ZigBee與WiFi的雙模無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案解析

　　摘要

　　通過分析ZigBee和WiFi協(xié)議，結(jié)合嵌入式技術(shù)，提出了一種實(shí)現(xiàn)雙模無線網(wǎng)關(guān)的方案。借助于ZigBee2007，自定義通信傳輸協(xié)議幀，設(shè)計(jì) Linux和CC2530F256串口傳輸協(xié)議。其次，建立通信模型，進(jìn)行協(xié)議解析，實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換。最后設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，驗(yàn)證雙模無線網(wǎng)關(guān)可行性。

　　近年來，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線信息的傳遞越來越穩(wěn)定可靠，其糾錯(cuò)能力和抗干擾能力也越來越強(qiáng)。尤其隨著物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，無線通信技術(shù)憑借其自身的便捷性，也越來越受人們的青睞與重視［1］。

　　基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee協(xié)議具有自組織、穩(wěn)定性好、抗干擾性強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)檢測、軍事和醫(yī)療等方面。但其控制中心多是PC，不能適應(yīng)野外等特殊環(huán)境。WiFi作為一種越來越普及的無線通信技術(shù)，憑借覆蓋范圍廣、無需布線等優(yōu)點(diǎn)，廣泛存在于人們的生產(chǎn)生活中。以此提出一種適應(yīng)于復(fù)雜環(huán)境的雙模無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案，具有良好的應(yīng)用性和前瞻性［2］。

　　1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)由ZigBee模塊、開發(fā)板模塊和WiFi模塊組成。ZigBee模塊中，Coordinator作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)控制和監(jiān)測ZigBee路由節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)攜帶一個(gè)傳感器，負(fù)責(zé)把傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給Coordinator。開發(fā)板模塊作為協(xié)議轉(zhuǎn)換的樞紐，用于解析 Coordinator傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。WiFi模塊，將開發(fā)板解析的數(shù)據(jù)封裝成WiFi幀。這樣就實(shí)現(xiàn)雙模無線網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　2 無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

　　2.1 ZigBee數(shù)據(jù)流分析

　　ZB253002模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，執(zhí)行ZigBee2007/PRO協(xié)議的 ZigBee模塊，它具有ZigBee協(xié)議的全部特點(diǎn)。其主要的特點(diǎn)：

　　①自動組網(wǎng)。所有的模塊通電即自動組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器（Coordinator）自動給所有的節(jié)點(diǎn)分配地址，不需要用戶手動分配地址，網(wǎng)絡(luò)加入、應(yīng)答等專業(yè)ZigBee組網(wǎng)流程［3］。

　　②簡單數(shù)據(jù)傳輸。ZB253002模塊可以理解為“無線的 RS232 連接”，通過串行端口即可在任意節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ZigBee模塊有兩種數(shù)據(jù)的傳輸方式：數(shù)據(jù)透明傳輸，只要傳送的第一個(gè)字節(jié)不是0xFE、0xFD 或0xFC，則自動進(jìn)入數(shù)據(jù)透明傳輸方式；點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷綖?xFD（數(shù)據(jù)傳輸命令）+ 0x0A（數(shù)據(jù)長度）+（目標(biāo)地址）+（數(shù)據(jù)）。由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)傳輸給開發(fā)板的數(shù)據(jù)添加以0xFE開頭的15字節(jié)的節(jié)點(diǎn)信息，用來提供給 TI Sensor Monitor，觀察網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　Zigbee模塊設(shè)置命令表如表1所列。

　　表1 Zigbee模塊設(shè)置命令表

　　2.2 通信協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)

　　Coordinator是整個(gè)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立的中心，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹行臉屑~。因此，Coordinator的設(shè)計(jì)關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。Coordinator CC2530采用ZigBee2007協(xié)議棧。ZStack是TI公司提供的一種輪詢式操作系統(tǒng)，借助于Z-Stack，Coordinator上電后，首先進(jìn)行硬件和網(wǎng)絡(luò)初始化，然后創(chuàng)建3個(gè)任務(wù)：①ZigBee網(wǎng)絡(luò)任務(wù)，該任務(wù)通過Coordinator與其子節(jié)點(diǎn)的“綁定”完成。其綁定的過程，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，創(chuàng)建綁定表，并設(shè)定允許綁定模式，子節(jié)點(diǎn)發(fā)送綁定請求，Coordinator更新綁定表并響應(yīng)子節(jié)點(diǎn)。②串口協(xié)議解析任務(wù)，該任務(wù)用于解析來自開發(fā)板和子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將解析后的數(shù)據(jù)傳輸給子節(jié)點(diǎn)任務(wù)或發(fā)送給開發(fā)板［4］。③子節(jié)點(diǎn)任務(wù)，該任務(wù)主要用于接收子節(jié)點(diǎn)返回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給串口協(xié)議解析任務(wù)。這樣ZigBee協(xié)議幀的解析就轉(zhuǎn)到開發(fā)板端，由Linux操作系統(tǒng)完成，Linux解析完成后，將有效的數(shù)據(jù)放入指定的共享內(nèi)存。當(dāng) BOA收到外部Web請求，調(diào)用相應(yīng)的CGI獲取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并經(jīng)由無線網(wǎng)卡以WiFi的形式傳送給用戶。

