基于ZigBee的无线网关解决方案研究.docx

PAGE 1 PAGE 1 基于ZigBee的无线网关解决方案研究 摘 要: 随着无线通信网络和嵌入式系统等技术的飞速进展， 各种新技术高度交叉融合， 消失了很多新的信息猎取和处理模式。介绍了一种采纳Z igBee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。重点讨论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， 为工业掌握领域从有线向无线延长供应了一种有效的解决途径。  1 引 言  随着无线通信技术渐渐进入工业领域， 无线通信系统在工业通信网络中的应用渐渐增加， 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渐渐成为人们关注的重点。  Z igBee短程无线网通信技术以其数据传输平安牢靠、组网简易敏捷、设备成本低、电池寿命长等优势， 成为近年来业界的讨论热点之一。Z igB ee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) 和媒体访问掌握层(MAC )协议基于IEEE802. 15. 4协议标准， 网络层(NWK )和应用层( APS) 由Z igBee 联盟来制定。为了更便利地掌握ZigBee无线传感器网络， 让各无线节点间有序、高效地工作， 有必要将已经特别成熟的基于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掌握ZigB ee 无线传感器网络。  以前的网关许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掌握命令， 同时还能够实现Z igbee无线传感器网络新节点的动态链接。  2 Z igBee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， 技术实现上比较简单， 所以网关采纳嵌入式系统技术。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， 采纳ARM9处理器加上linux操作系统来设计Z igBee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， 可以更好地掌握网络的信息传递。  一个连通Z igB ee 无线传感器网络和以太网的网关应当解决如下问题:  ( 1)能与Z igBee 无线传感网络各节点进行通信， 同时掌握、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Z igBee通信， 网络需要相应的底层驱动程序协议栈， 这就增加了系统内掌握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力量。  每个ZigB ee 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， 网络的简单程度就越高， 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简单， 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 ZigB ee 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纳了ZigBee无线通信技术。ZigB ee无线通信技术采纳CSMA CA接入方式， 有效避开了无线电载波之间的冲突， 保证了数据传输的牢靠性。其MAC 层和PHY 层由IEEE802. 15. 4工作小组制定， NwK和APS则由Z igB ee联盟来制定， 其他部分 ZDO ( Z igBee设备对象)和ZAO ( ZigBee应用对象)， 由用户依据不同应用来完成。  ( 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， 通过以太网接入掌握网络。  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 供应以太网帧与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， 无线网关要求供