基于ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)間數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究

 摘要 利用ZigBee技術(shù)開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是掌握應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)主動(dòng)權(quán)的重要研究對(duì)象。文中介紹了ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)之間基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的概況，探討了監(jiān)控系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制的過程，以及ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)間數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換及交互的實(shí)現(xiàn)。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的一種低速率、短距離的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。其應(yīng)用簡(jiǎn)單，適用于數(shù)據(jù)采集量小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾氏鄬?duì)較低，以及分布范圍有限的情況下。只要保證不斷電其對(duì)數(shù)據(jù)的安全性是可靠的，在這些條件下，其有一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是成本和功耗較低，且容易安裝并無需頻段注冊(cè)。在目前標(biāo)準(zhǔn)眾多短距離無線傳輸?shù)耐ㄐ蓬I(lǐng)域中，ZigBee的發(fā)展速度遠(yuǎn)超過了其他類的無線傳輸技術(shù)。ZigBee不僅在工業(yè)、軍事、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域而且在日常生活中應(yīng)用廣泛，對(duì)現(xiàn)代化的生活具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本文對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)間異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸過程進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ZigBee是短距離、低耗、低復(fù)雜度的雙向無線傳輸技術(shù)，它可嵌入各種相關(guān)設(shè)備以提高監(jiān)控的應(yīng)用范圍。要運(yùn)用其來開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，必須揚(yáng)長(zhǎng)避短地應(yīng)用ZigBee技術(shù)。無線傳輸系統(tǒng)的信號(hào)采集工作通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行，傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量可達(dá)成千上萬，眾多傳感器協(xié)同工作，自組網(wǎng)多點(diǎn)路由地傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多方位、廣范圍地采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。這些大量的傳感器節(jié)點(diǎn)作為ZigBee節(jié)點(diǎn)的一員組成了系統(tǒng)的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳輸系統(tǒng)利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集來的信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，再經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)化，將其信號(hào)儲(chǔ)存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，并通過無線收發(fā)器發(fā)射到網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ZigBee方式的解包和按照以太網(wǎng)傳輸模式再次打包的方式上傳送以太網(wǎng)，從而完成ZigBee網(wǎng)數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)的整個(gè)轉(zhuǎn)換、傳輸和交互過程，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為3部分，其中ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。其兩部分包括處理整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的微處理器和用于進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的存儲(chǔ)器，以及連接網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)接口等硬件設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由相當(dāng)量的節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)自帶電源的ZigBee節(jié)點(diǎn)均有可在需要時(shí)自主的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、簡(jiǎn)單融合和數(shù)據(jù)信息發(fā)送等功能。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)這種多節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得每個(gè)節(jié)點(diǎn)都發(fā)揮著路由器或者中繼的作用，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)的作用增強(qiáng)從而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍也成倍的擴(kuò)大。在ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)中，為獲取大量的數(shù)據(jù)信息，通常在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置了大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。由于各種因素造成節(jié)點(diǎn)存在復(fù)雜的不確定性，這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組網(wǎng)的能力，自動(dòng)路由轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。然而作為節(jié)點(diǎn)的通信距離有限，節(jié)點(diǎn)也需作為一個(gè)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由來達(dá)到與之范圍內(nèi)以外的節(jié)點(diǎn)通信。眾多傳感器節(jié)點(diǎn)采用部分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也在較大程度上擴(kuò)寬了節(jié)點(diǎn)的通信范圍。這就使ZigBee節(jié)點(diǎn)的路由能力增強(qiáng)。

節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)完畢后，要進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，需要通過微處理器和存儲(chǔ)器的協(xié)作。而數(shù)據(jù)的收發(fā)則通過節(jié)點(diǎn)中的RF收發(fā)單元完成。所以一般傳感器網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee節(jié)點(diǎn)可由傳感器單元、處理單元、RF收發(fā)單元、存儲(chǔ)單元以及電源單元等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在微處理單元的控制下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、接收和發(fā)送。各個(gè)模塊的功能分別為：

(1)傳感器單元的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。把采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過A/D接口在微處理單元的控制下進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。根據(jù)采集環(huán)境的不同選擇相應(yīng)的傳感器。

