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1 引言 網(wǎng)關(guān)對于使用過(guò)網(wǎng)絡(luò )的人也許都不陌生，如家中或者辦公室中的連接個(gè)人電腦與國際互聯(lián)網(wǎng)的路由器。這里討論的網(wǎng)關(guān)，它的作用不是連接你的個(gè)人電腦到互聯(lián)網(wǎng)上遨游，而是將你家中大大小小的家用電器連接到你的個(gè)人電腦上，進(jìn)而不需要你走進(jìn)家中就能通過(guò)PC機控制家用網(wǎng)關(guān)來(lái)獲取家電信息和控制它們。因為采用了Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)，所以又稱(chēng)為家用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)。 2 Zigbee技術(shù)的體系結構和拓撲結構 在Zigbee技術(shù)中，其體系結構通常是通過(guò)“層”來(lái)量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標準的，每一層負責完成為其所規定的任務(wù)，并向上層提供服務(wù)。Zigbee技術(shù)的體系結構自下往上主要由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層、網(wǎng)絡(luò )／安全層以及應用框架層構成。 Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò )有2種拓撲結構：星型拓撲結構和對等拓撲結構(如圖1所示)。其中定義了兩種設備：全功能設備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設備(RFD)。FFD在硬件功能上比較完備，可以與所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD進(jìn)行通信。與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設備稱(chēng)為該RFD的“協(xié)調器”。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中，有一個(gè)FFD充當網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。除直接參與應用外，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器還需要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉發(fā)等任務(wù)。 3 家用網(wǎng)關(guān)結構及其軟硬件組成 結合本課題中家用網(wǎng)關(guān)和家用電器的主從關(guān)系，本文采用基于星型拓撲結構的Zigbee網(wǎng)絡(luò )。因為Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)需要將基于TCP協(xié)議的信息轉發(fā)給Zigbee網(wǎng)絡(luò )其它的節點(diǎn)，故它必須為一個(gè)FFD設備，同時(shí)它在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )還要管理其它節點(diǎn)的一些信息，故其又實(shí)現為一個(gè)協(xié)調器。 根據課題要求，選擇的系統硬件組成：采用S3C4480嵌入式開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)自帶2M FLASH和8M RAM。網(wǎng)絡(luò )芯片采用RTL8019 10M網(wǎng)絡(luò )芯片，Zigbee通信模塊采用TI的CC2420芯片(兩片)。 選用的系統軟件組成：uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee協(xié)議棧+LWIP TCP／IP協(xié)議棧。 Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)基本功能為將基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò )與基于Zigbee協(xié)議棧的數據進(jìn)行轉換，從而可以將基于常用的以太網(wǎng)的數據發(fā)送到Zigbee網(wǎng)絡(luò )中，也可以將Zigbee網(wǎng)絡(luò )中的數據發(fā)送到以太網(wǎng)中。開(kāi)啟Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，其它的RFD節點(diǎn)通過(guò)與其通信，加入到該無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中。