一種工業(yè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及組網(wǎng)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種工業(yè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及組網(wǎng)方法，其中一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括一個(gè)主站和多個(gè)從站，每個(gè)從站擁有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置，用于存儲(chǔ)加密的藍(lán)牙安全組網(wǎng)過(guò)濾參數(shù)。組網(wǎng)前，藍(lán)牙主站根據(jù)微微網(wǎng)ID設(shè)置搜索過(guò)濾參數(shù)，確保只有符合要求的從站才能被搜索到；藍(lán)牙從站將微微網(wǎng)ID設(shè)置為自身的設(shè)備類型，并根據(jù)主站的藍(lán)牙地址設(shè)置連接過(guò)濾參數(shù)，確保能被自己隸屬的主站搜索到并只允許該主站與自己建立連接。組網(wǎng)中，藍(lán)牙主從站根據(jù)設(shè)置的組網(wǎng)過(guò)濾參數(shù)建立ACL鏈路，防止未授權(quán)或非法的藍(lán)牙設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)后，藍(lán)牙微微網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)通信采用序列密碼算法進(jìn)行加密，防止非法設(shè)備的監(jiān)聽(tīng)。本發(fā)明提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性、健壯性、可維護(hù)性及靈活性。
【專利說(shuō)明】—種工業(yè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及組網(wǎng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)，具體涉及一種適用于工業(yè)環(huán)境的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及組網(wǎng)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無(wú)線技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟，越來(lái)越多的工業(yè)場(chǎng)所采用無(wú)線技術(shù)作為有線技術(shù)的補(bǔ)充，特別在一些布線不方便的場(chǎng)合，如移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)的設(shè)備之間的通信，河溝對(duì)面、公路或鐵路對(duì)面的設(shè)備之間的通信等，無(wú)線技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。采用無(wú)線技術(shù)有著如下的優(yōu)點(diǎn):布線簡(jiǎn)單、系統(tǒng)使用期長(zhǎng)、可靠性高。目前應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)合的無(wú)線技術(shù)有WIF1、藍(lán)牙、ZigBee等等，WIFI適用于遠(yuǎn)距離高速率的數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙適用于短距離中速率的可靠性要求較高的數(shù)據(jù)傳輸，而ZigBee則適用于低速率多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，工程師可以根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求采用不同的無(wú)線技術(shù)。
[0003]藍(lán)牙是一種全球通用的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其設(shè)備類型按照通信距離分成兩類:Classl以及Class2，分別對(duì)應(yīng)100米和10米的通信距離，不同的應(yīng)用場(chǎng)合采用不同類型的藍(lán)牙設(shè)備。藍(lán)牙工作在2.4GHz頻段，該頻段免費(fèi)供工業(yè)、醫(yī)學(xué)以及科研領(lǐng)域使用。一個(gè)藍(lán)牙主站可以同時(shí)和七個(gè)活動(dòng)的藍(lán)牙從站之間保持異步無(wú)連接鏈路(AsynchronousConnectionless Link, ACL),即藍(lán)牙主站可以同與與七個(gè)從站進(jìn)行通信,一個(gè)主站及多個(gè)從站構(gòu)成了一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)。對(duì)于ACL鏈路通信的可靠性，藍(lán)牙物理層采用了跳頻策略、前向糾錯(cuò)、編碼優(yōu)化等機(jī)制，使得藍(lán)牙通信鏈路抗干擾性好、可靠性高。以上的機(jī)制保證了藍(lán)牙技術(shù)能滿足工業(yè)應(yīng)用的集中式控制及可靠性要求。然而，將藍(lán)牙應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)還需要解決以下問(wèn)題:如何設(shè)計(jì)藍(lán)牙設(shè)備組網(wǎng)機(jī)制以保證藍(lán)牙通信的安全性，以及如何提高網(wǎng)絡(luò)的健壯性和可維護(hù)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方法和系統(tǒng)，旨在滿足工業(yè)生產(chǎn)的安全性、健壯性和可維護(hù)性的需求。
