基于ZigBee的无线网关解决方案 - 全文

1  引  言

　　随着无线通信技术逐渐进入工业领域， 无线通信系统在工业通信网络中的应用逐渐增加， 而目前工业通信网络通信协议繁多， 多种通信标准并存， 因此不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间的互联问题也逐渐成为人们关注的重点。

　　Z igBee短程无线网通信技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势， 成为近年来业界的研究热点之一。Z igB ee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层( PHY) 和媒体访问控制层(MAC )协议基于IEEE802. 15. 4协议标准， 网络层(NWK )和应用层( APS) 由Z igBee 联盟来制定。为了更方便地控制ZigBee无线传感器网络， 让各无线节点间有序、高效地工作， 有必要将已经非常成熟的基于TCP / IP技术的以太网与ZigBee无线传感网络相连通， 从而实现通过以太网来控制ZigB ee 无线传感器网络。

　　以前的网关很多是用单片机来实现， 现把嵌入式系统的高速处理器和操作系统加进网关系统， 能够更高效、快速地传递来自无线网络的数据包和来自以太网的用户控制命令， 同时还能够实现Z igbee无线传感器网络新节点的动态链接。

　　2  Z igBee无线网关解决方案

　　2. 1  系统结构

　　无线传感器系统对网关的要求较高， 技术实现上比较复杂， 所以网关采用嵌入式系统技术。基于linux 操作系统本身的易于移植、开源、优异的网络支持等优点， 采用ARM9处理器加上linux操作系统来设计Z igBee与TCP / IP间通信的网关。嵌入式系统与ZigBee无线传感器网络相结合， 可以更好地控制网络的信息传递。

　　一个连通Z igB ee 无线传感器网络和以太网的网关应该解决如下问题:

　　( 1)能与Z igBee 无线传感网络各节点进行通信， 同时控制、协调无线传感器网络间的通信。

　　( 2)能通过以太网接口与计算机实现有线通信。

　　( 3)为了实现Z igBee通信， 网络需要相应的底层驱动程序协议栈， 这就增加了系统内控制器对程序存储器的需求等。

　　( 4)具备与无线传感器网络中的新节点建立动态链接的能力。

　　每个ZigB ee 无线传感器网络节点需要发送的数据都要经过网关与外部以太网连接。而且， 当节点越多， 网络的复杂程度就越高， 对网关的处理速度会是个考验。因而， 网关的设计比一般的无线传感器网络节点更复杂， 需要的资源也比一般的节点多。图1( a)为ZigBee无线网关结构图， 图1( b)为无线传感器网络节点结构图。

( b )无线传感器网络节点结构图

图1  ZigB ee 无线网关与无线传感器网络节点结构图

　　2. 2  通信模型设计

　　基于以上分析， 针对工业应用设计了一种用于接入工业以太网的无线网关。通信模型主要包括以下3个方面:

　　( 1)无线通信机制。现场设备与无线网关之间的数据通信采用了ZigBee无线通信技术。ZigB ee无线通信技术采用CSMA  CA接入方式， 有效避免了无线电载波之间的冲突， 保证了数据传输的可靠性。其MAC 层和PHY 层由IEEE802. 15. 4工作小组制定， NwK和APS则由Z igB ee联盟来制定， 其他部分      ZDO ( Z igBee设备对象)和ZAO ( ZigBee应用对象)， 由用户根据不同应用来完成。

　　( 2)以太网协议转换。无线网关的接入功能主要体现在协议转换， 即将ZigBee无线通信协议转换为以太网有线协议， 通过以太网接入控制网络。

　　IEEE802. 3 PHY和IEEE802. 3MAC分别为标准的以太网物理层和介质访问层; IEEE802. 3 LLC 提供以太网帧与IP层接口， 传输层为标准TCP /UDP协议。

　　( 3)上层服务接口( high layer serv ice in terface)。

　　针对工业应用， 无线网关要求提供上层服务及接口，使用户可以通过无线网关对现场设备进行组态、调校。上层服务接口位于ZigB ee APS层与TCP / IP层之间， 为系统实现各种服务提供通用接口。

　　2. 3  系统软件实现

　　Zigbee 协议软件的构成包括硬件抽象层( HAL)， 应用库( CUL)和系统主程序。HAL是简单的建立和使用外部的单元(例如， 无线收发， 计时器， AD 变换等)。CUL 提供了一个简单的无线协议， 一个管理器管理DMA 通道和一个以软件方式实现处理安排的多任务计时器。而系统的主程序提供了一个程序调用的接口和中断。本软件实现一个简单的点对点数据传输， 因此只需要一个精简的数据包协议( SPP)。

　　简单的协议包提供了简单的数据包结构如表1， 其中Leng th(长度)， 接收信号强度( RSSI)和链路质量LQ I区域由芯片设置， dest src address 和flags区域由SPP设置， Pay lOAd( length- 5bytes) 区域为有效的载荷由用户设置(最大125字节)。