這樣Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)就可以管理所有節點(diǎn)。 這里涉及兩個(gè)主要協(xié)議棧：Zigbee協(xié)議棧和TCP／IP協(xié)議棧。 TCE／IP協(xié)議棧這里選擇適合嵌入式應用的LWIP協(xié)議棧，具有良好的移植性并且開(kāi)放源代碼。 考慮到目前還沒(méi)有完全可以用的Zigbee協(xié)議棧，在這里定義并實(shí)現了—個(gè)基本功能的Zigbee協(xié)議棧。其基本結構為： (1)phy層：該層主要實(shí)現與具體Zigbee模塊硬件有關(guān)的操作。 (2)mac層：基于phy層提供的接口，實(shí)現對Zigbee網(wǎng)絡(luò )的基本初始化，設置PAID，設置IEEE 64位地址，選擇通信通道，實(shí)現接收和發(fā)送Zigbee數據包功能。 (3)nwk層：該部分用來(lái)從mac獲得接收到的數據，對數據進(jìn)行分析，進(jìn)行一系列的操作。根據發(fā)送來(lái)的數據，如果是應用層的數據，向上傳遞接收到的數據。如果是網(wǎng)絡(luò )層命令，則進(jìn)行具體操作。 實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )層命令有： a)終端節點(diǎn)(RFD)請求加入該網(wǎng)絡(luò )：進(jìn)行驗證，并為加入的終端節點(diǎn)分配地址。 b)終端節點(diǎn)(RFD)請求離開(kāi)該網(wǎng)絡(luò )：進(jìn)行驗證，并將該節點(diǎn)從節點(diǎn)信息列表中刪除。 c)終端節點(diǎn)(RFD)加入該網(wǎng)絡(luò )成功。 d)終端節點(diǎn)(RFD)離開(kāi)該網(wǎng)絡(luò )成功。 除此之外還包括針對這些請求的FFD響應命令。 (4)app層：該層從nwk層獲得數據，并根據數據內容進(jìn)行操作，與具體應用有關(guān)。 4 家用網(wǎng)關(guān)的具體操作流程及其偽代碼 Zigbee協(xié)議棧與TCP／IP協(xié)議棧，分別作為uCOS-II系統的兩個(gè)任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)之間通過(guò)消息隊列或者郵箱的形式進(jìn)行數據通信，用以實(shí)現任務(wù)的數據交換。 在啟動(dòng)主機軟件時(shí)，用戶(hù)通過(guò)設定要連接的Zigbee網(wǎng)關(guān)IP，從而使用Zigbee網(wǎng)關(guān)的連接。在連接成功以后，PC主機請求Zigbee網(wǎng)絡(luò )中所有節點(diǎn)的信息，Zigbee網(wǎng)關(guān)將Zigbee網(wǎng)絡(luò )中所有的節點(diǎn)信息發(fā)送給主機，主機軟件顯示所有可能的節點(diǎn)。獲得所有節點(diǎn)信息以后，用戶(hù)就可以選擇要通信的節點(diǎn)，并通過(guò)TCP將所有的操作信息發(fā)送給該節點(diǎn)，從而實(shí)現對節點(diǎn)控制和監控。 這里寫(xiě)出Zigbee協(xié)議棧任務(wù)基本流程偽代碼。 5 網(wǎng)關(guān)調試方法 具體的操作過(guò)程： (1)打開(kāi)串口調試助手軟件，設置波特率為57 600，8位，l位停止，無(wú)奇偶校驗和流量控制協(xié)議。 (2)連接好Zigbee與PC的串口，同時(shí)連接電源。 (3)在串口調試助手軟件中將顯示有關(guān)設備啟動(dòng)的信息和Zigbee網(wǎng)關(guān)相關(guān)信息。這時(shí)說(shuō)明Zigbee網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)初始化完成，并形成了一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )。 (4)打開(kāi)主機軟件，設置好連接的網(wǎng)關(guān)IP地址，然后點(diǎn)擊“連接”按鈕，這時(shí)在軟件左邊的列表框中顯示所有的Zigbee節點(diǎn)信息，也可以通過(guò)下面的“刷新節點(diǎn)信息”來(lái)獲得最新的節點(diǎn)信息列表。 主機軟件最下面的只讀編輯框，里面顯示的是一些日志信息，方便調試。圖3顯示了網(wǎng)關(guān)調試情況： 6 結論 通過(guò)網(wǎng)關(guān)設計分析，發(fā)現該網(wǎng)關(guān)具有實(shí)用性和可行性。在網(wǎng)關(guān)的設計過(guò)程中，遇到不少困難，比如目前還沒(méi)有適用于ARM平臺的Zigbee協(xié)議棧，只能對現有的各種Zigbee協(xié)議棧進(jìn)行修改和移植，以適合ARM平臺，這一步實(shí)現起來(lái)較為復雜。另外，為了節省設備成本，測試中兩個(gè)RFD設備同時(shí)接在一個(gè)Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設備上，距離較近，在實(shí)際生產(chǎn)測試中并不適用。 |