[0005]按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種工業(yè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于工業(yè)場(chǎng)所中的通信，其包括藍(lán)牙主站和由其管理的多個(gè)藍(lán)牙從站，并且每個(gè)藍(lán)牙從站都具備一個(gè)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置(NETW0RK_KEY，簡(jiǎn)稱 N_K)，其中，
[0006]所述網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置用于實(shí)現(xiàn)所述藍(lán)牙主站與其管理的多個(gè)藍(lán)牙從站之間的組網(wǎng)過(guò)濾參數(shù)的交互；
[0007]所述藍(lán)牙主站、從站均包括:
[0008]中央控制單元(MCU)，通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中存儲(chǔ)的過(guò)濾參數(shù)控制藍(lán)牙模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)；以及
[0009]藍(lán)牙模塊，用來(lái)運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧，并通過(guò)主機(jī)控制接口(Host ControllerInterface, HCI)接受所述中央控制單元的控制命令以及接收其它藍(lán)牙主站或從站發(fā)送過(guò)來(lái)的無(wú)線巾貞;
[0010]并且，所述藍(lán)牙主站還包括:
[0011]網(wǎng)絡(luò)配置接口電路，用來(lái)設(shè)置當(dāng)前微微網(wǎng)ID、從站的邏輯地址以及主站管理的從站數(shù)目；以及RS485/CAN總線接口電路，用于該藍(lán)牙主站與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他微微網(wǎng)主站組建成有線網(wǎng)絡(luò)。
[0012]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述NJ(為非易失存儲(chǔ)器，通過(guò)總線與所述藍(lán)牙主站或從站進(jìn)行通信，其存儲(chǔ)有加密后的組網(wǎng)過(guò)濾參數(shù)，包括當(dāng)前微微網(wǎng)ID、主站藍(lán)牙地址及從站邏輯地址。
[0013]按照本發(fā)明的另一方面，提供一種應(yīng)用上述的工業(yè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)的方法，其中，所述藍(lán)牙主站執(zhí)行如下步驟:
[0014]1)配置與該藍(lán)牙主站所管理的所有藍(lán)牙從站相應(yīng)的NJ(，將主站藍(lán)牙地址、當(dāng)前微微網(wǎng)ID和從站邏輯地址加密寫入各藍(lán)牙從站對(duì)應(yīng)的N_K ；
[0015]2)中央控制單元將藍(lán)牙模塊的搜索過(guò)濾參數(shù)設(shè)置為當(dāng)前微微網(wǎng)ID，命令其執(zhí)行搜索操作:若藍(lán)牙模塊搜索到的從站設(shè)備類型(CLASS_of_DEVICE)信息不符合搜索過(guò)濾參數(shù)，則不將該從站的藍(lán)牙地址信息上傳到中央控制單元；藍(lán)牙模塊搜索完畢后，若中央控制單元得到的從站藍(lán)牙地址信息個(gè)數(shù)少于藍(lán)牙主站應(yīng)管理的從站數(shù)目，則命令藍(lán)牙模塊重新執(zhí)行搜索操作，否則執(zhí)行第3)步；
[0016]3)所述藍(lán)牙主站向搜索到的所有從站逐一發(fā)送ACL鏈路建立請(qǐng)求幀，等待所有從站接收該請(qǐng)求并建立與它之間的ACL鏈路，由此主站與從站組成一個(gè)微微網(wǎng)。
[0017]作為本發(fā)明的改進(jìn)，，所述步驟1)具體為:
[0018]la)上電后，中央控制單元和藍(lán)牙模塊之間建立BCSP鏈路；
[0019]lb)所述藍(lán)牙主站檢測(cè)其本身是否插入了 N_K，若是，執(zhí)行第lc)步，否則執(zhí)行第2)
[K
少;
[0020]lc)中央控制單元通過(guò)HCI指令讀取藍(lán)牙模塊的主站藍(lán)牙地址，并讀取通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)配置接口電路設(shè)置的當(dāng)前微微網(wǎng)ID和為與所述插入的N_K相應(yīng)的藍(lán)牙從站設(shè)置的邏輯地址，將這些信息加密存儲(chǔ)到所述插入的NJ(，然后等待用戶斷電操作，拔下該插入的N_K，若該藍(lán)牙主站應(yīng)管理的其他藍(lán)牙從站相應(yīng)的N_K尚未配置完畢，則繼續(xù)插入其他藍(lán)牙從站相應(yīng)的N_K，最后返回步驟la)。
[0021]作為本發(fā)明的改進(jìn)，所述多個(gè)藍(lán)牙從站中的每一個(gè)均執(zhí)行如下步驟:
[0022]1)將與該藍(lán)牙從站相應(yīng)的N_K插入該從站，上電初始化，中央控制單元檢測(cè)是否有N_K插入，若無(wú)，則不執(zhí)行任何操作，否則執(zhí)行第2)步；
[0023]2)中央控制單元與藍(lán)牙模塊建立BCSP鏈路，讀取并解密所述插入的NJ(中的組網(wǎng)過(guò)濾信息，并通過(guò)一系列的HCI指令對(duì)藍(lán)牙模塊執(zhí)行參數(shù)配置，包括將該從站的設(shè)備類型(CLASS_of_DEVICE)設(shè)置為所述N_K中的當(dāng)前微微網(wǎng)ID，將連接請(qǐng)求的過(guò)濾參數(shù)設(shè)置為所述插入的N_K中的主站藍(lán)牙地址；
