摘要：隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新技術(shù)高度交叉融合，出現(xiàn)了許多新的信息獲取和處理模式。介紹了一種采用ZigBee無線通信技術(shù)的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)，它在實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線測控系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的同時(shí)也可以完成對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的管理。重點(diǎn)研究了無線網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理以及協(xié)議轉(zhuǎn)換等。工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化了整個(gè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，為工業(yè)控制領(lǐng)域從有線向無線延伸提供了一種有效的解決途徑。
1 引言
隨著無線通信技術(shù)逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用逐漸增加，而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議繁多，多種通信標(biāo)準(zhǔn)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(luò)之間的互聯(lián)問題也逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。
ZigBee短程無線網(wǎng)通信技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，成為近年來業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一。ZigBee技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，其物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)協(xié)議基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APS)由ZigBee聯(lián)盟來制定。為了更方便地控制ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓各無線節(jié)點(diǎn)間有序、高效地工作，有必要將已經(jīng)非常成熟的基于TCP/IP技術(shù)的以太網(wǎng)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)相連通，從而實(shí)現(xiàn)通過以太網(wǎng)來控制ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
以前的網(wǎng)關(guān)很多是用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)把嵌入式系統(tǒng)的高速處理器和操作系統(tǒng)加進(jìn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，能夠更高效、快速地傳遞來自無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包和來自以太網(wǎng)的用戶控制命令，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)鏈接。
2 ZigBee無線網(wǎng)關(guān)解決方案
2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
無線傳感器系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)關(guān)的要求較高，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜，所以網(wǎng)關(guān)采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)�；趌inux操作系統(tǒng)本身的易于移植、開源、優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)，采用ARM9處理器加上linux操作系統(tǒng)來設(shè)計(jì)ZigBee與TCP/IP間通信的網(wǎng)關(guān)。嵌入式系統(tǒng)與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，可以更好地控制網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞。
一個(gè)連通ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)該解決如下問題：
(1)能與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，同時(shí)控制、協(xié)調(diào)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間的通信。
(2)能通過以太網(wǎng)接口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)有線通信。
(3)為了實(shí)現(xiàn)ZigBee通信，網(wǎng)絡(luò)需要相應(yīng)的底層驅(qū)動(dòng)程序協(xié)議棧，這就增加了系統(tǒng)內(nèi)控制器對(duì)程序存儲(chǔ)器的需求等。
(4)具備與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的新節(jié)點(diǎn)建立動(dòng)態(tài)鏈接的能力。
每個(gè)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)都要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)與外部以太網(wǎng)連接。而且，當(dāng)節(jié)點(diǎn)越多，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度就越高，對(duì)網(wǎng)關(guān)的處理速度會(huì)是個(gè)考驗(yàn)。因而，網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)比一般的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更復(fù)雜，需要的資源也比一般的節(jié)點(diǎn)多。圖1(a)為ZigBee無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖，圖1(b)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖。
(b) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
圖1 ZigBee無線網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
2.2 通信模型設(shè)計(jì)
基于以上分析，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種用于接入工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關(guān)。通信模型主要包括以下3個(gè)方面：
(1)無線通信機(jī)制。現(xiàn)場設(shè)備與無線網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術(shù)。ZigBee無線通信技術(shù)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(shè)備對(duì)象)和ZAO(ZigBee應(yīng)用對(duì)象)，由用戶根據(jù)不同應(yīng)用來完成。
(2)以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關(guān)的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉(zhuǎn)換，即將ZigBee無線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)有線協(xié)議，通過以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡(luò)。
IEEE802.3 PHY和IEEE802.3MAC分別為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)TCP/UDP協(xié)議。
(3)上層服務(wù)接口(high layer serv ice in terface)。
針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，無線網(wǎng)關(guān)要求提供上層服務(wù)及接口，使用戶可以通過無線網(wǎng)關(guān)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、調(diào)校。上層服務(wù)接口位于ZigBee APS層與TCP/IP層之間，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)提供通用接口。
2.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
