基于ZigBee的工業無線網關研究

摘要 為實現無線網絡與外部有線控制網絡的互聯，開發了一種用于接入工業以太網的無線網關。通過對無線網關應用需求進行分析，設計了基于ZigBee無線通信技術的網關通信模型，重點研究了無線網關實現中的相關關鍵技術，如網絡管理、系統管理以及協議轉換等。最后，介紹了測試ZigBee無線網關的方法并給出了相應測試界面。測試結果表明，ZigBee無線網關能較好地實現模型設計中提出的各項功能，為工業無線網絡與有線網絡的互操作性提供了一種有效解決途徑。
關鍵詞 ZigBee無線通信 工業無線網關 無線測控系統 網絡管理 協議轉換

引 言
基于對監控數據傳輸的實時性、數據接口的開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始研究并組建工業無線測控系統。ZigBee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。美國儀表系統和自動化學會已成立工業無線標準委員會(ISA1OO)。該委員會專門致力于工業無線技術的標準化進程，預計2008年底出臺正式標準。ISA100標準的制定目的是讓工業無線設備以低復雜度、合理的成本和低功耗、適當的數據通信速率去支持工業現場應用。標準主要內容包括工業無線的網絡構架、共存性、健壯性、與有線現場網絡的互操作性等。本設計項目為一種工業無線網關，主要用于解決工業無線網絡與有線網絡的互操作性問題。

1 ZigBee無線通信技術簡介
ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，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ZigBee聯盟來制定。ZigBee技術定義其工作在*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。基于ZigBee技術的通信設備有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節點擴展覆蓋范圍，因此比較適用于工業控制，遠程控制等相關領域。ZigBee通信設備可自由靈活地加入和離開網絡，自身的低功耗和低成本延長了設備的工作時間，降低了系統整體成本。

2 工業無線網關模型設計
2．1 需求分析
目前工業中使用的無線網關主要采用802．11b、GPRS、藍牙等通信技術，成本高、功耗高、移動性差以及安全性差等限制了這類傳統網關的應用，采用ZigBee無線通信技術可以較大程度上改進這些性能。ZigBee無線網關因其技術優勢在工業應用中可逐漸取代傳統網關，目前已開始在小范圍搭建工業測控系統進行測試應用。在功能上，傳統網關主要完成協議轉換及部分系統管理功能，而ZigBee無線網關作為無線網絡接入有線網絡的接入部件，除了具備傳統網關的功能外，還應具備一些特有的功能：具備對無線網絡的管理功能，包括無線網絡形成、無線設備加入和斷開等管理功能；在協議轉換方面，必須同時開發無線、有線協議，數據包在無線和有線間轉換；為實現對無線網絡的監測和控制，在無線和有線協議開發中必須考慮為上層提供相應服務及服務接口。
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人工業以太網的無線網關。無線網關的通信模型如圖1所示。