基于ZigBee的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計

　　引 言

　　基于對監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性、數(shù)據(jù)接口的開放性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性的要求，國內(nèi)外許多公司和研究機(jī)構(gòu)開始研究并組建工業(yè)無線測控系統(tǒng)。ZigBee短程無線網(wǎng)通信技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)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(diǎn)之一。美國儀表系統(tǒng)和自動化學(xué)會已成立工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)委員會(ISA1OO)。該委員會專門致力于工業(yè)無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，預(yù)計2008年底出臺正式標(biāo)準(zhǔn)。ISA100標(biāo)準(zhǔn)的制定目的是讓工業(yè)無線設(shè)備以低復(fù)雜度、合理的成本和低功耗、適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)通信速率去支持工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性、健壯性、與有線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的互操作性等。本設(shè)計項(xiàng)目為一種工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)，主要用于解決工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的互操作性問題。

　　1 ZigBee無線通信技術(shù)簡介

　　ZigBee技術(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低速率傳輸、低成本、低復(fù)雜度作為重要目標(biāo)。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(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APS)由ZigBee聯(lián)盟來制定。ZigBee技術(shù)定義其工作在*基金項(xiàng)目：國家863計劃項(xiàng)目，基于802．15．4的智能儀表(編號2006AA040302-2)。2．4 GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20 kb／s～250 kb／s?；赯igBee技術(shù)的通信設(shè)備有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展覆蓋范圍，因此比較適用于工業(yè)控制，遠(yuǎn)程控制等相關(guān)領(lǐng)域。 ZigBee通信設(shè)備可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡(luò)，自身的低功耗和低成本延長了設(shè)備的工作時間，降低了系統(tǒng)整體成本。

　　2 工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)模型設(shè)計

　　2．1 需求分析

　　目前工業(yè)中使用的無線網(wǎng)關(guān)主要采用802．11b、GPRS、藍(lán)牙等通信技術(shù)，成本高、功耗高、移動性差以及安全性差等限制了這類傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用，采用 ZigBee無線通信技術(shù)可以較大程度上改進(jìn)這些性能。ZigBee無線網(wǎng)關(guān)因其技術(shù)優(yōu)勢在工業(yè)應(yīng)用中可逐漸取代傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，目前已開始在小范圍搭建工業(yè)測控系統(tǒng)進(jìn)行測試應(yīng)用。在功能上，傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換及部分系統(tǒng)管理功能，而ZigBee無線網(wǎng)關(guān)作為無線網(wǎng)絡(luò)接入有線網(wǎng)絡(luò)的接入部件，除了具備傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的功能外，還應(yīng)具備一些特有的功能：具備對無線網(wǎng)絡(luò)的管理功能，包括無線網(wǎng)絡(luò)形成、無線設(shè)備加入和斷開等管理功能；在協(xié)議轉(zhuǎn)換方面，必須同時開發(fā)無線、有線協(xié)議，數(shù)據(jù)包在無線和有線間轉(zhuǎn)換；為實(shí)現(xiàn)對無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測和控制，在無線和有線協(xié)議開發(fā)中必須考慮為上層提供相應(yīng)服務(wù)及服務(wù)接口。

　　2．2 通信模型設(shè)計

　　基于以上分析，針對工業(yè)應(yīng)用設(shè)計了一種用于接人工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)的通信模型如圖1所示。

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　　通信模型主要包括以下3個方面：

　?、贌o線通信機(jī)制。現(xiàn)場設(shè)備與無線網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術(shù)。ZigBee無線通信技術(shù)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ZigBee聯(lián)盟來制定，其他部分——ZDO(ZigBee設(shè)備對象)和ZAO(ZigBee應(yīng)用對象)，由用戶根據(jù)不同應(yīng)用來完成。

　?、谝蕴W(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關(guān)的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉(zhuǎn)換，即將ZigBee無線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)有線協(xié)議，通過以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡(luò)。 IEEE802．3 PHY和IEEE802．3 MAC為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和介質(zhì)訪問層，IEEE802．2 LLC提供以太網(wǎng)幀與IP層接口，傳輸層為標(biāo)準(zhǔn)TCP．／UDP協(xié)議。

　?、凵蠈臃?wù)接口(high layer service inteRFace)。針對工業(yè)應(yīng)用，無線網(wǎng)關(guān)要求提供上層服務(wù)及接口，使用戶可以通過無線網(wǎng)關(guān)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、調(diào)校。上層服務(wù)接口位于ZigBee APS層與TCP／IP層之間，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)提供通用接口。

　　3 工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　3．1 網(wǎng)絡(luò)管理功能

　　(1)網(wǎng)絡(luò)形成

　　無線網(wǎng)關(guān)上電后，無線協(xié)議棧各層首先進(jìn)行初始化，然后通過網(wǎng)絡(luò)請求原語來啟動一個新的網(wǎng)絡(luò)，僅當(dāng)具有協(xié)調(diào)器能力且當(dāng)前還沒有與網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)設(shè)備才可以建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。圖2所示為網(wǎng)絡(luò)形成流程。組網(wǎng)開始時，網(wǎng)絡(luò)層首先向MAC層請求分配協(xié)議所規(guī)定的信道，或者由PHY層進(jìn)行有效信道掃描，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體等待信道掃描結(jié)果，然后根據(jù)掃描結(jié)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(wǎng)絡(luò)選擇一個個域網(wǎng)標(biāo)識符(PANID)。PANID可由網(wǎng)絡(luò)形成請求時指定，也可以隨機(jī)選擇一個PANID(除廣播PANID固定為0xFFFF外)，PANID在所選信道中應(yīng)該是唯一的。PANID一旦選定，無線網(wǎng)關(guān)將選擇16位網(wǎng)絡(luò)地址0x0000作為自身短地址，同時進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。完成設(shè)置后，通過MAC層發(fā)出網(wǎng)絡(luò)啟動請求，返回網(wǎng)絡(luò)形成狀態(tài)。

?　　(2)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)主要包括設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)過程。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)形成后，通過網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體設(shè)定MAC層連接許可標(biāo)志來判斷是否允許其他設(shè)備加設(shè)備初始化為協(xié)調(diào)器入網(wǎng)絡(luò)。加入方式有聯(lián)合方式和直接方式，在協(xié)議實(shí)現(xiàn)中采取直接加入網(wǎng)絡(luò)方式。這種方式下由待加入的設(shè)備發(fā)送請求加入信標(biāo)幀，網(wǎng)關(guān)接收到后，網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體首先判斷這個設(shè)備是否已存在于網(wǎng)絡(luò)。存在，則使其加入網(wǎng)絡(luò)；若不存在，則向設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀，為這個設(shè)備分配一個網(wǎng)絡(luò)中唯一的16位的短地址。這里的信標(biāo)幀是由網(wǎng)關(guān)無線協(xié)議MAC層生成作為PHY層載荷，它包含PANID、加入時隙分配等信息。網(wǎng)內(nèi)設(shè)備也可以請求斷開網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到設(shè)備斷開連接請求后，MAC層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送報告，開始執(zhí)行斷開流程，從設(shè)備列表中刪除該設(shè)備相關(guān)信息。

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