基于ZigBee的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)研究

摘要 為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)與外部有線控制網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，開發(fā)了一種用于接入工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關(guān)。通過對無線網(wǎng)關(guān)應(yīng)用需求進(jìn)行分析，設(shè)計了基于ZigBee無線通信技術(shù)的網(wǎng)關(guān)通信模型，重點研究了無線網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)中的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理以及協(xié)議轉(zhuǎn)換等。最后，介紹了測試ZigBee無線網(wǎng)關(guān)的方法并給出了相應(yīng)測試界面。測試結(jié)果表明，ZigBee無線網(wǎng)關(guān)能較好地實現(xiàn)模型設(shè)計中提出的各項功能，為工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的互操作性提供了一種有效解決途徑。
關(guān)鍵詞 ZigBee無線通信 工業(yè)無線網(wǎng)關(guān) 無線測控系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)管理 協(xié)議轉(zhuǎn)換

引 言
基于對監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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*基金項目：國家863計劃項目，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。