基于ZigBee的工業無線網關研究

128．128．2．202為網關在工業以太網內分配的IP地址，用于有線網絡設備信息交換；0x000000220001、0x000000220002等為無線網絡IEEE64位長地址，0x1347為16位的個域網標識符(PANI)ID)，0xl699、0x169A為16位設備短地址(SADDR)。無線設備間通信可采用兩種方式：長地址或PANID+SADDR。兩種方式均對應于一個ObjeetID，地址映射減少了通信傳輸的字節數，從而提高了通信效率。
(2) 進程通信機制
為了提高系統的實時性，進程間通信采用消息觸發的方式，在有線協議(以太網)的開發中移植了嵌入式實時操作系統μc／OS-II。進程間通信主要通過調用μC／0S―II的消息函數――消息請求0SQrequest()和消息觸發OSQpost()來實現。在協議開發中，根據不同協議堆棧中不同層完成的功能進行進程任務劃分，根據任務優先級來確定任務調用次序，未被觸發的任務始終處于消息請求狀態。如果同一時刻兩個任務被觸發，則根據優先級觸發優先級高的任務，而優先級低的任務處于等待狀態。
3．3 無線／以太網協議轉換
ZigBee無線網關協議轉換主要是實現ZigBee數據報文與以太網報文雙向轉換。圖3所示為兩種協議報文格式轉換圖。圖中給出了協議開發中定義每一層的字節數，其中PAYLOAD字節數可變，最大不超過127 B。當無線網關射頻部分(PHY層)接收到數據報文，根據ZigBee通信協議從PHY到APS解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP(UDP)／IP(42 B)的報文格式，交由滿足IEEE802．3以太網通信協議的網卡處理，從而實現將無線接收到的信息傳輸到外部控制網絡中。

3．4 服務定義及實現
為實現有線網絡與無線網絡的信息交互及控制功能，無線網關須完成相應的服務功能。無線網關提供的基本服務主要有：讀／寫服務、信息分發服務、設備上線服務。服務功能在網絡連接成功后開始實現，不同服務對應不同的服務號。讀寫服務主要是針對設備參數的讀取和設置；信息分發服務是將無線通信設備采集到的數據周期性地分發到網關，網關再轉發到控制網絡；設備上線服務是標示設備當前狀態，即上線、掉線，該服務的服務類型為周期性，其他服務必須在此服務之后才能執行。各種服務雖然完成不同的功能，但都通過同一服務接口，因此在實現中設計了一套相同的服務報文格式：

服務報文主要包含以下幾個關鍵部分：短地址、服務號、參數索引。CRC為安全校驗，LQI為鏈接質量，PHYheader、MAC header、NwK header和APS header分別為物理層、媒體訪問控制層、網絡層和應用層頭字節，字節數與圖3中的規定相同。

4 功能測試
無線網關硬件設計采用雙CPU模式，即AT91R40008+CC2430模式。AT91R40008是一款基于ARM7內核的處理器，在網關開發中用于承載以太網協議；CC2430是一款基于IEEE802．15．4協議的無線通信芯片，它包括1個2．4 GHz的射頻收發器和1顆工業級小巧高效的8051控制器，用于承載無線通信協議。這種解決方案能夠提高系統性能并滿足以ZigBee為基礎的2．4GHz的ISM波段應用需求。
4．1 測試方法
對無線網關的測試主要采用兩款工具軟件――TI公司的Packet Sniffer forCC2430和免費開源的Ethereal，主要測試無線網關數據的收發功能、協議轉換正確性以及無線網絡管理功能等。Packet Sniffel for CC2430為無線通信協議分析軟件，配合C51RF一3無線網絡協議分析儀可以捕獲空中ZigBee無線數據報文；Ethereal為專用于通過網口捕獲以太網報文的以太網協議分析軟件。測試時，可通過兩款協議分析軟件分別捕獲無線和以太網數據報文，對這兩種報文進行分析比較，從而完成對無線網關相關功能的驗證；同時也可通過無線網關建立無線測控系統，通過專用無線組態軟件對系統進行相關功能測試，從而驗證無線網關功能。
4．2 測試界面及分析
(1)數據收發及協議轉換功能驗證
圖4所示為Packet Sniffer for CC2430捕獲空中的無線數據報文。無線數據報文包括接收時問(Time)、幀長度(Length)、幀控制域(Frame controlfield)、序列號(Sequence number)、個域網標識符(PANID)、目的地／源地址(Dest／Source Address)等信息。畫線部分(16 99 1401 00 04 01 OO 01 09 08 02 00)為無線報文中的實時數據。此數據為無線設備發送出的無線報文有效載荷，由無線網關CC2430射頻部分接收。