Zigbee協(xié)議軟件的構(gòu)成包括硬件抽象層(HAL)，應(yīng)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(jì)時(shí)器，AD變換等)。CUL提供了一個(gè)簡單的無線協(xié)議，一個(gè)管理器管理DMA通道和一個(gè)以軟件方式實(shí)現(xiàn)處理安排的多任務(wù)計(jì)時(shí)器。而系統(tǒng)的主程序提供了一個(gè)程序調(diào)用的接口和中斷。本軟件實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，因此只需要一個(gè)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(jié)構(gòu)如表1，其中Length(長度)，接收信號(hào)強(qiáng)度(RSSI)和鏈路質(zhì)量LQI區(qū)域由芯片設(shè)置，dest src address 和flags區(qū)域由SPP設(shè)置，Pay lOAd(length-5bytes)區(qū)域?yàn)橛行У妮d荷由用戶設(shè)置(最大125字節(jié))。
表1 簡單的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)
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(gè)為一個(gè)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(diǎn)接收，標(biāo)志包括ACK位，一個(gè)ACK請(qǐng)求(DO_ACK)。通過重傳顯示、序列號(hào)位、序列號(hào)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(dāng)前接收的數(shù)據(jù)包，RSSI和LQI顯示接收信號(hào)強(qiáng)度和鏈路的質(zhì)量，LQI的第8位顯示是否CRC校驗(yàn)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(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究
2.4.1 網(wǎng)絡(luò)管理功能
(1)網(wǎng)絡(luò)形成。無線網(wǎng)關(guān)上電后，無線協(xié)議棧各層首先進(jìn)行初始化，然后通過網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求來啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)(僅具有協(xié)調(diào)器能力且當(dāng)前還沒有與網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)設(shè)備才可以建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò))。
組網(wǎng)開始時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層首先向MAC層請(qǐng)求分配協(xié)議所規(guī)定的信道，或者由PHY層進(jìn)行有效信道掃描，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體等待信道掃描結(jié)果，然后根據(jù)掃描結(jié)果選擇可允許能量水平的信道。找到合適的信道后，為這個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(PAN ID)。
PAN ID可由網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求時(shí)指定，也可以隨機(jī)選擇一個(gè)PAN ID(除廣播PAN ID固定為0xFFFF外)，PAN ID在所選信道中應(yīng)該是唯一的。PAN ID一旦選定，無線網(wǎng)關(guān)將選擇16位網(wǎng)絡(luò)地址0x0000作為自身短地址，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。完成設(shè)置后，通過MAC層發(fā)出網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)請(qǐng)求，返回網(wǎng)絡(luò)形成狀態(tài)。
(2)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)主要包括設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)過程。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)形成后，通過網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體設(shè)定MAC層連接許可標(biāo)志來判斷是否允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。加入方式有聯(lián)合方式和直接方式，在協(xié)議實(shí)現(xiàn)中采取直接加入網(wǎng)絡(luò)方式。這種方式下由待加入的設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求加入信標(biāo)幀，網(wǎng)關(guān)接收到后，網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體首先判斷這個(gè)設(shè)備是否已存在于網(wǎng)絡(luò)。若存在，則使其加入網(wǎng)絡(luò)；若不存在，則向設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀，為這個(gè)設(shè)備分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一的16位短地址。這里的信標(biāo)幀是由網(wǎng)關(guān)無線協(xié)議MAC層生成作為PHY層載荷，它包含PAN ID、加入時(shí)隙分配等信息。網(wǎng)內(nèi)設(shè)備也可以請(qǐng)求斷開網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到設(shè)備斷開連接請(qǐng)求后，MAC層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送報(bào)告，開始執(zhí)行斷開流程，從設(shè)備列表中刪除該設(shè)備相關(guān)信息。
2.4.2 ZigBee/以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換
ZigBee無線網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換主要是實(shí)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)報(bào)文與以太網(wǎng)報(bào)文的雙向轉(zhuǎn)換。圖4所示為兩種協(xié)議報(bào)文格式轉(zhuǎn)換圖。
圖4 協(xié)議轉(zhuǎn)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(dāng)無線網(wǎng)關(guān)射頻部分(PHY層)接收到數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)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(shí)現(xiàn)將無線接收到的信息傳輸?shù)酵獠靠刂凭W(wǎng)絡(luò)中。
3 應(yīng)用分析
3.1 應(yīng)用前景
基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低成本、易控制、低功耗、組網(wǎng)方便、網(wǎng)絡(luò)健壯等特點(diǎn)，特別適用于智能家居控制，同時(shí)它也廣泛用于工業(yè)、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療控制設(shè)備等。將來還可通過遠(yuǎn)程控制(甚至可以是手機(jī))來實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇自動(dòng)化設(shè)備的管理。
有理由相信在不遠(yuǎn)的將來，將有越來越多的內(nèi)置式ZigBee功能的設(shè)備進(jìn)入大家的生活。
3. 2 智能家居網(wǎng)絡(luò)
ZigBee技術(shù)的短距離、安全可靠、低成本等技術(shù)特點(diǎn)完全符合家庭網(wǎng)絡(luò)通訊的需要，因此選擇ZigBee技術(shù)構(gòu)建智能家居無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(dòng)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(diǎn)觸摸屏的一個(gè)按鈕，即可實(shí)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(guān)閉、燈光調(diào)至合適的亮度、電視機(jī)自動(dòng)關(guān)閉等用戶所需要的設(shè)置。而ZigBee無線網(wǎng)關(guān)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(luò)。
4 結(jié)束語
無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用逐漸增加，而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議繁多，多種通信標(biāo)準(zhǔn)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(luò)之間的互聯(lián)問題也逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。ZigBee無線通信技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)在實(shí)現(xiàn)無線測控系統(tǒng)與以太網(wǎng)互聯(lián)的同時(shí)也可以完成對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的管理，優(yōu)化了整個(gè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，為工業(yè)控制領(lǐng)域從有線向無線延伸提供了一種有效的解決途徑。
