基于Zigbee技術(shù)的家用無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

引言

　　網(wǎng)關(guān)對(duì)于使用過網(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PC機(jī)控制家用網(wǎng)關(guān)來獲取家電信息和控制它們。因?yàn)椴捎昧?strong>Zigbee無線技術(shù)，所以又稱為家用無線網(wǎng)關(guān)。

　　1 Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　在Zigbee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常是通過“層”來量化它的各個(gè)簡化標(biāo)準(zhǔn)的，每一層負(fù)責(zé)完成為其所規(guī)定的任務(wù)，并向上層提供服務(wù)。Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)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(yīng)用框架層構(gòu)成。

　　Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1所示)。其中定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和精簡功能設(shè)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(shè)備稱為該RFD的“協(xié)調(diào)器”。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。除直接參與應(yīng)用外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

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　　2 家用網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)及其軟硬件組成

　　結(jié)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閆igbee無線網(wǎng)關(guān)需要將基于TCP協(xié)議的信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee網(wǎng)絡(luò)其它的節(jié)點(diǎn)，故它必須為一個(gè)FFD設(shè)備，同時(shí)它在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還要管理其它節(jié)點(diǎn)的一些信息，故其又實(shí)現(xiàn)為一個(gè)協(xié)調(diào)器。

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　　根據(jù)課題要求，選擇的系統(tǒng)硬件組成：采用S3C4480嵌入式開發(fā)板，該開發(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(tǒng)軟件組成：uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee協(xié)議棧+LWIP TCP／IP協(xié)議棧。

　　Zigbee無線網(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(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可以將基于常用的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，也可以將Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中。開啟Zigbee無線網(wǎng)關(guān)，其它的RFD節(jié)點(diǎn)通過與其通信，加入到該無線網(wǎng)絡(luò)中。這樣Zigbee無線網(wǎng)關(guān)就可以管理所有節(jié)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(yīng)用的LWIP協(xié)議棧，具有良好的移植性并且開放源代碼。

　　考慮到目前還沒有完全可以用的Zigbee協(xié)議棧，在這里定義并實(shí)現(xiàn)了—個(gè)基本功能的Zigbee協(xié)議棧。其基本結(jié)構(gòu)為：

　　(1)phy層：該層主要實(shí)現(xiàn)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(xiàn)對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的基本初始化，設(shè)置PAID，設(shè)置IEEE 64位地址，選擇通信通道，實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送Zigbee數(shù)據(jù)包功能。

　　(3)nwk層：該部分用來從mac獲得接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行一系列的操作。根據(jù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如果是應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，向上傳遞接收到的數(shù)據(jù)。如果是網(wǎng)絡(luò)層命令，則進(jìn)行具體操作。

　　實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)層命令有：

　　a)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)請求加入該網(wǎng)絡(luò)：進(jìn)行驗(yàn)證，并為加入的終端節(jié)點(diǎn)分配地址。

　　b)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)請求離開該網(wǎng)絡(luò)：進(jìn)行驗(yàn)證，并將該節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)信息列表中刪除。

　　c)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)加入該網(wǎng)絡(luò)成功。

　　d)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)離開該網(wǎng)絡(luò)成功。

　　除此之外還包括針對(duì)這些請求的FFD響應(yīng)命令。

　　(4)app層：該層從nwk層獲得數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行操作，與具體應(yīng)用有關(guān)。