基于ZigBee的無線網(wǎng)關解決方案

1 引 言

　　隨著無線通信技術逐漸進入工業(yè)領域， 無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡中的應用逐漸增加， 而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡通信協(xié)議繁多， 多種通信標準并存， 因此不同傳輸介質、不同速率、不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡之間的互聯(lián)問題也逐漸成為人們關注的重點。

　　Z igBee短程無線網(wǎng)通信技術以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢， 成為近年來業(yè)界的研究熱點之一。Z igB ee技術是一個具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，其物理層( PHY) 和媒體訪問控制層(MAC )協(xié)議基于IEEE802. 15. 4協(xié)議標準， 網(wǎng)絡層(NWK )和應用層( APS) 由Z igBee 聯(lián)盟來制定。為了更方便地控制ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡， 讓各無線節(jié)點間有序、高效地工作， 有必要將已經(jīng)非常成熟的基于TCP / IP技術的以太網(wǎng)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡相連通， 從而實現(xiàn)通過以太網(wǎng)來控制ZigB ee 無線傳感器網(wǎng)絡。

　　以前的網(wǎng)關很多是用單片機來實現(xiàn)， 現(xiàn)把嵌入式系統(tǒng)的高速處理器和操作系統(tǒng)加進網(wǎng)關系統(tǒng)， 能夠更高效、快速地傳遞來自無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包和來自以太網(wǎng)的用戶控制命令， 同時還能夠實現(xiàn)Z igbee無線傳感器網(wǎng)絡新節(jié)點的動態(tài)鏈接。

　　2 Z igBee無線網(wǎng)關解決方案

　　2. 1 系統(tǒng)結構

　　無線傳感器系統(tǒng)對網(wǎng)關的要求較高， 技術實現(xiàn)上比較復雜， 所以網(wǎng)關采用嵌入式系統(tǒng)技術。基于linux 操作系統(tǒng)本身的易于移植、開源、優(yōu)異的網(wǎng)絡支持等優(yōu)點， 采用ARM9處理器加上linux操作系統(tǒng)來設計Z igBee與TCP / IP間通信的網(wǎng)關。嵌入式系統(tǒng)與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡相結合， 可以更好地控制網(wǎng)絡的信息傳遞。

　　一個連通Z igB ee 無線傳感器網(wǎng)絡和以太網(wǎng)的網(wǎng)關應該解決如下問題:

　　( 1)能與Z igBee 無線傳感網(wǎng)絡各節(jié)點進行通信， 同時控制、協(xié)調無線傳感器網(wǎng)絡間的通信。

　　( 2)能通過以太網(wǎng)接口與計算機實現(xiàn)有線通信。

　　( 3)為了實現(xiàn)Z igBee通信， 網(wǎng)絡需要相應的底層驅動程序協(xié)議棧， 這就增加了系統(tǒng)內控制器對程序存儲器的需求等。

　　( 4)具備與無線傳感器網(wǎng)絡中的新節(jié)點建立動態(tài)鏈接的能力。

　　每個ZigB ee 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要發(fā)送的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過網(wǎng)關與外部以太網(wǎng)連接。而且， 當節(jié)點越多， 網(wǎng)絡的復雜程度就越高， 對網(wǎng)關的處理速度會是個考驗。因而， 網(wǎng)關的設計比一般的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點更復雜， 需要的資源也比一般的節(jié)點多。圖1( a)為ZigBee無線網(wǎng)關結構圖， 圖1( b)為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖。

( b )無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖

圖1 ZigB ee 無線網(wǎng)關與無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖

　　2. 2 通信模型設計

　　基于以上分析， 針對工業(yè)應用設計了一種用于接入工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關。通信模型主要包括以下3個方面:

　　( 1)無線通信機制?，F(xiàn)場設備與無線網(wǎng)關之間的數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術。ZigB ee無線通信技術采用CSMA CA接入方式， 有效避免了無線電載波之間的沖突， 保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｆ銶AC 層和PHY 層由IEEE802. 15. 4工作小組制定， NwK和APS則由Z igB ee聯(lián)盟來制定， 其他部分 ZDO ( Z igBee設備對象)和ZAO ( ZigBee應用對象)， 由用戶根據(jù)不同應用來完成。

　　( 2)以太網(wǎng)協(xié)議轉換。無線網(wǎng)關的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉換， 即將ZigBee無線通信協(xié)議轉換為以太網(wǎng)有線協(xié)議， 通過以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡。

　　IEEE802. 3 PHY和IEEE802. 3MAC分別為標準的以太網(wǎng)物理層和介質訪問層; IEEE802. 3 LLC 提供以太網(wǎng)幀與IP層接口， 傳輸層為標準TCP /UDP協(xié)議。

　　( 3)上層服務接口( high layer serv ice in terface)。

　　針對工業(yè)應用， 無線網(wǎng)關要求提供上層服務及接口，使用戶可以通過無線網(wǎng)關對現(xiàn)場設備進行組態(tài)、調校。上層服務接口位于ZigB ee APS層與TCP / IP層之間， 為系統(tǒng)實現(xiàn)各種服務提供通用接口。