表1  简单的数据包结构

　　数据包的字节长度不包括长度字节本身， 目的地址和源地址每一个为一个字节， 另外， 0x00是广播地址， 这一地址的数据包被所有的节点接收， 标志包括ACK 位， 一个ACK 请求( DO _ACK )。通过重传显示、序列号位、序列号及重传的位共同作用从而能够区分新的数据包和当前接收的数据包， RSSI和LQ I显示接收信号强度和链路的质量， LQ I的第8位显示是否CRC校验成功或失败。

　　Zigbee数据包发送的部分流程图如图2 所示，接收数据的部分流程图如图3所示。

图2  发送数据的部分流程图

图3  接收数据的部分流程图

2. 4  Z igBee无线网关关键技术研究

　　2. 4. 1  网络管理功能

　　( 1)网络形成。无线网关上电后， 无线协议栈各层首先进行初始化， 然后通过网络请求来启动一个新的网络(仅具有协调器能力且当前还没有与网络连接的网关设备才可以建立一个新的网络)。

　　组网开始时， 网络层首先向MAC层请求分配协议所规定的信道， 或者由PHY层进行有效信道扫描，网络层管理实体等待信道扫描结果， 然后根据扫描结果选择可允许能量水平的信道。找到合适的信道后，为这个新的网络选择一个域网标识符( PAN ID )。

　　PAN ID可由网络形成请求时指定， 也可以随机选择一个PAN ID (除广播PAN ID 固定为0xFFFF外) ， PAN ID在所选信道中应该是唯一的。PAN ID一旦选定， 无线网关将选择16位网络地址0x0000作为自身短地址，同时进行相关设置。完成设置后， 通过MAC 层发出网络启动请求， 返回网络形成状态。

　　( 2)网络维护。网络维护主要包括设备加入网络和离开网络过程。当网络形成后， 通过网络管理实体设定MAC 层连接许可标志来判断是否允许其他设备加入网络。加入方式有联合方式和直接方式， 在协议实现中采取直接加入网络方式。这种方式下由待加入的设备发送请求加入信标帧， 网关接收到后， 网络管理实体首先判断这个设备是否已存在于网络。若存在， 则使其加入网络; 若不存在， 则向设备发送信标帧， 为这个设备分配一个网络中唯一的16位短地址。这里的信标帧是由网关无线协议MAC层生成作为PHY 层载荷， 它包含PAN ID、加入时隙分配等信息。网内设备也可以请求断开网络。当网关收到设备断开连接请求后， MAC 层向网络层发送报告， 开始执行断开流程， 从设备列表中删除该设备相关信息。

　　2. 4. 2  ZigBee 以太网协议转换

　　ZigBee无线网关协议转换主要是实现ZigB ee数据报文与以太网报文的双向转换。图4所示为两种协议报文格式转换图。

图4  协议转换图

　　图中给出了协议开发中定义每一层的字节数， 其中PAYLOAD字节数可变， 最大不超过127B。当无线网关射频部分( PHY 层)接收到数据报文， 根据ZigB ee通信协议从PHY 到APS解出其中有效载荷， 然后将有效载荷加载TCP(UDP) / IP( 42B)的报文格式，交由满足IEEE802. 3以太网通信协议的网卡处理， 从而实现将无线接收到的信息传输到外部控制网络中。

　　3  应用分析

　　3. 1  应用前景

　　基于Z igBee网络的低成本、易控制、低功耗、组网方便、网络健壮等特点， 特别适用于智能家居控制， 同时它也广泛用于工业、汽车自动化、农业自动化、医疗控制设备等。将来还可通过远程控制(甚至可以是手机) 来实现对楼宇自动化设备的管理。

　　有理由相信在不远的将来， 将有越来越多的内置式ZigBee功能的设备进入大家的生活。

　　3. 2  智能家居网络

　　Z igBee技术的短距离、安全可靠、低成本等技术特点完全符合家庭网络通讯的需要， 因此选择ZigBee技术构建智能家居无线网络系统， 智能家居控制中心与各模块之间都是通过ZigBee通信。

　　智能家居网络包括环境照明系统， 家庭影院影音系统， 安防监控系统， 公共广播/背景音乐系统， 空调系统， 电动窗帘等一系列家居控制系统的智能集中控制。如， 回到家中， 只需要手指轻点触摸屏的一个按钮， 即可实现灯光打开、空调调至合适温度、音响播放悦耳的乐曲; 睡觉前用无线触摸屏的面板轻触?睡眠模式#， 便可让窗帘关闭、灯光调至合适的亮度、电视机自动关闭等用户所需要的设置。而Z igBee无线网关则作为各无线模块的协调器， 通过以太网来管理无线网络。

　　4  结束语

　　无线通信系统在工业通信网络中的应用逐渐增加， 而目前工业通信网络的通信协议繁多， 多种通信标准并存， 因此不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间的互联问题也逐渐成为人们关注的重点。ZigBee无线通信技术的无线网关在实现无线测控系统与以太网互联的同时也可以完成对无线网络的管理， 优化了整个工业通信网络， 为工业控制领域从有线向无线延伸提供了一种有效的解决途径。