基于ZigBee的無線網關解決方案

1 引 言

　　隨著無線通信技術逐漸進入工業領域， 無線通信系統在工業通信網絡中的應用逐漸增加， 而目前工業通信網絡通信協議繁多， 多種通信標準并存， 因此不同傳輸介質、不同速率、不同通信協議的網絡之間的互聯問題也逐漸成為人們關注的重點。

　　Z igBee短程無線網通信技術以其數據傳輸安全可靠、組網簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優勢， 成為近年來業界的研究熱點之一。Z igB ee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其物理層( PHY) 和媒體訪問控制層(MAC )協議基于IEEE802. 15. 4協議標準， 網絡層(NWK )和應用層( APS) 由Z igBee 聯盟來制定。為了更方便地控制ZigBee無線傳感器網絡， 讓各無線節點間有序、高效地工作， 有必要將已經非常成熟的基于TCP / IP技術的以太網與ZigBee無線傳感網絡相連通， 從而實現通過以太網來控制ZigB ee 無線傳感器網絡。

　　以前的網關很多是用單片機來實現， 現把嵌入式系統的高速處理器和操作系統加進網關系統， 能夠更高效、快速地傳遞來自無線網絡的數據包和來自以太網的用戶控制命令， 同時還能夠實現Z igbee無線傳感器網絡新節點的動態鏈接。

　　2 Z igBee無線網關解決方案

　　2. 1 系統結構

　　無線傳感器系統對網關的要求較高， 技術實現上比較復雜， 所以網關采用嵌入式系統技術。基于linux 操作系統本身的易于移植、開源、優異的網絡支持等優點， 采用ARM9處理器加上linux操作系統來設計Z igBee與TCP / IP間通信的網關。嵌入式系統與ZigBee無線傳感器網絡相結合， 可以更好地控制網絡的信息傳遞。

　　一個連通Z igB ee 無線傳感器網絡和以太網的網關應該解決如下問題:

　　( 1)能與Z igBee 無線傳感網絡各節點進行通信， 同時控制、協調無線傳感器網絡間的通信。

　　( 2)能通過以太網接口與計算機實現有線通信。

　　( 3)為了實現Z igBee通信， 網絡需要相應的底層驅動程序協議棧， 這就增加了系統內控制器對程序存儲器的需求等。

　　( 4)具備與無線傳感器網絡中的新節點建立動態鏈接的能力。

　　每個ZigB ee 無線傳感器網絡節點需要發送的數據都要經過網關與外部以太網連接。而且， 當節點越多， 網絡的復雜程度就越高， 對網關的處理速度會是個考驗。因而， 網關的設計比一般的無線傳感器網絡節點更復雜， 需要的資源也比一般的節點多。圖1( a)為ZigBee無線網關結構圖， 圖1( b)為無線傳感器網絡節點結構圖。

( b )無線傳感器網絡節點結構圖

圖1 ZigB ee 無線網關與無線傳感器網絡節點結構圖

　　2. 2 通信模型設計

　　基于以上分析， 針對工業應用設計了一種用于接入工業以太網的無線網關。通信模型主要包括以下3個方面:

　　( 1)無線通信機制。現場設備與無線網關之間的數據通信采用了ZigBee無線通信技術。ZigB ee無線通信技術采用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聯盟來制定， 其他部分 ZDO ( Z igBee設備對象)和ZAO ( ZigBee應用對象)， 由用戶根據不同應用來完成。

　　( 2)以太網協議轉換。無線網關的接入功能主要體現在協議轉換， 即將ZigBee無線通信協議轉換為以太網有線協議， 通過以太網接入控制網絡。

　　IEEE802. 3 PHY和IEEE802. 3MAC分別為標準的以太網物理層和介質訪問層; IEEE802. 3 LLC 提供以太網幀與IP層接口， 傳輸層為標準TCP /UDP協議。

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

　　針對工業應用， 無線網關要求提供上層服務及接口，使用戶可以通過無線網關對現場設備進行組態、調校。上層服務接口位于ZigB ee APS層與TCP / IP層之間， 為系統實現各種服務提供通用接口。