[0024]3)所述藍(lán)牙從站進(jìn)入等待狀態(tài)，響應(yīng)主站的搜索操作和鏈路建立請(qǐng)求；若接收到鏈路建立請(qǐng)求幀，則判斷該幀的來(lái)源地址與所述連接請(qǐng)求的過(guò)濾參數(shù)(即主站的藍(lán)牙地址)是否一致，若一致，與主站建立ACL鏈路；否則丟棄該幀。
[0025]作為本發(fā)明的改進(jìn)，采用分組加密算法對(duì)所述N_K中存儲(chǔ)的當(dāng)前微微網(wǎng)ID、藍(lán)牙從站的邏輯地址以及主站藍(lán)牙地址進(jìn)行加密；采用序列密碼算法對(duì)所述ACL鏈路上的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。
[0026]作為本發(fā)明的改進(jìn)，在所述藍(lán)牙主站上設(shè)置ACL鏈路保障機(jī)制:藍(lán)牙主站監(jiān)測(cè)與從站的斷鏈?zhǔn)录?，啟?dòng)設(shè)備搜索操作，當(dāng)斷鏈原因消除時(shí)，主站重新搜索到該從站并執(zhí)行相應(yīng)的重連操作，以恢復(fù)與其的ACL鏈路。
[0027]作為本發(fā)明的改進(jìn)，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)從站更換的即插即用:將原從站上的N_K拔出并插入到更換后的新從站，新從站上電之后自動(dòng)執(zhí)行所述參數(shù)配置，使得自身能被所述藍(lán)牙主站搜索到并與其建立ACL鏈路。
[0028]作為本發(fā)明的改進(jìn)，兩個(gè)藍(lán)牙從站在不斷電的前提下，通過(guò)交換彼此相應(yīng)的N_K實(shí)現(xiàn)微微網(wǎng)隸屬關(guān)系的交換。
[0029]作為本發(fā)明的改進(jìn)，微微網(wǎng)隸屬關(guān)系交換的具體步驟為:從站帶電運(yùn)行時(shí)，若更換N_K，該從站將來(lái)自于新的NJ(中的信息與原先的信息相比較，若一致，不執(zhí)行任何操作；若不一致，則該從站主動(dòng)斷開(kāi)當(dāng)前的鏈路，并根據(jù)新的NJ(中的信息來(lái)進(jìn)行初始化并設(shè)置設(shè)備類型(CLASS_of_DEVICE)，隨后等待來(lái)自主站的鏈路建立請(qǐng)求幀。
[0030]本發(fā)明能夠在同一工作區(qū)域內(nèi)組建多個(gè)并存的主從微微網(wǎng)，各微微網(wǎng)從站具有明確的隸屬關(guān)系，能夠防止未授權(quán)或非法的藍(lán)牙設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；對(duì)于N_K中重要信息及藍(lán)牙微微網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，預(yù)防外部設(shè)備的竊聽(tīng)和解讀，滿足工業(yè)通信的安全性要求；組建的網(wǎng)絡(luò)具有的鏈路保障機(jī)制和即插即用特性，提高了網(wǎng)絡(luò)的健壯性、可維護(hù)性及靈活性。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1顯示了藍(lán)牙主站的硬件結(jié)構(gòu)圖。
[0032]圖2顯示了藍(lán)牙主站及從站采用的協(xié)議棧。
[0033]圖3顯示了藍(lán)牙主站及從站的主程序流程圖。
[0034]圖4顯示了藍(lán)牙主站及從站中特殊機(jī)制流程圖。
[0035]圖5顯示了多微微網(wǎng)并存的應(yīng)用場(chǎng)景。
【具體實(shí)施方式】
[0036]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0037]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0038]I藍(lán)牙設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)及采用的協(xié)議棧
[0039]本發(fā)明設(shè)計(jì)的藍(lán)牙設(shè)備有藍(lán)牙主站、藍(lán)牙從站以及N_K，下面首先對(duì)這些設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)及其功能進(jìn)行介紹。
[0040]參考圖1，其中虛線部分為藍(lán)牙主站的硬件結(jié)構(gòu)示意圖，它包括以下幾個(gè)部分:[0041]1)中央控制單元(MCU)，用來(lái)控制藍(lán)牙模塊的操作以及與主站其它組件進(jìn)行信息的交互。在本實(shí)施例中，MCU可以采用單片機(jī)。
[0042]2)藍(lán)牙模塊，用來(lái)運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧，與其它站點(diǎn)的藍(lán)牙模塊和本站點(diǎn)的MCU進(jìn)行信息的交互，為主站的MCU提供主機(jī)控制接口(Host Controller Interface, HCI)。
[0043]3)網(wǎng)絡(luò)配置接口電路，用來(lái)設(shè)置當(dāng)前微微網(wǎng)ID、從站的邏輯地址以及主站管理的從站數(shù)目。在本實(shí)施例中，該配置接口電路可以為撥碼開(kāi)關(guān)。
[0044]4) RS485/CAN總線接口電路，用于與其他微微網(wǎng)主站組建成一個(gè)有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)有線通信與無(wú)線通信的融合。
[0045]5)電源管理模塊，用于為藍(lán)牙模塊、MCU以及其它組件供電。
[0046]藍(lán)牙從站與主站的差別在于:從站沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)配置接口電路以及RS485/CAN總線接口電路。也即，藍(lán)牙從站同樣包括:
[0047]中央控制單元(MCU)，用來(lái)控制藍(lán)牙模塊的操作，以及與從站其它組件進(jìn)行信息的交互；以及
