结合附图和具体实施方式对本发明的方案做进一步详细地解释和说明。

附图说明

图1是本发明的拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统结构框图；

图2是中心控制系统操作流程图；

图3是拓扑结构无关的ZigBee节点物理位置标识方法的设备标签结构图；

图4是拓扑结构无关的ZigBee节点物理位置标识方法的相邻设备标签设置样例。

具体实施方式

遵从上述技术方案，参见图1，本发明的拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统包括中心控制器系统和多个ZigBee协议设备，其中，中心控制器系统包括数据信息存储接口模块、设备通讯接口模块、命令交互接口模块，设备持有者ID生成模块、开发者身份注册与认证模块和数据信息管理系统；其中，ZigBee协议设备包括集成ZigBee协议的MCU(单片机)和非易失性存储器。所述设备通讯接口模块连接命令交互接口模块，命令交互接口模块连接数据信息存储接口模块，数据信息存储接口模块连接设备持有者ID生成模块和数据信息管理系统；开发者身份注册与认证模块连接命令交互接口模块与数据信息存储接口模块，设备通讯接口模块连接集成ZigBee协议的MCU。

数据信息管理系统中存储有多种数据，多种数据包括开发者的基本认证信息和开发者所持有的设备认证信息；所述数据信息管理系统可以采用现有的文本数据交换格式如XML，JSON等文本文件存储，也可以选择现有的开源数据库，需要说明的是无论采用哪种方式都应对数据的存储进行安全性论证，保证存储方案是安全可靠的，建议文本存储方案使用一种现有的加密方案。

数据信息存储接口模块提供数据读取的接口功能，用于读取数据信息管理系统中的数据并传输到开发者身份注册与认证模块；所述数据信息存储接口模块用于将设备持有者ID生成模块和命令交互接口模块与数据信息管理系统连接，提供数据存取的接口功能。数据信息存储接口模块存取的数据内容应包含登录ID，登录认证密码，开发者ID，添加的分组，持有的设备信息，修改记录和审查日志等内容。

命令交互接口模块提供中心控制器系统与开发者的交互接口，用于将开发者输入的认证信息发送到开发者身份注册与认证模块；开发者输入的认证信息包括对开发者的身份合法性的认证信息和设备对于开发者的合法性的认证信息；所述命令交互模块用于系统数据的管理和命令的发送，提供与管理者的交互接口；命令交互接口模块用于开发者审计日志和消息通知的显示以及开发者向设备发送符合规范的命令，包括可信设备基本信息的获取，修改记录，以及设备的状态信息等；命令交互接口模块应该具有一定的指令过滤能力，能够在一定程度上屏蔽一些危险非法指令和无效指令。

开发者身份注册与认证模块通过接收到的开发者输入的认证信息和数据信息管理系统中的数据，对开发者的身份合法性和设备对于开发者的合法性进行安全认证，开发者的身份合法性通过安全认证，开发者才能对中心控制系统进行操作；并将设备对于开发者的合法性的安全认证结果通过数据信息存储接口模块传输到设备持有者ID生成模块；只有经过合法注册的开发者才能使用中心控制器对所持有设备进行操作，开发者在注册后需通过登录界面登录认证后方能进行后续对合法设备的有效操作。经过登录认证的开发者，需要匹配所持有设备写入的持有者信息口令，只有开发者所使用的认证口令和设备内已经存储的持有者口令匹配的情况下，开发者才能对该设备进行进一步操作，否则中心控制器应拒绝开发者所有命令请求。如果当前设备尚未经过初始化，则开发者可以对该设备初始化为持有设备。

