2 ZigBee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?；趌inux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ZigBee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ZigBee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ZigBee無線傳感網(wǎng)絡各節(jié)點進行通信，同時控制、協(xié)調(diào)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)ZigBee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(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)絡中的新節(jié)點建立動態(tài)鏈接的能力。
每個ZigBee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 ZigBee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。現(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。ZigBee無線通信技術采用CSMACA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ZigBee聯(lián)盟來制定，其他部分ZDO(ZigBee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(zhì)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(diào)校。上層服務接口位于ZigBee 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。
2.3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
Zigbee協(xié)議軟件的構成包括硬件抽象層(HAL)，應用庫(CUL)和系統(tǒng)主程序。HAL是簡單的建立和使用外部的單元(例如，無線收發(fā)，計時器，AD變換等)。CUL提供了一個簡單的無線協(xié)議，一個管理器管理DMA通道和一個以軟件方式實現(xiàn)處理安排的多任務計時器。而系統(tǒng)的主程序提供了一個程序調(diào)用的接口和中斷。本軟件實現(xiàn)一個簡單的點對點數(shù)據(jù)傳輸，因此只需要一個精簡的數(shù)據(jù)包協(xié)議(SPP)。
簡單的協(xié)議包提供了簡單的數(shù)據(jù)包結構如表1，其中Length(長度)，接收信號強度(RSSI)和鏈路質(zhì)量LQI區(qū)域由芯片設置，dest src address 和flags區(qū)域由SPP設置，Pay lOAd(length-5bytes)區(qū)域為有效的載荷由用戶設置(最大125字節(jié))。
表1 簡單的數(shù)據(jù)包結構
數(shù)據(jù)包的字節(jié)長度不包括長度字節(jié)本身，目的地址和源地址每一個為一個字節(jié)，另外，0x00是廣播地址，這一地址的數(shù)據(jù)包被所有的節(jié)點接收，標志包括ACK位，一個ACK請求(DO_ACK)。通過重傳顯示、序列號位、序列號及重傳的位共同作用從而能夠區(qū)分新的數(shù)據(jù)包和當前接收的數(shù)據(jù)包，RSSI和LQI顯示接收信號強度和鏈路的質(zhì)量，LQI的第8位顯示是否CRC校驗成功或失敗。
Zigbee數(shù)據(jù)包發(fā)送的部分流程圖如圖2所示，接收數(shù)據(jù)的部分流程圖如圖3所示。
圖2 發(fā)送數(shù)據(jù)的部分流程圖
圖3 接收數(shù)據(jù)的部分流程圖
2.4 ZigBee無線網(wǎng)關關鍵技術研究
2.4.1 網(wǎng)絡管理功能
(1)網(wǎng)絡形成。無線網(wǎng)關上電后，無線協(xié)議棧各層首先進行初始化，然后通過網(wǎng)絡請求來啟動一個新的網(wǎng)絡(僅具有協(xié)調(diào)器能力且當前還沒有與網(wǎng)絡連接的網(wǎng)關設備才可以建立一個新的網(wǎng)絡)。
組網(wǎng)開始時，網(wǎng)絡層首先向MAC層請求分配協(xié)議所規(guī)定的信道，或者由PHY層進行有效信道掃描，網(wǎng)絡層管理實體等待信道掃描結果，然后根據(jù)掃描結果選擇可允許能量水平的信道。找到合適的信道后，為這個新的網(wǎng)絡選擇一個域網(wǎng)標識符(PAN ID)。