[0048]藍(lán)牙模塊，用來(lái)運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧，與其它站點(diǎn)的藍(lán)牙模塊和本站點(diǎn)的中央控制單元進(jìn)行信息的交互，為所述中央控制單元提供主機(jī)控制接口(Host ControllerInterface, HCI)。
[0049]至于網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置(NETW0RK_KEY)，其存儲(chǔ)芯片為非易失存儲(chǔ)器，例如可斷電保存數(shù)據(jù)的FLASH或EEPR0M。網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置通過(guò)I2C總線與藍(lán)牙設(shè)備的MCU相連。所述N_K用于實(shí)現(xiàn)所述藍(lán)牙主站與其管理的多個(gè)藍(lán)牙從站之間的組網(wǎng)過(guò)濾參數(shù)的交互。
[0050]圖2為藍(lán)牙設(shè)備采用的協(xié)議棧示意圖。在該圖中，藍(lán)牙主機(jī)是指MCU，藍(lán)牙控制器是指藍(lán)牙模塊，兩者之間通過(guò)HCI接口進(jìn)行交互，所謂的HCI是指藍(lán)牙提供的一個(gè)訪問(wèn)其硬件的統(tǒng)一指令方式，通過(guò)該指令，用戶可以控制本地藍(lán)牙硬件的操作以及控制其與其它藍(lán)牙設(shè)備的鏈路層的連接。在本發(fā)明中，藍(lán)牙主機(jī)通過(guò)一系列的HCI指令實(shí)現(xiàn)特殊的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)傳輸功能。
[0051]圖2中，MCU與藍(lán)牙模塊是通過(guò)UART線相連的，在UART線路上傳送的為BCSP格式(BlueCore Serial Protocol,為Bluetooth設(shè)備和系統(tǒng)之間傳輸HCI數(shù)據(jù)分組的一種可用協(xié)議)的數(shù)據(jù)幀，MCU與藍(lán)牙模塊相互交流的控制幀以及數(shù)據(jù)幀都是以BCSP格式封包。藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)建立完畢，MCU以及藍(lán)牙模塊以L2CAP (Logical Link Control and AdaptationProtocol，是藍(lán)牙系統(tǒng)中的核心協(xié)議，負(fù)責(zé)適配基帶中的上層協(xié)議)格式封包數(shù)據(jù)幀，再將數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送出去或?qū)乃{(lán)牙模塊接收到數(shù)據(jù)上傳到MCU。
[0052]2藍(lán)牙組網(wǎng)過(guò)程介紹
[0053]本發(fā)明設(shè)計(jì)的所有程序都運(yùn)行在MCU上，并通過(guò)HCI接口對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行操作。藍(lán)牙主從站中的程序流程圖如圖3所示。
[0054]在圖5所描述的場(chǎng)景中，存在著兩個(gè)藍(lán)牙主站(BS1，BS2)，六個(gè)藍(lán)牙從站(Cl_l, Cl_2, Cl_3, C2_l, C2_2, C2_3)，每個(gè)藍(lán)牙從站擁有一個(gè)相應(yīng)的N_K。利用本發(fā)明提出的組網(wǎng)方法，這些藍(lán)牙設(shè)備可以組成兩個(gè)互不干擾的安全的微微網(wǎng)。以微微網(wǎng)N1為例，具體的組網(wǎng)步驟如下:
[0055]其中BS1的執(zhí)行步驟如下:
[0056]1)按照需求設(shè)置好BS1上的網(wǎng)絡(luò)配置接口電路(撥碼開(kāi)關(guān))，再對(duì)其上電，此時(shí)MCU和藍(lán)牙模塊之間按照一定的機(jī)制建立BCSP鏈路，接著執(zhí)行第二步。
[0057]2) BSl檢測(cè)其本身是否插入了 N_K，若是，執(zhí)行第三步，否則執(zhí)行第四步。
[0058]3)MCU執(zhí)行以下操作:通過(guò)HCI指令讀取藍(lán)牙模塊的本地地址；讀取撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置的從站Cl_l的邏輯地址；讀取撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置的當(dāng)前微微網(wǎng)ID ;將這些信息加密存儲(chǔ)到與從站Cl_l相應(yīng)的NJQl ;程序進(jìn)行空循環(huán)，等待用戶斷電操作。
[0059]采用同樣的步驟將信息存儲(chǔ)到N_K12，N_K13，其中從站邏輯地址不同，其他信息相同。
[0060]4) BSl通過(guò)MCU初始化藍(lán)牙模塊，將微微網(wǎng)ID作為藍(lán)牙模塊的搜索過(guò)濾參數(shù)，命令其執(zhí)行搜索操作。若藍(lán)牙模塊搜索到的從站設(shè)備類型(CLASS_of_DEVICE)信息不符合搜索過(guò)濾參數(shù)，則不將該從站的藍(lán)牙地址信息上傳到MCU ;藍(lán)牙模塊搜索完畢，若MCU得到的地址信息個(gè)數(shù)少于主站應(yīng)管理的從站數(shù)目，則MCU命令藍(lán)牙模塊重新執(zhí)行搜索操作，否則執(zhí)行第五步。
[0061]5) BSl向搜索到的所有從站逐一發(fā)送ACL鏈路建立請(qǐng)求幀，等待所有從站接收該請(qǐng)求并建立與它之間的鏈路，由此主站與從站組成一個(gè)微微網(wǎng)，此時(shí)藍(lán)牙主站和從站之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
[0062]藍(lán)牙從站Cl_l的執(zhí)行步驟如下(Cl_2與Cl_3采用同樣的步驟):
[0063]I)將存儲(chǔ)信息的NJQl插入Cl_l，再上電，此時(shí)MCU與藍(lán)牙模塊之間建立BCSP鏈路，接著ci_l開(kāi)始進(jìn)行初始化操作，即執(zhí)行第二步操作。若其上電時(shí)檢測(cè)到?jīng)]有連接N_Kl I，則不執(zhí)行任何操作。
