摘要：隨著無線通信網絡和嵌入式系統等技術的飛速發展，各種新技術高度交叉融合，出現了許多新的信息獲取和處理模式。介紹了一種采用ZigBee無線通信技術的工業無線網關，它在實現工業無線測控系統與工業以太網互聯的同時也可以完成對無線網絡的管理。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。工業無線網關的實現優化了整個工業通信網絡，為工業控制領域從有線向無線延伸提供了一種有效的解決途徑。
1 引言
隨著無線通信技術逐漸進入工業領域，無線通信系統在工業通信網絡中的應用逐漸增加，而目前工業通信網絡通信協議繁多，多種通信標準并存，因此不同傳輸介質、不同速率、不同通信協議的網絡之間的互聯問題也逐漸成為人們關注的重點。
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。ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，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。為了更方便地控制ZigBee無線傳感器網絡，讓各無線節點間有序、高效地工作，有必要將已經非常成熟的基于TCP/IP技術的以太網與ZigBee無線傳感網絡相連通，從而實現通過以太網來控制ZigBee無線傳感器網絡。
以前的網關很多是用單片機來實現，現把嵌入式系統的高速處理器和操作系統加進網關系統，能夠更高效、快速地傳遞來自無線網絡的數據包和來自以太網的用戶控制命令，同時還能夠實現Zigbee無線傳感器網絡新節點的動態鏈接。
2 ZigBee無線網關解決方案
2.1 系統結構
無線傳感器系統對網關的要求較高，技術實現上比較復雜，所以網關采用嵌入式系統技術。基于linux操作系統本身的易于移植、開源、優異的網絡支持等優點，采用ARM9處理器加上linux操作系統來設計ZigBee與TCP/IP間通信的網關。嵌入式系統與ZigBee無線傳感器網絡相結合，可以更好地控制網絡的信息傳遞。
一個連通ZigBee無線傳感器網絡和以太網的網關應該解決如下問題：
(1)能與ZigBee無線傳感網絡各節點進行通信，同時控制、協調無線傳感器網絡間的通信。
(2)能通過以太網接口與計算機實現有線通信。
(3)為了實現ZigBee通信，網絡需要相應的底層驅動程序協議棧，這就增加了系統內控制器對程序存儲器的需求等。
(4)具備與無線傳感器網絡中的新節點建立動態鏈接的能力。
每個ZigBee無線傳感器網絡節點需要發送的數據都要經過網關與外部以太網連接。而且，當節點越多，網絡的復雜程度就越高，對網關的處理速度會是個考驗。因而，網關的設計比一般的無線傳感器網絡節點更復雜，需要的資源也比一般的節點多。圖1(a)為ZigBee無線網關結構圖，圖1(b)為無線傳感器網絡節點結構圖。
(b) 無線傳感器網絡節點結構圖
圖1 ZigBee無線網關與無線傳感器網絡節點結構圖
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入工業以太網的無線網關。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的數據通信采用了ZigBee無線通信技術。ZigBee無線通信技術采用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IEEE802.3MAC分別為標準的以太網物理層和介質訪問層；IEEE802.3 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 serv ice in terface)。
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。
2.3 系統軟件實現
Zigbee協議軟件的構成包括硬件抽象層(HAL)，應用庫(CUL)和系統主程序。HAL是簡單的建立和使用外部的單元(例如，無線收發，計時器，AD變換等)。CUL提供了一個簡單的無線協議，一個管理器管理DMA通道和一個以軟件方式實現處理安排的多任務計時器。而系統的主程序提供了一個程序調用的接口和中斷。本軟件實現一個簡單的點對點數據傳輸，因此只需要一個精簡的數據包協議(SPP)。
簡單的協議包提供了簡單的數據包結構如表1，其中Length(長度)，接收信號強度(RSSI)和鏈路質量LQI區域由芯片設置，dest src address 和flags區域由SPP設置，Pay lOAd(length-5bytes)區域為有效的載荷由用戶設置(最大125字節)。
表1 簡單的數據包結構
數據包的字節長度不包括長度字節本身，目的地址和源地址每一個為一個字節，另外，0x00是廣播地址，這一地址的數據包被所有的節點接收，標志包括ACK位，一個ACK請求(DO_ACK)。通過重傳顯示、序列號位、序列號及重傳的位共同作用從而能夠區分新的數據包和當前接收的數據包，RSSI和LQI顯示接收信號強度和鏈路的質量，LQI的第8位顯示是否CRC校驗成功或失敗。
Zigbee數據包發送的部分流程圖如圖2所示，接收數據的部分流程圖如圖3所示。
圖2 發送數據的部分流程圖
圖3 接收數據的部分流程圖
2.4 ZigBee無線網關關鍵技術研究
2.4.1 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，然后通過網絡請求來啟動一個新的網絡(僅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)。
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域網標識符(PAN ID)。
PAN ID可由網絡形成請求時指定，也可以隨機選擇一個PAN ID(除廣播PAN ID固定為0xFFFF外)，PAN ID在所選信道中應該是唯一的。PAN ID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。若存在，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PAN ID、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。
2.4.2 ZigBee/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的雙向轉換。圖4所示為兩種協議報文格式轉換圖。
圖4 協議轉換圖
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127B。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(42B)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 應用分析
3.1 應用前景
基于ZigBee網絡的低成本、易控制、低功耗、組網方便、網絡健壯等特點，特別適用于智能家居控制，同時它也廣泛用于工業、汽車自動化、農業自動化、醫療控制設備等。將來還可通過遠程控制(甚至可以是手機)來實現對樓宇自動化設備的管理。
有理由相信在不遠的將來，將有越來越多的內置式ZigBee功能的設備進入大家的生活。
3. 2 智能家居網絡
ZigBee技術的短距離、安全可靠、低成本等技術特點完全符合家庭網絡通訊的需要，因此選擇ZigBee技術構建智能家居無線網絡系統，智能家居控制中心與各模塊之間都是通過ZigBee通信。
智能家居網絡包括環境照明系統，家庭影院影音系統，安防監控系統，公共廣播/背景音樂系統，空調系統，電動窗簾等一系列家居控制系統的智能集中控制。如，回到家中，只需要手指輕點觸摸屏的一個按鈕，即可實現燈光打開、空調調至合適溫度、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#，便可讓窗簾關閉、燈光調至合適的亮度、電視機自動關閉等用戶所需要的設置。而ZigBee無線網關則作為各無線模塊的協調器，通過以太網來管理無線網絡。
4 結束語
無線通信系統在工業通信網絡中的應用逐漸增加，而目前工業通信網絡的通信協議繁多，多種通信標準并存，因此不同傳輸介質、不同速率、不同通信協議的網絡之間的互聯問題也逐漸成為人們關注的重點。ZigBee無線通信技術的無線網關在實現無線測控系統與以太網互聯的同時也可以完成對無線網絡的管理，優化了整個工業通信網絡，為工業控制領域從有線向無線延伸提供了一種有效的解決途徑。
