基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)解決方案

1 引 言

　　隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域， 無(wú)線(xiàn)通信系統在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )中的應用逐漸增加， 而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議繁多， 多種通信標準并存， 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(wèn)題也逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。

　　Z igBee短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)通信技術(shù)以其數據傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)易靈活、設備成本低、電池壽命長(cháng)等優(yōu)勢， 成為近年來(lái)業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一。Z igB ee技術(shù)是一個(gè)具有統一技術(shù)標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其物理層( PHY) 和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC )協(xié)議基于IEEE802. 15. 4協(xié)議標準， 網(wǎng)絡(luò )層(NWK )和應用層( APS) 由Z igBee 聯(lián)盟來(lái)制定。為了更方便地控制ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )， 讓各無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )相連通， 從而實(shí)現通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)控制ZigB ee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

　　以前的網(wǎng)關(guān)很多是用單片機來(lái)實(shí)現， 現把嵌入式系統的高速處理器和操作系統加進(jìn)網(wǎng)關(guān)系統， 能夠更高效、快速地傳遞來(lái)自無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據包和來(lái)自以太網(wǎng)的用戶(hù)控制命令， 同時(shí)還能夠實(shí)現Z igbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )新節點(diǎn)的動(dòng)態(tài)鏈接。

　　2 Z igBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)解決方案

　　2. 1 系統結構

　　無(wú)線(xiàn)傳感器系統對網(wǎng)關(guān)的要求較高， 技術(shù)實(shí)現上比較復雜， 所以網(wǎng)關(guān)采用嵌入式系統技術(shù)。基于linux 操作系統本身的易于移植、開(kāi)源、優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò )支持等優(yōu)點(diǎn)， 采用ARM9處理器加上linux操作系統來(lái)設計Z igBee與TCP / IP間通信的網(wǎng)關(guān)。嵌入式系統與ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )相結合， 可以更好地控制網(wǎng)絡(luò )的信息傳遞。

　　一個(gè)連通Z igB ee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)應該解決如下問(wèn)題:

　　( 1)能與Z igBee 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )各節點(diǎn)進(jìn)行通信， 同時(shí)控制、協(xié)調無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )間的通信。

　　( 2)能通過(guò)以太網(wǎng)接口與計算機實(shí)現有線(xiàn)通信。

　　( 3)為了實(shí)現Z igBee通信， 網(wǎng)絡(luò )需要相應的底層驅動(dòng)程序協(xié)議棧， 這就增加了系統內控制器對程序存儲器的需求等。

　　( 4)具備與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的新節點(diǎn)建立動(dòng)態(tài)鏈接的能力。

　　每個(gè)ZigB ee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)需要發(fā)送的數據都要經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)與外部以太網(wǎng)連接。而且， 當節點(diǎn)越多， 網(wǎng)絡(luò )的復雜程度就越高， 對網(wǎng)關(guān)的處理速度會(huì )是個(gè)考驗。因而， 網(wǎng)關(guān)的設計比一般的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)更復雜， 需要的資源也比一般的節點(diǎn)多。圖1( a)為ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)結構圖， 圖1( b)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)結構圖。

( b )無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)結構圖

圖1 ZigB ee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。通信模型主要包括以下3個(gè)方面:

　　( 1)無(wú)線(xiàn)通信機制?，F場(chǎng)設備與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)之間的數據通信采用了ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigB ee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)采用CSMA CA接入方式， 有效避免了無(wú)線(xiàn)電載波之間的沖突， 保證了數據傳輸的可靠性。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(lái)制定， 其他部分 ZDO ( Z igBee設備對象)和ZAO ( ZigBee應用對象)， 由用戶(hù)根據不同應用來(lái)完成。

　　( 2)以太網(wǎng)協(xié)議轉換。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的接入功能主要體現在協(xié)議轉換， 即將ZigBee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議轉換為以太網(wǎng)有線(xiàn)協(xié)議， 通過(guò)以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡(luò )。

　　IEEE802. 3 PHY和IEEE802. 3MAC分別為標準的以太網(wǎng)物理層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)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(wù)接口( high layer serv ice in terface)。

　　針對工業(yè)應用， 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)要求提供上層服務(wù)及接口，使用戶(hù)可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)對現場(chǎng)設備進(jìn)行組態(tài)、調校。上層服務(wù)接口位于ZigB ee APS層與TCP / IP層之間， 為系統實(shí)現各種服務(wù)提供通用接口。