[0064]2)初始化操作是指:MCU通過(guò)一系列的HCI指令對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行操作，包括將從站的CLASS_of_DEVICE設(shè)置為NJQl中的微微網(wǎng)ID，將連接請(qǐng)求的過(guò)濾參數(shù)設(shè)置為主站藍(lán)牙地址。
[0065]3)初始化完畢后，Cl_l處于等待狀態(tài)，響應(yīng)主站的搜索操作和鏈路建立請(qǐng)求。若接收到鏈路建立請(qǐng)求幀，則判斷該幀的來(lái)源地址與自身連接請(qǐng)求的過(guò)濾參數(shù)(即BSl藍(lán)牙地址)是否一致，若一致，與主站建立ACL鏈路；否則丟棄該幀。
[0066]通過(guò)上述步驟使BSl僅與符合要求的C1_1、C1_2、C1_3組建一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)，阻止了同一場(chǎng)景內(nèi)其它藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的加入，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙組網(wǎng)的排它性。
[0067]3網(wǎng)絡(luò)的安全性機(jī)制
[0068]通過(guò)上述操作使得藍(lán)牙主站與其下屬所有從站之間分別建立了一條ACL鏈路，從而組成了一個(gè)藍(lán)牙微微網(wǎng)。本發(fā)明還設(shè)計(jì)了兩種機(jī)制來(lái)保證該網(wǎng)絡(luò)的安全性，滿足工業(yè)無(wú)線通信需求。這兩種機(jī)制如下:
[0069]3.1網(wǎng)絡(luò)組建的排它性
[0070]由于跳頻機(jī)制的存在，使得只有建立了鏈路的從站才能與其主站時(shí)鐘同步并獲取主站的跳頻序列表，從而實(shí)現(xiàn)與主站的數(shù)據(jù)交換。未加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備則由于不知道網(wǎng)絡(luò)在任意時(shí)刻所使用的通信頻道而無(wú)法對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)或干擾。因此，本發(fā)明提出的排它性組網(wǎng)方法能夠提高微微網(wǎng)的安全性。
[0071]所謂藍(lán)牙組網(wǎng)的排它性，是指只有符合特定要求的藍(lán)牙主站和從站才能組建成一個(gè)微微網(wǎng)。對(duì)照?qǐng)D5，假設(shè)需要實(shí)現(xiàn)以下的功能:同一現(xiàn)場(chǎng)中存在著兩個(gè)微微網(wǎng)，微微網(wǎng)NI由主站BSl和從站Cl_l，Cl_2, Cl_3組成，微微網(wǎng)N2由主站BS2和從站C2_l，C2_2, C2_3組成。其中每個(gè)藍(lán)牙從站在運(yùn)行時(shí)自身都帶有一個(gè)相應(yīng)的N_K。
[0072]根據(jù)圖3中所描述的步驟可知，在藍(lán)牙主站和從站都上電組建微微網(wǎng)之前，具有如下特點(diǎn):
[0073]1)藍(lán)牙主站的查詢過(guò)濾參數(shù)與藍(lán)牙從站本身的CLASS_of_DEVICE是一致的，其值為通過(guò)主站上撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置，寫入到N_K之中的微微網(wǎng)ID數(shù)值。
[0074]2)藍(lán)牙從站的連接過(guò)濾參數(shù)與藍(lán)牙主站本身的藍(lán)牙地址是一致的，其值也寫入了N_K。
[0075]根據(jù)上述特點(diǎn)，下面分析如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的排它性:
[0076]1)藍(lán)牙主站選擇從站:藍(lán)牙主站的查詢過(guò)濾參數(shù)值與藍(lán)牙從站的CLASS_of_DEVICE是完全一致的。在圖5中，雖然Cl_l與C2_3都處于BS1的通信范圍內(nèi)，但只有Clj的CLASS_of_DEVICE符合BS1查詢的過(guò)濾條件，因此，BS1在查詢過(guò)程中，只會(huì)獲得Cl_l的地址，BS1組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)只會(huì)向Cl_l發(fā)送鏈路建立請(qǐng)求幀。因此實(shí)現(xiàn)了主站選擇從站。
[0077]2)藍(lán)牙從站選擇主站，組網(wǎng)過(guò)程中，藍(lán)牙從站的連接過(guò)濾參數(shù)與主站的藍(lán)牙地址完全一致。以圖5為例，假設(shè)由于意外情況而導(dǎo)致Cl_l接收到BS1的鏈路建立請(qǐng)求幀的同時(shí)，還接收到BS2的鏈路建立請(qǐng)求幀。Cl_l將判斷請(qǐng)求幀的來(lái)源地址是否與其連接過(guò)濾參數(shù)一致，由于Cl_l的連接過(guò)濾參數(shù)為BS1的藍(lán)牙地址。Cl_l將會(huì)丟棄BS2發(fā)送的鏈路請(qǐng)求幀，接收BS1的鏈路請(qǐng)求幀。因此實(shí)現(xiàn)了從站選擇主站的功能。
[0078]從上面分析可以看出，操作員可以通過(guò)NJ(以及設(shè)置主站的撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)的排它性，使得未得到授權(quán)和認(rèn)證的藍(lán)牙設(shè)備無(wú)法加入到藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中去，以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。
[0079]3.2加密機(jī)制