设备持有者ID生成模块根据接受到的设备对于开发者的合法性的安全认证结果，生成带有加密数字的ZigBee协议设备的设备标签；所述的设备持有者ID生成模块用于针对ZigBee协议设备生成带有加密数字的设备标签；设备持有者ID生成模块应至少实现设备持有者ID生成的基本加密和签名操作。当开发者注册成功中心控制器应自动调用该模块根据前述口令规则生成一套认证口令，并采用散列函数加密签名，设备持有者ID应采用不可逆加密方案，防止明文攻击。设备持有者ID的生成规则应使用存储系统ID+开发者ID+当前系统时间+随机数作为种子，考虑到一般嵌入式设备存储器的容量，生成长度应控制256Bit以内。

设备通讯接口模块用于将中心控制器系统与多个ZigBee协议设备连接，通过组网的方式将生成的设备标签输入到ZigBee协议设备內的集成ZigBee协议的MCU，并通过集成ZigBee协议的MCU写入到非易失性存储器内。设备通讯接口模块应涵盖一种或多种ZigBee设备可以接受的通信协议，包含串口通信模块。设备通讯接口模块可以直接与设备通信也可以通过协调器经由ZigBee网络间接与入网设备通信，无论哪种通信方案，被通信设备都需经过身份认证方可使用，可扩展的通信接口包括TCP/IP协议接口和蓝牙通信接口。

所述的集成ZigBee协议的MCU用于与设备通讯接口模块连接，使得中心控制器系统与ZigBee协议设备连接；

所述的非易失性存储器用于存储生成的设备标签；

本发明的应用所述的拓扑结构无关的ZigBee物理位置标识系统进行ZigBee物理位置标识的方法，参见图2，包括以下步骤：

步骤一：首先初始化并启动数据信息管理系统，然后启动中心控制器系统，将数据信息存储接口模块与数据信息管理系统连接；开发者在命令交互接口模块中的用户界面进行登录认证，获得合法身份后进入中心控制器系统；

步骤二：对所有的ZigBee协议设备进行注册分组，指的是将所有的ZigBee协议设备分成多个组，并对每个组设置编号；开发者通过设备通讯接口模块(可以选择通过有线方式或无线方式)连接到任意一个ZigBee协议设备內的集成ZigBee协议的MCU模块，然后进行对ZigBee协议设备的配置操作，配置操作具体包括以下步骤：

通过开发者身份注册与认证模块，中心控制器系统对于开发者身份合法性进行安全认证，若当前ZigBee协议设备尚未经过初始化，则开发者通过开发者身份注册与认证模块进行注册登录，对当前ZigBee协议设备初始化为持有设备：通过设备持有者ID生成模块生成带有加密数字签名的设备标签，实现当前ZigBee协议设备与开发者的绑定，并设置一个持有者口令。具体设备标签内容包括16Bit的目录索引(低8Bit记录为目的起始偏移量，高8Bit为数据校验和，数据校验和用于检测数据是否为合法数据)、256Bit的持有者口令、16Bit的设备分组信息(标明设备所属分组)和3个8Bit的位置分量(标明该设备在分组内的相对位置，分别标明设备的横坐标，纵坐标和空间垂直位置坐标)。

若当前ZigBee协议设备已经经过初始化，则此ZigBee协议设备在初始化时已经存储了一个持有者口令，开发者必须通过开发者身份注册与认证模块在其登录界面输入认证口令，只有该认证口令和设备内已存储的持有者口令匹配的情况下，开发者才能对该设备进行进一步操作,查看已经存在的设备标签信息，若设备标签信息存在错误，则对信息进行修改，若该认证口令和设备内已存储的持有者口令不匹配，则无法对设备进行操作。

步骤三：通过设备通信接口模块，将图3所示的设备标签写入到ZigBee协议设备內的非易失性存储器内。

步骤四：移除当前连接的ZigBee协议设备，重新选取一个新的ZigBee协议设备，重复步骤一至步骤三，得到全部ZigBee协议设备的设备标签，实现对ZigBee协议设备的物理位置的标识。

参见图4，根据写入的设备标签，物理相邻位置节点的位置分量相差1，可以实现相邻节点间的数据通信。