基于ZigBee的工業無線網關研究

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數據通信采用了ZigBee無線通信技術。ZigBee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ZigBee聯盟來制定，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IEEE802．3 MAC為標準的以太網物理層和介質訪問層，IEEE802．2 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 service interface)。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ZigBee APS層與TCP／IP層之間，為系統實現各種服務提供通用接口。

3 工業無線網關關鍵技術研究
3．1 網絡管理功能
(1)網絡形成
無線網關上電后，無線協議棧各層首先進行初始化，然后通過網絡請求原語來啟動一個新的網絡，僅當具有協調器能力且當前還沒有與網絡連接的網關設備才可以建立一個新的網絡。圖2所示為網絡形成流程。組網開始時，網絡層首先向MAC層請求分配協議所規定的信道，或者由PHY層進行有效信道掃描，網絡層管理實體等待信道掃描結果，然后根據掃描結果選擇可允許能量水平的信道。找到合適的信道后，為這個新的網絡選擇一個個域網標識符(PANID)。PANID可由網絡形成請求時指定，也可以隨機選擇一個PANID(除廣播PANID固定為0xFFFF外)，PANID在所選信道中應該是唯一的。PANID一旦選定，無線網關將選擇16位網絡地址0x0000作為自身短地址，同時進行相關設置。完成設置后，通過MAC層發出網絡啟動請求，返回網絡形成狀態。
(2)網絡維護網絡維護主要包括設備加入網絡和離開網絡過程。當網絡形成后，通過網絡管理實體設定MAC層連接許可標志來判斷是否允許其他設備加設備初始化為協調器入網絡。加入方式有聯合方式和直接方式，在協議實現中采取直接加入網絡方式。這種方式下由待加入的設備發送請求加入信標幀，網關接收到后，網絡管理實體首先判斷這個設備是否已存在于網絡。存在，則使其加入網絡；若不存在，則向設備發送信標幀，為這個設備分配一個網絡中唯一的16位的短地址。這里的信標幀是由網關無線協議MAC層生成作為PHY層載荷，它包含PANID、加入時隙分配等信息。網內設備也可以請求斷開網絡。當網關收到設備斷開連接請求后，MAC層向網絡層發送報告，開始執行斷開流程，從設備列表中刪除該設備相關信息。

3．2 系統管理
(1)地址映射
在無線傳輸中，網關主要根據地址信息來進行數據的發送和轉發。ZigBee通信協議中規定了兩種地址：64位的IEEE長地址和16位的短地址(SADDR)。IEEE長地址作為全局地址，可在大范圍內調用；短地址作為個域網地址，僅限于小范圍局域網內通信使用。為了方便設備間的信息傳送，在協議轉換過程中進行了地址映射。通過建立地址表存儲現場設備的短地址(網關通信短地址固定為0000H)，表中每個短地址對應一個設備對象標識符(Ob-jectID)，控制網絡協議根據ObjectID來對不同設備進行操作。如需實現組播功能，只須定義一組ObjectID作為網關目的地址，地址映射示例如表1所列。