[0080]通過(guò)組網(wǎng)排它性提高了藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的安全性，但是在網(wǎng)絡(luò)中仍然存在以下兩點(diǎn)安全性隱患:首先，NJ(中存儲(chǔ)的重要信息未做任何處理，外部人員若獲取了 NJ(設(shè)備，通過(guò)N_K中信息可能分析出微微網(wǎng)的組網(wǎng)機(jī)制及參數(shù)；其次，在ACL鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)也未作任何加密，這些數(shù)據(jù)仍有可能會(huì)被外部設(shè)備所竊取。對(duì)此，本發(fā)明提出了相應(yīng)的解決方法。
[0081]1)N_K中存儲(chǔ)的信息為當(dāng)前微微網(wǎng)ID、從節(jié)點(diǎn)的邏輯地址以及藍(lán)牙主站的藍(lán)牙地址，這些信息的長(zhǎng)度是固定的，因此，采用加密算法中的分組密碼算法對(duì)其加密，將加密后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到NJ(中，從站讀取N_K中參數(shù)并解密，再將這些參數(shù)用于網(wǎng)絡(luò)組建操作中。本發(fā)明中NJ(信息長(zhǎng)度為11字節(jié)，將其擴(kuò)充為16字節(jié)，采用DES算法即可將其加密成新的16字節(jié)的密文。對(duì)NJ(進(jìn)行加密和解密要求藍(lán)牙主站和從站采用同一密鑰。
[0082]2)對(duì)于傳輸在ACL鏈路上的數(shù)據(jù)，由于這些數(shù)據(jù)長(zhǎng)度是不固定的，所以不能采用分組算法對(duì)其進(jìn)行加密，因此利用序列密碼算法(也稱流密碼算法)對(duì)傳送的數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密。本發(fā)明中采用了面向字節(jié)的RC4算法，該算法由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理高效等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信領(lǐng)域。主從站只需采用同一密鑰即可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的加密和解密。
[0083]在本發(fā)明中，通過(guò)組網(wǎng)前對(duì)N_K存儲(chǔ)信息進(jìn)行加密、組網(wǎng)中利用N_K信息進(jìn)行排它式組網(wǎng)、組網(wǎng)后對(duì)網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行加密這三層安全策略，能夠防止未授權(quán)和非法的設(shè)備竊取藍(lán)牙微微網(wǎng)的信息及其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，極大的提高了網(wǎng)絡(luò)的安全性。
[0084]由于跳頻機(jī)制的存在，使得相鄰微微網(wǎng)間的數(shù)據(jù)通信互不干擾，再加上本發(fā)明設(shè)計(jì)的排它性組網(wǎng)機(jī)制和相應(yīng)的加密機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了在同一場(chǎng)景內(nèi)組建多個(gè)并存的安全的微微網(wǎng)的功能。
[0085]4網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性及靈活性分析
[0086]在提高了微微網(wǎng)通信的安全性之后，需要進(jìn)一步改善系統(tǒng)的健壯性及可維護(hù)性，具體是指能實(shí)現(xiàn)斷鏈自動(dòng)重連且該操作不對(duì)其它完好鏈路的通信造成影響、易于更換故障從站以及在不斷電前提下通過(guò)N_K的熱插拔來(lái)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙從站隸屬微微網(wǎng)的變更。下面結(jié)合圖5解釋上述機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。
[0087]I)藍(lán)牙主站設(shè)計(jì)有ACL鏈路保障機(jī)制，例如若由于瞬時(shí)電磁干擾或從站斷電，造成了 BSl與Cl_l之間的ACL鏈路斷開(kāi)，主站能夠監(jiān)測(cè)到這一斷鏈?zhǔn)录?dòng)設(shè)備搜索操作，當(dāng)干擾消失或從站重新上電，則主站可以重新搜索到該從站并執(zhí)行相應(yīng)的重連操作，以恢復(fù)BSl與Cl_l之間的ACL鏈路。主站在執(zhí)行掃描和連接操作時(shí)，不會(huì)影響到其與Cl_2、Cl_3之間的ACL鏈路通信。具體的保障機(jī)制流程圖如圖4(a)所示，這種鏈路保障機(jī)制提高了藍(lán)牙微微網(wǎng)的健壯性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力和故障恢復(fù)能力。
[0088]2)上述鏈路保障機(jī)制能夠提高網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性，例如圖5中Cl_l出現(xiàn)了永久性故障，需要更換新的從站，BSl偵測(cè)到該ACL鏈路的斷開(kāi)，則啟動(dòng)搜索操作并通過(guò)相應(yīng)的狀態(tài)指示提醒操作員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，操作員此時(shí)只需將故障從站上的N_K拔出并插入更換后的新從站之中，新從站上電之后可自動(dòng)執(zhí)行參數(shù)配置，使得自己能被BSl掃描到并與其建立ACL鏈路，實(shí)現(xiàn)從站更換的即插即用。
