基于ZigBee的無線網(wǎng)關(guān)解決方案

1 引 言

　　隨著無線通信技術(shù)逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域， 無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用逐漸增加， 而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議繁多， 多種通信標(biāo)準(zhǔn)并存， 因此不同傳輸介質(zhì)、不同速率、不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)問題也逐漸成為人們關(guān)注的重點。

　　Z igBee短程無線網(wǎng)通信技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)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(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，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(biāo)準(zhǔn)， 網(wǎng)絡(luò)層(NWK )和應(yīng)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(luò)， 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(shù)的以太網(wǎng)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(luò)。

　　以前的網(wǎng)關(guān)很多是用單片機(jī)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(jìn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)， 能夠更高效、快速地傳遞來自無線網(wǎng)絡(luò)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?qū)崿F(xiàn)Z igbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新節(jié)點的動態(tài)鏈接。

　　2 Z igBee無線網(wǎng)關(guān)解決方案

　　2. 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

　　一個連通Z igB ee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)該解決如下問題:

　　( 1)能與Z igBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點進(jìn)行通信， 同時控制、協(xié)調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間的通信。

　　( 2)能通過以太網(wǎng)接口與計算機(jī)實現(xiàn)有線通信。

　　( 3)為了實現(xiàn)Z igBee通信， 網(wǎng)絡(luò)需要相應(yīng)的底層驅(qū)動程序協(xié)議棧， 這就增加了系統(tǒng)內(nèi)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(luò)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(luò)節(jié)點需要發(fā)送的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)與外部以太網(wǎng)連接。而且， 當(dāng)節(jié)點越多， 網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度就越高， 對網(wǎng)關(guān)的處理速度會是個考驗。因而， 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計比一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點更復(fù)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(guān)結(jié)構(gòu)圖， 圖1( b)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖。

( b )無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

圖1 ZigB ee 無線網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

　　2. 2 通信模型設(shè)計

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

　　( 1)無線通信機(jī)制。現(xiàn)場設(shè)備與無線網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術(shù)。ZigB ee無線通信技術(shù)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?。其MAC 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(shè)備對象)和ZAO ( ZigBee應(yīng)用對象)， 由用戶根據(jù)不同應(yīng)用來完成。

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

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

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

　　針對工業(yè)應(yīng)用， 無線網(wǎng)關(guān)要求提供上層服務(wù)及接口，使用戶可以通過無線網(wǎng)關(guān)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、調(diào)校。上層服務(wù)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(wù)提供通用接口。