(2)ZigBee的RF收發(fā)單元通過SPI接口和微處理器MCU進(jìn)行交互，從而完成與其他節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制信息的交換。而收發(fā)單元芯片一般選用CC2420這款RF收發(fā)器件，因?yàn)镃C2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用該芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbit·s-1可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

(3)存儲(chǔ)單元?jiǎng)t是用來存儲(chǔ)處理過后的采集數(shù)據(jù)，便于重新打包發(fā)送。

(4)電源是ZigBee節(jié)點(diǎn)能否生存的關(guān)鍵，微處理部件顯而易見成為了執(zhí)行命令的發(fā)起者與協(xié)調(diào)者，起到了中樞系統(tǒng)的作用。

2.2 網(wǎng)關(guān)

ZigBee網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)信息靠自身的能力是不可能將數(shù)據(jù)信息傳輸與監(jiān)測(cè)中心的上位機(jī)，重要途徑是通過以太網(wǎng)絡(luò)而到達(dá)目的地，ZigBee網(wǎng)和以太網(wǎng)是兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，其之間不能進(jìn)行直接數(shù)據(jù)交換傳輸，網(wǎng)關(guān)起著網(wǎng)絡(luò)傳輸紐帶的作用。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)主要由處理芯片與以太網(wǎng)控制芯片兩部分結(jié)合以達(dá)到不同網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男Ч＞W(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

網(wǎng)關(guān)的主要作用分為ZigBee網(wǎng)接收和以太網(wǎng)發(fā)送兩部分：

(1)網(wǎng)關(guān)中的ZigBee收發(fā)單元接收ZigBee節(jié)點(diǎn)采集到的并以數(shù)據(jù)包形式發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息，然后通過串行外圍接口(SPI)發(fā)送給MCU，MCU經(jīng)過處理后解析出有用的ZigBee數(shù)據(jù)，儲(chǔ)存于存儲(chǔ)單元中。完成ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信。

(2)以太網(wǎng)控制芯片RTL8091AS是以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的控制器。網(wǎng)關(guān)解析出ZigBee數(shù)據(jù)，發(fā)送到以太網(wǎng)控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，把數(shù)據(jù)寫入RTL8091 AS的數(shù)據(jù)區(qū)域，然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP數(shù)據(jù)幀封裝，再啟動(dòng)RTL8091AS發(fā)送封裝好的TCP/IP數(shù)據(jù)幀到以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸交換。

以上兩個(gè)步驟完成了數(shù)據(jù)從ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)到以太網(wǎng)絡(luò)的傳遞。反之?dāng)?shù)據(jù)要從以太網(wǎng)絡(luò)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，則先需要驗(yàn)證IP地址是否正確，然后上位機(jī)發(fā)送請(qǐng)求到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求將TCP/IP數(shù)據(jù)包解壓，然后解析出有用的數(shù)據(jù)信息打包成ZigBee數(shù)據(jù)包，再通過網(wǎng)關(guān)中的ZigBee收發(fā)單元以無線的方式發(fā)送給ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)。這就實(shí)現(xiàn)了由以太網(wǎng)絡(luò)到傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包透明轉(zhuǎn)換和無線傳輸。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)是本文研究ZigBee網(wǎng)與以太網(wǎng)間異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾M成部分，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸必須的硬件平臺(tái)。

3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)

對(duì)于系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用監(jiān)控因事件喚醒模式，這樣ZigBee低功耗的特點(diǎn)得到充分的體現(xiàn)。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)中有大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，采用事件驅(qū)動(dòng)喚醒工作模式說明在運(yùn)用到該節(jié)點(diǎn)時(shí)它才進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、收發(fā)，未使用時(shí)處于休息狀態(tài)。在發(fā)送數(shù)據(jù)后則需判斷下一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否接收成功，如接收成功則說明此節(jié)點(diǎn)在通信范圍內(nèi)。這就避免了每個(gè)節(jié)點(diǎn)均工作而帶來的高功耗。另外節(jié)點(diǎn)間的通信采用CRE校驗(yàn)來確保通信的誤碼率在可控安全范圍內(nèi)。這是ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的軟件模式。而對(duì)于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸軟件的整體流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