[0089]3)在從站處設(shè)計(jì)了一種提高組網(wǎng)靈活性的機(jī)制:如圖5所示，若Cl_3與C2_l同時(shí)處于BSl和BS2的有效通信范圍內(nèi)，則兩從站可在不斷電的前提下通過(guò)交換彼此的N_K實(shí)現(xiàn)微微網(wǎng)隸屬關(guān)系的交換。該機(jī)制的流程圖如圖4(b)所示，具體過(guò)程如下:從站帶電運(yùn)行時(shí)，若更換N_K，在插入N_K時(shí)刻，MCU產(chǎn)生中斷信號(hào)，在中斷服務(wù)程序中，從站將來(lái)自于新的NJ(中的信息與原先的信息相比較，若一致，不執(zhí)行任何操作；若不一致，則從站主動(dòng)斷開(kāi)當(dāng)前的鏈路，并根據(jù)新的N_K中的信息來(lái)進(jìn)行初始化和設(shè)置CLASS_of_DEVICE，隨后等待來(lái)自主站的鏈路建立請(qǐng)求幀。而當(dāng)前主站接收到鏈路斷開(kāi)信息之后，就執(zhí)行鏈路保障機(jī)制中的操作來(lái)恢復(fù)鏈路，通過(guò)上述的操作過(guò)程，Cl_3與C2_l實(shí)現(xiàn)所屬微微網(wǎng)的交換，這些操作并不影響NI與N2中其它正常鏈路的通信，提高了組網(wǎng)的靈活性。
[0090]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種工業(yè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于工業(yè)場(chǎng)所中的網(wǎng)絡(luò)通信，其包括藍(lán)牙主站和由其管理的多個(gè)藍(lán)牙從站，并且每個(gè)藍(lán)牙從站都具備一個(gè)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置(NETWORK_KEY)，其中， 所述網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置用于實(shí)現(xiàn)所述藍(lán)牙主站與其管理的多個(gè)藍(lán)牙從站之間的組網(wǎng)過(guò)濾參數(shù)的交互； 所述藍(lán)牙主站、從站均包括: 中央控制單元(MCU)，通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中存儲(chǔ)的過(guò)濾參數(shù)控制藍(lán)牙模塊進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)；以及 藍(lán)牙模塊，用來(lái)運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧，并通過(guò)主機(jī)控制接口(Host ControllerInterface, HCI)接受所述中央控制單元的控制命令以及其它主站或從站發(fā)送過(guò)來(lái)的無(wú)線幀； 并且，所述藍(lán)牙主站還包括: 網(wǎng)絡(luò)配置接口電路，用來(lái)設(shè)置當(dāng)前微微網(wǎng)ID、從站的邏輯地址以及主站管理的從站數(shù)目；以及 RS485/CAN總線接口電路，用于該藍(lán)牙主站與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其他微微網(wǎng)主站組建成有線網(wǎng)絡(luò)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置為非易失存儲(chǔ)器，通過(guò)總線與所述藍(lán)牙主站或從站進(jìn)行通信，其存儲(chǔ)有加密后的組網(wǎng)過(guò)濾參數(shù)，包括當(dāng)前微微網(wǎng)ID、主站藍(lán)牙地址及從站邏輯地址。
3.一種應(yīng)用于權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)所述的工業(yè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組網(wǎng)方法，其中，所述藍(lán)牙主站執(zhí)行如下步驟: 1)配置與該藍(lán)牙主站所管理的所有藍(lán)牙從站相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置，將主站藍(lán)牙地址、當(dāng)前微微網(wǎng)ID和從站邏輯地址加密寫入各藍(lán)牙從站對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置； 2)中央控制單元將藍(lán)牙模塊的搜索過(guò)濾參數(shù)設(shè)置為當(dāng)前微微網(wǎng)ID，命令其執(zhí)行搜索操作:若藍(lán)牙模塊搜索到的從站設(shè)備類型(CLASS_of_DEVICE)信息不符合搜索過(guò)濾參數(shù)，則不將該從站的藍(lán)牙地址信息上傳到中央控制單元；藍(lán)牙模塊搜索完畢后，若中央控制單元得到的從站藍(lán)牙地址信息個(gè)數(shù)少于藍(lán)牙主站應(yīng)管理的從站數(shù)目，則命令藍(lán)牙模塊重新執(zhí)行搜索操作，否則執(zhí)行第3)步； 3)所述藍(lán)牙主站向搜索到的所有從站逐一發(fā)送ACL鏈路建立請(qǐng)求幀，等待所有從站接收該請(qǐng)求并建立與它之間的ACL鏈路，由此主站與從站組成一個(gè)微微網(wǎng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的組網(wǎng)方法，其中，所述步驟I)具體為: