基于ZigBee的工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)研究

摘要 為實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與外部有線(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)，開(kāi)發(fā)了一種用于接入工業(yè)以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。通過(guò)對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)應用需求進(jìn)行分析，設計了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的網(wǎng)關(guān)通信模型，重點(diǎn)研究了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)實(shí)現中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò )管理、系統管理以及協(xié)議轉換等。最后，介紹了測試ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的方法并給出了相應測試界面。測試結果表明，ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)能較好地實(shí)現模型設計中提出的各項功能，為工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的互操作性提供了一種有效解決途徑。
關(guān)鍵詞 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信 工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān) 無(wú)線(xiàn)測控系統 網(wǎng)絡(luò )管理 協(xié)議轉換

引 言
基于對監控數據傳輸的實(shí)時(shí)性、數據接口的開(kāi)放性以及數據鏈接的安全性的要求，國內外許多公司和研究機構開(kāi)始研究并組建工業(yè)無(wú)線(xiàn)測控系統。ZigBee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。美國儀表系統和自動(dòng)化學(xué)會(huì )已成立工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準委員會(huì )(ISA1OO)。該委員會(huì )專(zhuān)門(mén)致力于工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的標準化進(jìn)程，預計2008年底出臺正式標準。ISA100標準的制定目的是讓工業(yè)無(wú)線(xiàn)設備以低復雜度、合理的成本和低功耗、適當的數據通信速率去支持工業(yè)現場(chǎng)應用。標準主要內容包括工業(yè)無(wú)線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )構架、共存性、健壯性、與有線(xiàn)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )的互操作性等。本設計項目為一種工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，主要用于解決工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的互操作性問(wèn)題。

1 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)簡(jiǎn)介
ZigBee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)，該標準把低功耗、低速率傳輸、低成本、低復雜度作為重要目標。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ZigBee聯(lián)盟來(lái)制定。ZigBee技術(shù)定義其工作在*基金項目：國家863計劃項目，基于802．15．4的智能儀表(編號2006AA040302-2)。2．4 GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20 kb／s～250 kb／s?；赯igBee技術(shù)的通信設備有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節點(diǎn)擴展覆蓋范圍，因此比較適用于工業(yè)控制，遠程控制等相關(guān)領(lǐng)域。ZigBee通信設備可自由靈活地加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，自身的低功耗和低成本延長(cháng)了設備的工作時(shí)間，降低了系統整體成本。

2 工業(yè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)模型設計
2．1 需求分析
目前工業(yè)中使用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)主要采用802．11b、GPRS、藍牙等通信技術(shù)，成本高、功耗高、移動(dòng)性差以及安全性差等限制了這類(lèi)傳統網(wǎng)關(guān)的應用，采用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)可以較大程度上改進(jìn)這些性能。ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)因其技術(shù)優(yōu)勢在工業(yè)應用中可逐漸取代傳統網(wǎng)關(guān)，目前已開(kāi)始在小范圍搭建工業(yè)測控系統進(jìn)行測試應用。在功能上，傳統網(wǎng)關(guān)主要完成協(xié)議轉換及部分系統管理功能，而ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)作為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接入有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的接入部件，除了具備傳統網(wǎng)關(guān)的功能外，還應具備一些特有的功能：具備對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的管理功能，包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )形成、無(wú)線(xiàn)設備加入和斷開(kāi)等管理功能；在協(xié)議轉換方面，必須同時(shí)開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)、有線(xiàn)協(xié)議，數據包在無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)間轉換；為實(shí)現對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的監測和控制，在無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)協(xié)議開(kāi)發(fā)中必須考慮為上層提供相應服務(wù)及服務(wù)接口。
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人工業(yè)以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的通信模型如圖1所示。