基于ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)間數據傳輸系統的研究

　　利用ZigBee技術(shù)開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應用系統，ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)之間的數據傳輸系統是掌握應用系統開(kāi)發(fā)主動(dòng)權的重要研究對象。文中介紹了ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)之間基于異構網(wǎng)絡(luò )數據傳輸系統的概況，探討了監控系統中ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)數據傳輸機制的過(guò)程，以及ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)間數據幀轉換及交互的實(shí)現。

　　ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的一種低速率、短距離的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳輸技術(shù)。其應用簡(jiǎn)單，適用于數據采集量小，數據傳輸的速率相對較低，以及分布范圍有限的情況下。只要保證不斷電其對數據的安全性是可靠的，在這些條件下，其有一個(gè)顯著(zhù)的特點(diǎn)就是成本和功耗較低，且容易安裝并無(wú)需頻段注冊。在目前標準眾多短距離無(wú)線(xiàn)傳輸的通信領(lǐng)域中，ZigBee的發(fā)展速度遠超過(guò)了其他類(lèi)的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。ZigBee不僅在工業(yè)、軍事、農業(yè)等領(lǐng)域而且在日常生活中應用廣泛，對現代化的生活具有較高的應用價(jià)值。本文對ZigBee網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)絡(luò )間異構數據傳輸過(guò)程進(jìn)行了研究。

　　1系統總體設計

　　ZigBee是短距離、低耗、低復雜度的雙向無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，它可嵌入各種相關(guān)設備以提高監控的應用范圍。要運用其來(lái)開(kāi)發(fā)應用系統，必須揚長(cháng)避短地應用ZigBee技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳輸系統的信號采集工作通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的傳感器節點(diǎn)進(jìn)行，傳感器網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)數量可達成千上萬(wàn)，眾多傳感器協(xié)同工作，自組網(wǎng)多點(diǎn)路由地傳輸數據，實(shí)現多方位、廣范圍地采集準確數據。這些大量的傳感器節點(diǎn)作為ZigBee節點(diǎn)的一員組成了系統的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )。無(wú)線(xiàn)傳輸系統利用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將采集來(lái)的信號變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過(guò)模/數轉化，將其信號儲存于數據存儲器中，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器發(fā)射到網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過(guò)對數據進(jìn)行ZigBee方式的解包和按照以太網(wǎng)傳輸模式再次打包的方式上傳送以太網(wǎng)，從而完成ZigBee網(wǎng)數據到以太網(wǎng)的整個(gè)轉換、傳輸和交互過(guò)程，系統結構如圖1所示。

　　圖1 系統總體結構圖

　　整個(gè)數據傳輸系統分為3部分，其中ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)關(guān)是實(shí)現兩種異構網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸的重要環(huán)節。其兩部分包括處理整個(gè)數據傳輸系統的微處理器和用于進(jìn)行數據儲存的存儲器，以及連接網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)絡(luò )接口等硬件設備。

　　2系統硬件設計

　　2.1 ZigBee網(wǎng)節點(diǎn)的設計

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )是由相當量的節點(diǎn)組成，每個(gè)自帶電源的ZigBee節點(diǎn)均有可在需要時(shí)自主的進(jìn)行數據的采集、簡(jiǎn)單融合和數據信息發(fā)送等功能。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )這種多節點(diǎn)的網(wǎng)狀拓撲結構，使得每個(gè)節點(diǎn)都發(fā)揮著(zhù)路由器或者中繼的作用，由于每個(gè)節點(diǎn)的作用增強從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )范圍也成倍的擴大。在ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )中，為獲取大量的數據信息，通常在監測區域內布置了大量的傳感器節點(diǎn)。由于各種因素造成節點(diǎn)存在復雜的不確定性，這就要求傳感器節點(diǎn)具有自組網(wǎng)的能力，自動(dòng)路由轉發(fā)監測的數據。然而作為節點(diǎn)的通信距離有限，節點(diǎn)也需作為一個(gè)中間節點(diǎn)進(jìn)行路由來(lái)達到與之范圍內以外的節點(diǎn)通信。眾多傳感器節點(diǎn)采用部分拓撲結構，也在較大程度上擴寬了節點(diǎn)的通信范圍。這就使ZigBee節點(diǎn)的路由能力增強。

　　節點(diǎn)采集數據完畢后，要進(jìn)行處理和存儲，需要通過(guò)微處理器和存儲器的協(xié)作。而數據的收發(fā)則通過(guò)節點(diǎn)中的RF收發(fā)單元完成。所以一般傳感器網(wǎng)絡(luò )中的ZigBee節點(diǎn)可由傳感器單元、處理單元、RF收發(fā)單元、存儲單元以及電源單元等模塊組成，其結構如圖2所示。

　　圖2 ZigBee節點(diǎn)結構圖

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)在微處理單元的控制下進(jìn)行數據的采集、處理、接收和發(fā)送。各個(gè)模塊的功能分別為：