Ia)上電后，中央控制單元和藍(lán)牙模塊之間建立BCSP鏈路； Ib)所述藍(lán)牙主站檢測(cè)其本身是否插入了網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置，若是，執(zhí)行第Ic)步，否則執(zhí)行第2)步； Ic)中央控制單元通過(guò)HCI指令讀取藍(lán)牙模塊的主站藍(lán)牙地址，并讀取通過(guò)所述網(wǎng)絡(luò)配置接口電路設(shè)置的當(dāng)前微微網(wǎng)ID和為與所述插入的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置相應(yīng)的藍(lán)牙從站設(shè)置的邏輯地址，將這些信息加密存儲(chǔ)到所述插入的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置，然后等待用戶斷電操作，拔下該插入的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置，若該藍(lán)牙主站應(yīng)管理的其他藍(lán)牙從站相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置尚未配置完畢，則繼續(xù)插入其他藍(lán)牙從站相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置，最后返回步驟la)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的組網(wǎng)方法，其中，所述多個(gè)藍(lán)牙從站中的每一個(gè)均執(zhí)行如下步驟:1)將與該藍(lán)牙從站相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置插入該從站，上電初始化，中央控制單元檢測(cè)是否有網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置插入，若無(wú)，則不執(zhí)行任何操作，否則執(zhí)行第2)步；2)中央控制單元與藍(lán)牙模塊建立BCSP鏈路，讀取并解密所述插入的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中的組網(wǎng)過(guò)濾信息，并通過(guò)一系列的HCI指令對(duì)藍(lán)牙模塊執(zhí)行參數(shù)配置，包括將該從站的設(shè)備類型(CLASS_of_DEVICE)設(shè)置為所述網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中的當(dāng)前微微網(wǎng)ID，將連接請(qǐng)求的過(guò)濾參數(shù)設(shè)置為所述插入的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中的主站藍(lán)牙地址；3)所述藍(lán)牙從站進(jìn)入等待狀態(tài)，響應(yīng)主站的搜索操作和鏈路建立請(qǐng)求；若接收到鏈路建立請(qǐng)求幀，則判斷該幀的來(lái)源地址與所述連接請(qǐng)求的過(guò)濾參數(shù)(即主站的藍(lán)牙地址)是否一致，若一致，與主站建立ACL鏈路；否則丟棄該幀。
6.根據(jù)權(quán)利要求3-5中任一項(xiàng)所述的組網(wǎng)方法，其中，采用分組加密算法對(duì)所述網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中存儲(chǔ)的當(dāng)前微微網(wǎng)ID、藍(lán)牙從站的邏輯地址以及主站藍(lán)牙地址進(jìn)行加密；采用序列密碼算法對(duì)所述ACL鏈路上的傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。
7.根據(jù)權(quán)利要求3-6中任一項(xiàng)所述的組網(wǎng)方法，其中，在所述藍(lán)牙主站上設(shè)置ACL鏈路保障機(jī)制:藍(lán)牙主站監(jiān)測(cè)與從站的斷鏈?zhǔn)录?，啟?dòng)設(shè)備搜索操作，當(dāng)斷鏈原因消除時(shí)，主站重新搜索到該從站并執(zhí)行相應(yīng)的重連操作，以恢復(fù)與其的ACL鏈路。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的組網(wǎng)方法，其中，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)從站更換的即插即用:將原從站上的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置拔出并插入到更換后的新從站，新從站上電之后自動(dòng)執(zhí)行所述參數(shù)配置，使得自身能被所述藍(lán)牙主站搜索到并與其建立ACL鏈路。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-8中任一項(xiàng)所述的組網(wǎng)方法，其中，兩個(gè)藍(lán)牙從站在不斷電的前提下，通過(guò)交換彼此相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置實(shí)現(xiàn)微微網(wǎng)隸屬關(guān)系的交換。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的組網(wǎng)方法，其中，微微網(wǎng)隸屬關(guān)系交換的具體步驟為:從站帶電運(yùn)行時(shí)，若更換網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置，該從站將來(lái)自于新的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中的信息與原先的信息相比較，若一致，不執(zhí)行任何操作；若不一致，則該從站主動(dòng)斷開(kāi)當(dāng)前的鏈路，并根據(jù)新的網(wǎng)絡(luò)密鑰裝置中的信息來(lái)進(jìn)行初始化并設(shè)置設(shè)備類型(CLASS_of_DEVICE)，隨后主站根據(jù)所述ACL鏈路保障機(jī)制重新與該從站建立鏈接。
【文檔編號(hào)】H04B5/00GK103684938SQ201310566493
【公開(kāi)日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2014年1月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月26日
【發(fā)明者】秦元慶, 朱錢祥, 周純杰 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)