基于ZigBee的工業(yè)無線網(wǎng)關研究

通信模型主要包括以下3個方面：
①無線通信機制?，F(xiàn)場設備與無線網(wǎng)關之間數(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?。其MAC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(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關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。IEEE802．3 PHY和IEEE802．3 MAC為標準的以太網(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，傳輸層為標準TCP．／UDP協(xié)議。
③上層服務接口(high layer service interface)。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(diào)校。上層服務接口位于ZigBee 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。

3 工業(yè)無線網(wǎng)關關鍵技術(shù)研究
3．1 網(wǎng)絡管理功能
(1)網(wǎng)絡形成
無線網(wǎng)關上電后，無線協(xié)議棧各層首先進行初始化，然后通過網(wǎng)絡請求原語來啟動一個新的網(wǎng)絡，僅當具有協(xié)調(diào)器能力且當前還沒有與網(wǎng)絡連接的網(wǎng)關設備才可以建立一個新的網(wǎng)絡。圖2所示為網(wǎng)絡形成流程。組網(wǎng)開始時，網(wǎng)絡層首先向MAC層請求分配協(xié)議所規(guī)定的信道，或者由PHY層進行有效信道掃描，網(wǎng)絡層管理實體等待信道掃描結(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)絡選擇一個個域網(wǎng)標識符(PANID)。PANID可由網(wǎng)絡形成請求時指定，也可以隨機選擇一個PANID(除廣播PANID固定為0xFFFF外)，PANID在所選信道中應該是唯一的。PANID一旦選定，無線網(wǎng)關將選擇16位網(wǎng)絡地址0x0000作為自身短地址，同時進行相關設置。完成設置后，通過MAC層發(fā)出網(wǎng)絡啟動請求，返回網(wǎng)絡形成狀態(tài)。
(2)網(wǎng)絡維護網(wǎng)絡維護主要包括設備加入網(wǎng)絡和離開網(wǎng)絡過程。當網(wǎng)絡形成后，通過網(wǎng)絡管理實體設定MAC層連接許可標志來判斷是否允許其他設備加設備初始化為協(xié)調(diào)器入網(wǎng)絡。加入方式有聯(lián)合方式和直接方式，在協(xié)議實現(xiàn)中采取直接加入網(wǎng)絡方式。這種方式下由待加入的設備發(fā)送請求加入信標幀，網(wǎng)關接收到后，網(wǎng)絡管理實體首先判斷這個設備是否已存在于網(wǎng)絡。存在，則使其加入網(wǎng)絡；若不存在，則向設備發(fā)送信標幀，為這個設備分配一個網(wǎng)絡中唯一的16位的短地址。這里的信標幀是由網(wǎng)關無線協(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)設備也可以請求斷開網(wǎng)絡。當網(wǎng)關收到設備斷開連接請求后，MAC層向網(wǎng)絡層發(fā)送報告，開始執(zhí)行斷開流程，從設備列表中刪除該設備相關信息。

3．2 系統(tǒng)管理
(1)地址映射
在無線傳輸中，網(wǎng)關主要根據(jù)地址信息來進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee通信協(xié)議中規(guī)定了兩種地址：64位的IEEE長地址和16位的短地址(SADDR)。IEEE長地址作為全局地址，可在大范圍內(nèi)調(diào)用；短地址作為個域網(wǎng)地址，僅限于小范圍局域網(wǎng)內(nèi)通信使用。為了方便設備間的信息傳送，在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中進行了地址映射。通過建立地址表存儲現(xiàn)場設備的短地址(網(wǎng)關通信短地址固定為0000H)，表中每個短地址對應一個設備對象標識符(Ob-jectID)，控制網(wǎng)絡協(xié)議根據(jù)ObjectID來對不同設備進行操作。如需實現(xiàn)組播功能，只須定義一組ObjectID作為網(wǎng)關目的地址，地址映射示例如表1所列。