基于ZigBee的无线网关解决方案研究

随着无线通信网络和嵌入式系统等技术的飞速发展，各种新技术高度交叉融合，出现了许多新的信息获取和处理模式。介绍了一种采用ZigBee无线通信技术的工业无线网关，它在实现工业无线测控系统与工业以太网互联的同时也可以完成对无线网络的管理。重点研究了无线网关实现中的相关关键技术，如网络管理、系统管理以及协议转换等。工业无线网关的实现优化了整个工业通信网络，为工业控制领域从有线向无线延伸提供了一种有效的解决途径。

1 引言

随着无线通信技术逐渐进入工业领域，无线通信系统在工业通信网络中的应用逐渐增加，而目前工业通信网络通信协议繁多，多种通信标准并存，因此不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间的互联问题也逐渐成为人们关注的重点。

ZigBee短程无线网通信技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，成为近年来业界的研究热点之一。ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)协议基于IEEE802.15.4协议标准，网络层(NWK)和应用层(APS)由ZigBee联盟来制定。为了更方便地控制ZigBee无线传感器网络，让各无线节点间有序、高效地工作，有必要将已经非常成熟的基于TCP/IP技术的以太网与ZigBee无线传感网络相连通，从而实现通过以太网来控制ZigBee无线传感器网络。

以前的网关很多是用单片机来实现，现把嵌入式系统的高速处理器和操作系统加进网关系统，能够更高效、快速地传递来自无线网络的数据包和来自以太网的用户控制命令，同时还能够实现Zigbee无线传感器网络新节点的动态链接。

2 ZigBee无线网关解决方案

2.1 系统结构

无线传感器系统对网关的要求较高，技术实现上比较复杂，所以网关采用嵌入式系统技术。基于linux操作系统本身的易于移植、开源、优异的网络支持等优点，采用ARM9处理器加上linux操作系统来设计ZigBee与TCP/IP间通信的网关。嵌入式系统与ZigBee无线传感器网络相结合，可以更好地控制网络的信息传递。

一个连通ZigBee无线传感器网络和以太网的网关应该解决如下问题：

(1)能与ZigBee无线传感网络各节点进行通信，同时控制、协调无线传感器网络间的通信。
(2)能通过以太网接口与计算机实现有线通信。
(3)为了实现ZigBee通信，网络需要相应的底层驱动程序协议栈，这就增加了系统内控制器对程序存储器的需求等。
(4)具备与无线传感器网络中的新节点建立动态链接的能力。

每个ZigBee无线传感器网络节点需要发送的数据都要经过网关与外部以太网连接。而且，当节点越多，网络的复杂程度就越高，对网关的处理速度会是个考验。因而，网关的设计比一般的无线传感器网络节点更复杂，需要的资源也比一般的节点多。图1(a)为ZigBee无线网关结构图，图1(b)为无线传感器网络节点结构图。

(b) 无线传感器网络节点结构图
图1 ZigBee无线网关与无线传感器网络节点结构图

2.2 通信模型设计

基于以上分析，针对工业应用设计了一种用于接入工业以太网的无线网关。通信模型主要包括以下3个方面：

(1)无线通信机制。现场设备与无线网关之间的数据通信采用了ZigBee无线通信技术。ZigBee无线通信技术采用CSMACA接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突，保证了数据传输的可靠性。其MAC层和PHY层由IEEE802.15.4工作小组制定，NwK和APS则由ZigBee联盟来制定，其他部分ZDO(ZigBee设备对象)和ZAO(ZigBee应用对象)，由用户根据不同应用来完成。

(2)以太网协议转换。无线网关的接入功能主要体现在协议转换，即将ZigBee无线通信协议转换为以太网有线协议，通过以太网接入控制网络。

IEEE802.3 PHY和IEEE802.3MAC分别为标准的以太网物理层和介质访问层；IEEE802.3 LLC提供以太网帧与IP层接口，传输层为标准TCP/UDP协议。

(3)上层服务接口(high layer serv ice in terface)。

针对工业应用，无线网关要求提供上层服务及接口，使用户可以通过无线网关对现场设备进行组态、调校。上层服务接口位于ZigBee APS层与TCP/IP层之间，为系统实现各种服务提供通用接口。

2.3 系统软件实现

Zigbee协议软件的构成包括硬件抽象层(HAL)，应用库(CUL)和系统主程序。HAL是简单的建立和使用外部的单元(例如，无线收发，计时器，AD变换等)。CUL提供了一个简单的无线协议，一个管理器管理DMA通道和一个以软件方式实现处理安排的多任务计时器。而系统的主程序提供了一个程序调用的接口和中断。本软件实现一个简单的点对点数据传输，因此只需要一个精简的数据包协议(SPP)。

简单的协议包提供了简单的数据包结构如