基于ZigBee的工業(yè)無(wú)線網(wǎng)關(guān)研究

128．128．2．202為網(wǎng)關(guān)在工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)分配的IP地址，用于有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息交換；0x000000220001、0x000000220002等為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)IEEE64位長(zhǎng)地址，0x1347為16位的個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(PANI)ID)，0xl699、0x169A為16位設(shè)備短地址(SADDR)。無(wú)線設(shè)備間通信可采用兩種方式：長(zhǎng)地址或PANID+SADDR。兩種方式均對(duì)應(yīng)于一個(gè)ObjeetID，地址映射減少了通信傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，從而提高了通信效率。
(2) 進(jìn)程通信機(jī)制
為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，進(jìn)程間通信采用消息觸發(fā)的方式，在有線協(xié)議(以太網(wǎng))的開發(fā)中移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc／OS-II。進(jìn)程間通信主要通過(guò)調(diào)用μC／0S―II的消息函數(shù)――消息請(qǐng)求0SQrequest()和消息觸發(fā)OSQpost()來(lái)實(shí)現(xiàn)。在協(xié)議開發(fā)中，根據(jù)不同協(xié)議堆棧中不同層完成的功能進(jìn)行進(jìn)程任務(wù)劃分，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)來(lái)確定任務(wù)調(diào)用次序，未被觸發(fā)的任務(wù)始終處于消息請(qǐng)求狀態(tài)。如果同一時(shí)刻兩個(gè)任務(wù)被觸發(fā)，則根據(jù)優(yōu)先級(jí)觸發(fā)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，而優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)處于等待狀態(tài)。
3．3 無(wú)線／以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換
ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換主要是實(shí)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)報(bào)文與以太網(wǎng)報(bào)文雙向轉(zhuǎn)換。圖3所示為兩種協(xié)議報(bào)文格式轉(zhuǎn)換圖。圖中給出了協(xié)議開發(fā)中定義每一層的字節(jié)數(shù)，其中PAYLOAD字節(jié)數(shù)可變，最大不超過(guò)127 B。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)關(guān)射頻部分(PHY層)接收到數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)ZigBee通信協(xié)議從PHY到APS解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP(UDP)／IP(42 B)的報(bào)文格式，交由滿足IEEE802．3以太網(wǎng)通信協(xié)議的網(wǎng)卡處理，從而實(shí)現(xiàn)將無(wú)線接收到的信息傳輸?shù)酵獠靠刂凭W(wǎng)絡(luò)中。

3．4 服務(wù)定義及實(shí)現(xiàn)
為實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的信息交互及控制功能，無(wú)線網(wǎng)關(guān)須完成相應(yīng)的服務(wù)功能。無(wú)線網(wǎng)關(guān)提供的基本服務(wù)主要有：讀／寫服務(wù)、信息分發(fā)服務(wù)、設(shè)備上線服務(wù)。服務(wù)功能在網(wǎng)絡(luò)連接成功后開始實(shí)現(xiàn)，不同服務(wù)對(duì)應(yīng)不同的服務(wù)號(hào)。讀寫服務(wù)主要是針對(duì)設(shè)備參數(shù)的讀取和設(shè)置；信息分發(fā)服務(wù)是將無(wú)線通信設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)周期性地分發(fā)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再轉(zhuǎn)發(fā)到控制網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備上線服務(wù)是標(biāo)示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，即上線、掉線，該服務(wù)的服務(wù)類型為周期性，其他服務(wù)必須在此服務(wù)之后才能執(zhí)行。各種服務(wù)雖然完成不同的功能，但都通過(guò)同一服務(wù)接口，因此在實(shí)現(xiàn)中設(shè)計(jì)了一套相同的服務(wù)報(bào)文格式：

服務(wù)報(bào)文主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：短地址、服務(wù)號(hào)、參數(shù)索引。CRC為安全校驗(yàn)，LQI為鏈接質(zhì)量，PHYheader、MAC header、NwK header和APS header分別為物理層、媒體訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層頭字節(jié)，字節(jié)數(shù)與圖3中的規(guī)定相同。

4 功能測(cè)試
無(wú)線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)采用雙CPU模式，即AT91R40008+CC2430模式。AT91R40008是一款基于ARM7內(nèi)核的處理器，在網(wǎng)關(guān)開發(fā)中用于承載以太網(wǎng)協(xié)議；CC2430是一款基于IEEE802．15．4協(xié)議的無(wú)線通信芯片，它包括1個(gè)2．4 GHz的射頻收發(fā)器和1顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器，用于承載無(wú)線通信協(xié)議。這種解決方案能夠提高系統(tǒng)性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4GHz的ISM波段應(yīng)用需求。
4．1 測(cè)試方法
對(duì)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的測(cè)試主要采用兩款工具軟件――TI公司的Packet Sniffer forCC2430和免費(fèi)開源的Ethereal，主要測(cè)試無(wú)線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能、協(xié)議轉(zhuǎn)換正確性以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理功能等。Packet Sniffel for CC2430為無(wú)線通信協(xié)議分析軟件，配合C51RF一3無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀可以捕獲空中ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)報(bào)文；Ethereal為專用于通過(guò)網(wǎng)口捕獲以太網(wǎng)報(bào)文的以太網(wǎng)協(xié)議分析軟件。測(cè)試時(shí)，可通過(guò)兩款協(xié)議分析軟件分別捕獲無(wú)線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文，對(duì)這兩種報(bào)文進(jìn)行分析比較，從而完成對(duì)無(wú)線網(wǎng)關(guān)相關(guān)功能的驗(yàn)證；同時(shí)也可通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)建立無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)，通過(guò)專用無(wú)線組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)功能測(cè)試，從而驗(yàn)證無(wú)線網(wǎng)關(guān)功能。
4．2 測(cè)試界面及分析
(1)數(shù)據(jù)收發(fā)及協(xié)議轉(zhuǎn)換功能驗(yàn)證
圖4所示為Packet Sniffer for CC2430捕獲空中的無(wú)線數(shù)據(jù)報(bào)文。無(wú)線數(shù)據(jù)報(bào)文包括接收時(shí)問(wèn)(Time)、幀長(zhǎng)度(Length)、幀控制域(Frame controlfield)、序列號(hào)(Sequence number)、個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(PANID)、目的地／源地址(Dest／Source Address)等信息。畫線部分(16 99 1401 00 04 01 OO 01 09 08 02 00)為無(wú)線報(bào)文中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)為無(wú)線設(shè)備發(fā)送出的無(wú)線報(bào)文有效載荷，由無(wú)線網(wǎng)關(guān)CC2430射頻部分接收。