PAN ID可由網(wǎng)絡形成請求時指定，也可以隨機選擇一個PAN ID(除廣播PAN ID固定為0xFFFF外)，PAN ID在所選信道中應該是唯一的。PAN ID一旦選定，無線網(wǎng)關將選擇16位網(wǎng)絡地址0x0000作為自身短地址，同時進行相關設置。完成設置后，通過MAC層發(fā)出網(wǎng)絡啟動請求，返回網(wǎng)絡形成狀態(tài)。
(2)網(wǎng)絡維護。網(wǎng)絡維護主要包括設備加入網(wǎng)絡和離開網(wǎng)絡過程。當網(wǎng)絡形成后，通過網(wǎng)絡管理實體設定MAC層連接許可標志來判斷是否允許其他設備加入網(wǎng)絡。加入方式有聯(lián)合方式和直接方式，在協(xié)議實現(xiàn)中采取直接加入網(wǎng)絡方式。這種方式下由待加入的設備發(fā)送請求加入信標幀，網(wǎng)關接收到后，網(wǎng)絡管理實體首先判斷這個設備是否已存在于網(wǎng)絡。若存在，則使其加入網(wǎng)絡；若不存在，則向設備發(fā)送信標幀，為這個設備分配一個網(wǎng)絡中唯一的16位短地址。這里的信標幀是由網(wǎng)關無線協(xié)議MAC層生成作為PHY層載荷，它包含PAN ID、加入時隙分配等信息。網(wǎng)內(nèi)設備也可以請求斷開網(wǎng)絡。當網(wǎng)關收到設備斷開連接請求后，MAC層向網(wǎng)絡層發(fā)送報告，開始執(zhí)行斷開流程，從設備列表中刪除該設備相關信息。
2.4.2 ZigBee/以太網(wǎng)協(xié)議轉換
ZigBee無線網(wǎng)關協(xié)議轉換主要是實現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)報文與以太網(wǎng)報文的雙向轉換。圖4所示為兩種協(xié)議報文格式轉換圖。
圖4 協(xié)議轉換圖
圖中給出了協(xié)議開發(fā)中定義每一層的字節(jié)數(shù)，其中PAYLOAD字節(jié)數(shù)可變，最大不超過127B。當無線網(wǎng)關射頻部分(PHY層)接收到數(shù)據(jù)報文，根據(jù)ZigBee通信協(xié)議從PHY到APS解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP(UDP)/IP(42B)的報文格式，交由滿足IEEE802.3以太網(wǎng)通信協(xié)議的網(wǎng)卡處理，從而實現(xiàn)將無線接收到的信息傳輸?shù)酵獠靠刂凭W(wǎng)絡中。
3 應用分析
3.1 應用前景
基于ZigBee網(wǎng)絡的低成本、易控制、低功耗、組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡健壯等特點，特別適用于智能家居控制，同時它也廣泛用于工業(yè)、汽車自動化、農(nóng)業(yè)自動化、醫(yī)療控制設備等。將來還可通過遠程控制(甚至可以是手機)來實現(xiàn)對樓宇自動化設備的管理。
有理由相信在不遠的將來，將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設備進入大家的生活。
3. 2 智能家居網(wǎng)絡
ZigBee技術的短距離、安全可靠、低成本等技術特點完全符合家庭網(wǎng)絡通訊的需要，因此選擇ZigBee技術構建智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)，智能家居控制中心與各模塊之間都是通過ZigBee通信。
智能家居網(wǎng)絡包括環(huán)境照明系統(tǒng)，家庭影院影音系統(tǒng)，安防監(jiān)控系統(tǒng)，公共廣播/背景音樂系統(tǒng)，空調(diào)系統(tǒng)，電動窗簾等一系列家居控制系統(tǒng)的智能集中控制。如，回到家中，只需要手指輕點觸摸屏的一個按鈕，即可實現(xiàn)燈光打開、空調(diào)調(diào)至合適溫度、音響播放悅耳的樂曲；睡覺前用無線觸摸屏的面板輕觸?睡眠模式#，便可讓窗簾關閉、燈光調(diào)至合適的亮度、電視機自動關閉等用戶所需要的設置。而ZigBee無線網(wǎng)關則作為各無線模塊的協(xié)調(diào)器，通過以太網(wǎng)來管理無線網(wǎng)絡。
4 結束語
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)絡的通信協(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)絡之間的互聯(lián)問題也逐漸成為人們關注的重點。ZigBee無線通信技術的無線網(wǎng)關在實現(xiàn)無線測控系統(tǒng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的同時也可以完成對無線網(wǎng)絡的管理，優(yōu)化了整個工業(yè)通信網(wǎng)絡，為工業(yè)控制領域從有線向無線延伸提供了一種有效的解決途徑。