　　(1)傳感器單元的功能是進(jìn)行數據采集。把采集到的信號轉化為電信號，通過(guò)A/D接口在微處理單元的控制下進(jìn)行模/數轉換，將電信號轉化為數字信號。根據采集環(huán)境的不同選擇相應的傳感器。

　　(2)ZigBee的RF收發(fā)單元通過(guò)SPI接口和微處理器MCU進(jìn)行交互，從而完成與其他節點(diǎn)間數據的收發(fā)和控制信息的交換。而收發(fā)單元芯片一般選用CC2420這款RF收發(fā)器件，因為CC2420的選擇性和敏感性指數超過(guò)了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用該芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸率高達250 kbit.s-1可以實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

　　(3)存儲單元則是用來(lái)存儲處理過(guò)后的采集數據，便于重新打包發(fā)送。

　　(4)電源是ZigBee節點(diǎn)能否生存的關(guān)鍵，微處理部件顯而易見(jiàn)成為了執行命令的發(fā)起者與協(xié)調者，起到了中樞系統的作用。

　　2.2網(wǎng)關(guān)

　　ZigBee網(wǎng)采集的數據信息靠自身的能力是不可能將數據信息傳輸與監測中心的上位機，重要途徑是通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )而到達目的地，ZigBee網(wǎng)和以太網(wǎng)是兩個(gè)異構網(wǎng)絡(luò )，其之間不能進(jìn)行直接數據交換傳輸，網(wǎng)關(guān)起著(zhù)網(wǎng)絡(luò )傳輸紐帶的作用。網(wǎng)關(guān)的設計主要由處理芯片與以太網(wǎng)控制芯片兩部分結合以達到不同網(wǎng)絡(luò )間數據傳輸的效果。網(wǎng)關(guān)結構框圖如圖3所示。

　　圖3 網(wǎng)關(guān)結構圖

　　網(wǎng)關(guān)的主要作用分為ZigBee網(wǎng)接收和以太網(wǎng)發(fā)送兩部分：

　　(1)網(wǎng)關(guān)中的ZigBee收發(fā)單元接收Z(yǔ)igBee節點(diǎn)采集到的并以數據包形式發(fā)送來(lái)的數據信息，然后通過(guò)串行外圍接口(SPI)發(fā)送給MCU，MCU經(jīng)過(guò)處理后解析出有用的ZigBee數據，儲存于存儲單元中。完成ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )與網(wǎng)關(guān)的數據通信。

　　(2)以太網(wǎng)控制芯片RTL8091AS是以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據交換的控制器。網(wǎng)關(guān)解析出ZigBee數據，發(fā)送到以太網(wǎng)控制芯片進(jìn)行數據處理，把數據寫(xiě)入RTL8091 AS的數據區域，然后對數據進(jìn)行TCP/IP數據幀封裝，再啟動(dòng)RTL8091AS發(fā)送封裝好的TCP/IP數據幀到以太網(wǎng)進(jìn)行數據的傳輸交換。

　　以上兩個(gè)步驟完成了數據從ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )到以太網(wǎng)絡(luò )的傳遞。反之數據要從以太網(wǎng)絡(luò )到ZigBee網(wǎng)絡(luò )，則先需要驗證IP地址是否正確，然后上位機發(fā)送請求到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到請求將TCP/IP數據包解壓，然后解析出有用的數據信息打包成ZigBee數據包，再通過(guò)網(wǎng)關(guān)中的ZigBee收發(fā)單元以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送給ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )。這就實(shí)現了由以太網(wǎng)絡(luò )到傳感器網(wǎng)絡(luò )數據包透明轉換和無(wú)線(xiàn)傳輸。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )和網(wǎng)關(guān)是本文研究ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)間異構數據傳輸的重要組成部分，是實(shí)現數據傳輸必須的硬件平臺。

　　3系統數據傳輸軟件設計

　　對于系統的軟件設計采用監控因事件喚醒模式，這樣ZigBee低功耗的特點(diǎn)得到充分的體現。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò )中有大量的傳感器節點(diǎn)，采用事件驅動(dòng)喚醒工作模式說(shuō)明在運用到該節點(diǎn)時(shí)它才進(jìn)行數據的采集、收發(fā)，未使用時(shí)處于休息狀態(tài)。在發(fā)送數據后則需判斷下一個(gè)節點(diǎn)是否接收成功，如接收成功則說(shuō)明此節點(diǎn)在通信范圍內。這就避免了每個(gè)節點(diǎn)均工作而帶來(lái)的高功耗。另外節點(diǎn)間的通信采用CRE校驗來(lái)確保通信的誤碼率在可控安全范圍內。這是ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )采用的軟件模式。而對于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)絡(luò )兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò )間的數據傳輸軟件的整體流程設計如圖4所示。

　　圖4 數據傳輸軟件整體流程圖