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基于ZigBee的無線網(wǎng)關解決方案

2011年09月16日 14:19 本站整理 作者:網(wǎng)絡 用戶評論(0

1? 引? 言

  隨著無線通信技術逐漸進入工業(yè)領域, 無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡中的應用逐漸增加, 而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡通信協(xié)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(xié)議的網(wǎng)絡之間的互聯(lián)問題也逐漸成為人們關注的重點。

  Z igBee短程無線網(wǎng)通信技術以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢, 成為近年來業(yè)界的研究熱點之一。Z igB ee技術是一個具有統(tǒng)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(xié)議基于IEEE802. 15. 4協(xié)議標準, 網(wǎng)絡層(NWK )和應用層( APS) 由Z igBee 聯(lián)盟來制定。為了更方便地控制ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡, 讓各無線節(jié)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(wǎng)與ZigBee無線傳感網(wǎng)絡相連通, 從而實現(xiàn)通過以太網(wǎng)來控制ZigB ee 無線傳感器網(wǎng)絡。

  以前的網(wǎng)關很多是用單片機來實現(xiàn), 現(xiàn)把嵌入式系統(tǒng)的高速處理器操作系統(tǒng)加進網(wǎng)關系統(tǒng), 能夠更高效、快速地傳遞來自無線網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包和來自以太網(wǎng)的用戶控制命令, 同時還能夠實現(xiàn)Z igbee無線傳感器網(wǎng)絡新節(jié)點的動態(tài)鏈接。

  2? Z igBee無線網(wǎng)關解決方案

  2. 1? 系統(tǒng)結構

  無線傳感器系統(tǒng)對網(wǎng)關的要求較高, 技術實現(xiàn)上比較復雜, 所以網(wǎng)關采用嵌入式系統(tǒng)技術。基于linux 操作系統(tǒng)本身的易于移植、開源、優(yōu)異的網(wǎng)絡支持等優(yōu)點, 采用ARM9處理器加上linux操作系統(tǒng)來設計Z igBee與TCP / IP間通信的網(wǎng)關。嵌入式系統(tǒng)與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡相結合, 可以更好地控制網(wǎng)絡的信息傳遞。

  一個連通Z igB ee 無線傳感器網(wǎng)絡和以太網(wǎng)的網(wǎng)關應該解決如下問題:

  ( 1)能與Z igBee 無線傳感網(wǎng)絡各節(jié)點進行通信, 同時控制、協(xié)調無線傳感器網(wǎng)絡間的通信。

  ( 2)能通過以太網(wǎng)接口與計算機實現(xiàn)有線通信。

  ( 3)為了實現(xiàn)Z igBee通信, 網(wǎng)絡需要相應的底層驅動程序協(xié)議棧, 這就增加了系統(tǒng)內控制器對程序存儲器的需求等。

  ( 4)具備與無線傳感器網(wǎng)絡中的新節(jié)點建立動態(tài)鏈接的能力。

  每個ZigB ee 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點需要發(fā)送的數(shù)據(jù)都要經過網(wǎng)關與外部以太網(wǎng)連接。而且, 當節(jié)點越多, 網(wǎng)絡的復雜程度就越高, 對網(wǎng)關的處理速度會是個考驗。因而, 網(wǎng)關的設計比一般的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點更復雜, 需要的資源也比一般的節(jié)點多。圖1( a)為ZigBee無線網(wǎng)關結構圖, 圖1( b)為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖。

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( b )無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖

圖1? ZigB ee 無線網(wǎng)關與無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構圖

  2. 2? 通信模型設計

  基于以上分析, 針對工業(yè)應用設計了一種用于接入工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關。通信模型主要包括以下3個方面:

  ( 1)無線通信機制。現(xiàn)場設備與無線網(wǎng)關之間的數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術。ZigB ee無線通信技術采用CSMA? CA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)目煽啃浴F銶AC 層和PHY 層由IEEE802. 15. 4工作小組制定, NwK和APS則由Z igB ee聯(lián)盟來制定, 其他部分????? ZDO ( Z igBee設備對象)和ZAO ( ZigBee應用對象), 由用戶根據(jù)不同應用來完成。

  ( 2)以太網(wǎng)協(xié)議轉換。無線網(wǎng)關的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉換, 即將ZigBee無線通信協(xié)議轉換為以太網(wǎng)有線協(xié)議, 通過以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡。

  IEEE802. 3 PHY和IEEE802. 3MAC分別為標準的以太網(wǎng)物理層和介質訪問層; IEEE802. 3 LLC 提供以太網(wǎng)幀與IP層接口, 傳輸層為標準TCP /UDP協(xié)議。

  ( 3)上層服務接口( high layer serv ice in terface)。

  針對工業(yè)應用, 無線網(wǎng)關要求提供上層服務及接口,使用戶可以通過無線網(wǎng)關對現(xiàn)場設備進行組態(tài)、調校。上層服務接口位于ZigB ee APS層與TCP / IP層之間, 為系統(tǒng)實現(xiàn)各種服務提供通用接口。

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