　　2.3 傳輸協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)經(jīng)由Linux操作系統(tǒng)完成ZigBee協(xié)議的解析和WiFi協(xié)議幀的形成，主要的重點(diǎn)在于Coordinator與Linux串口傳輸協(xié)議的設(shè)計(jì)。串口傳輸協(xié)議自定義幀格式如下：

　　自定義幀的格式由幀頭、功能號、有效數(shù)據(jù)長度、有效數(shù)據(jù)和FCS校驗(yàn)5部分組成。幀頭定義為0x02；功能號因獲取的數(shù)據(jù)類型不同而異，有關(guān)幀格式功能碼定義如表2所列；有效數(shù)據(jù)長度用于標(biāo)識讀取有效數(shù)據(jù)的長度范圍，最大值為255；有效數(shù)據(jù)存放ZigBee協(xié)議幀；FCS校驗(yàn)用于數(shù)據(jù)段的校驗(yàn)。

　　表2 協(xié)議幀功能碼

　　根據(jù)設(shè)計(jì)中的自定義幀格式，報(bào)文中的有效數(shù)據(jù)被封裝成固定格式，通過串口進(jìn)行傳送。開發(fā)板和Coordinator通過監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)分別對收到得數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。解析流程（以Coordinator為例）如圖2所示，具體解析過程如下。

　　Step1：Coordinator監(jiān)聽串口（以中斷的方式），直到串口有數(shù)據(jù)。

　　Step2：讀取一個(gè)字節(jié)，判定是否為自定義幀頭。若不是，丟棄數(shù)據(jù)，回到Step1。

　　Step3：讀取兩個(gè)字節(jié)，匹配功能碼。匹配失敗，置錯(cuò)誤標(biāo)志位，丟棄數(shù)據(jù)，回到Step1。

　　Step4：讀取一個(gè)字節(jié)，若該字節(jié)數(shù)據(jù)為0，則直接跳到Step6。

　　Step5：若讀到的數(shù)據(jù)值為N（0 Step6：讀取兩個(gè)自己數(shù)據(jù)，對Step1~5讀到得數(shù)據(jù)FCS校驗(yàn)，若無差錯(cuò)，發(fā)送N個(gè)字節(jié)的有效數(shù)據(jù)給Z-Stack協(xié)議棧，由ZStack協(xié)議棧發(fā)送給子節(jié)點(diǎn)?；氐絊tep1。

　　Step7：若FCS校驗(yàn)錯(cuò)誤，置錯(cuò)誤標(biāo)志位，丟棄已讀數(shù)據(jù)，回到Step1。

　　圖2 串口協(xié)議解析流程圖

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

　　無線網(wǎng)關(guān)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，如圖3所示，由硬件驅(qū)動層、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層和應(yīng)用程序組成。硬件驅(qū)動層主要描述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中ZigBee模塊、 WiFi模塊以及其他外設(shè)的一些驅(qū)動；操作系統(tǒng)層移植ARM Linux，添加無線網(wǎng)卡驅(qū)動模塊；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層主要包括ZigBee協(xié)議棧和WiFi協(xié)議棧；應(yīng)用程序?qū)又饕浦擦饲度胧絎eb服務(wù)器（BOA）、嵌入式數(shù)據(jù)庫（Sqlite）、CGIC庫和圖形化用戶界面（Qt）［5］。

　　圖3 系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

　　3.2 系統(tǒng)軟件流程

　　根據(jù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖，系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖4所示。

　　圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

　　以ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送至異地終端瀏覽器的數(shù)據(jù)為例，介紹數(shù)據(jù)傳送的整個(gè)過程。當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器接收到來自ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，封裝成自定義幀的格式經(jīng)由串口傳送給Linux傳輸協(xié)議，經(jīng)協(xié)議解析，將有效數(shù)據(jù)寫入共享內(nèi)存。當(dāng)收到外部Web請求時(shí)，Web服務(wù)器通過CGI實(shí)時(shí)獲取共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)，并動態(tài)更新網(wǎng)頁，經(jīng)由WiFi無線網(wǎng)卡以無線的形式傳送至終端瀏覽器。

　　3.3 測試與驗(yàn)證

　　利用嵌入式技術(shù)對兩種協(xié)議進(jìn)行解析，完成協(xié)議轉(zhuǎn)換，最終利用手機(jī)通過WiFi遠(yuǎn)程訪問Web頁面，讀取ZigBee終端傳感器數(shù)據(jù)，并對ZigBee終端的小燈開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)雙模網(wǎng)關(guān)的基本功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

　　圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

　　結(jié)語

　　本文通過分析ZigBee與WiFi協(xié)議棧的特點(diǎn)，提出了一種雙模無線網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換的方案，該方案可以很好地完成ZigBee組網(wǎng)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程控制等任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于ZigBee和WiFi的雙模網(wǎng)關(guān)切實(shí)可行，可以實(shí)現(xiàn)全無線網(wǎng)絡(luò)的組建，為網(wǎng)絡(luò)通信從有線向無線過渡提供了一種解決方案。