(1)首先啟動(dòng)系統(tǒng)并初始化ZigBee網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，事件喚醒節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換打包為ZigBee數(shù)據(jù)包，通過ZigBee收發(fā)單元發(fā)送數(shù)據(jù)包到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)如接收成功將返回一個(gè)成功信息并進(jìn)行繼續(xù)的數(shù)據(jù)包傳輸處理，直至整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。反之不成功，程序就返回到繼續(xù)發(fā)送ZigBee數(shù)據(jù)包，直至完成整個(gè)傳輸規(guī)定的次數(shù)同時(shí)報(bào)錯(cuò)。

(2)網(wǎng)關(guān)接收到ZigBee數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過微處理器的處理，解包出ZigBee數(shù)據(jù)包中有用的數(shù)據(jù)，并將其寫入到RTLS019AS芯片控制器中，轉(zhuǎn)換為TCP/IP數(shù)據(jù)包，發(fā)送給以太網(wǎng)絡(luò)。這時(shí)如果發(fā)送成功，就會(huì)返送回一個(gè)信息提示操作完畢，否則程序就繼續(xù)返回到網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)絡(luò)，直至完成整個(gè)傳輸規(guī)定的次數(shù)同時(shí)報(bào)錯(cuò)。

4 ZigBee網(wǎng)協(xié)議結(jié)構(gòu)及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

4.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系

要研究數(shù)據(jù)傳輸必須先了解ZigBee網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)，按照OSI模型可分為4層，從下往上分別是物理層、媒體訪問控制層(MAC)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)/安全層和應(yīng)用層(APL)。其中物理層與MAC層使用的是IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層則是由ZigBee聯(lián)盟制定的。體系的每一層向它的上面層提供數(shù)據(jù)服務(wù)或管理服務(wù)。ZigBee的應(yīng)用層支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象組成。

4.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

ZigBee支持含有主從設(shè)備的星型、樹形和對(duì)等型的3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中星型網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)均需通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中起到了網(wǎng)絡(luò)管理的作用;樹形網(wǎng)絡(luò)中包含協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)路由節(jié)點(diǎn)跟終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)作用則是完成路由功能，路由節(jié)點(diǎn)將信息轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)才能將信息傳遞給終端節(jié)點(diǎn);而對(duì)于對(duì)等型網(wǎng)絡(luò)，它的節(jié)點(diǎn)彼此相通，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有轉(zhuǎn)發(fā)功能，一般對(duì)于大面積的監(jiān)測(cè)，可以采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而星型和樹形網(wǎng)絡(luò)則多是用于一對(duì)多的短距離數(shù)據(jù)采集與傳輸上面。

4.3 ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)

ZigBee節(jié)點(diǎn)通過路由獲取來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多元化采集信息，并自下而上通過各協(xié)議層次的規(guī)范化進(jìn)行解析。其轉(zhuǎn)換途徑為ZigBee網(wǎng)方面的物理層(PHY)、MAC層→網(wǎng)絡(luò)層(NWK)→應(yīng)用支持子層(APS)、應(yīng)用層(APL)。為使傳感器所采集的數(shù)據(jù)上傳至處理中心，網(wǎng)關(guān)必須接入以太網(wǎng)，故以太網(wǎng)方面的轉(zhuǎn)換途徑為應(yīng)用層→傳輸層(TCP)→地址尋址層(IP)→以太網(wǎng)幀接入層(網(wǎng)卡)。綜上所述網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件運(yùn)行就是各層協(xié)議的分別執(zhí)行，各層協(xié)議根據(jù)其接入和服務(wù)對(duì)象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)要求，按照各層協(xié)議的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，完成業(yè)務(wù)類型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作，最終由網(wǎng)卡模塊實(shí)現(xiàn)接入功能。協(xié)議模型如圖5所示。

4.4 網(wǎng)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

協(xié)議轉(zhuǎn)換是前提，但根本的作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀在兩個(gè)不同類型網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換，要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀用兩種協(xié)議規(guī)則實(shí)現(xiàn)各自的轉(zhuǎn)換方式，并在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。轉(zhuǎn)換規(guī)則和格式各不相同，ZigBee數(shù)據(jù)幀的解析過程是自下而上通過各種協(xié)議層的規(guī)范來進(jìn)行數(shù)據(jù)幀解析，各層數(shù)據(jù)幀的格式如圖6所示。

在物理層中脫去本層的同步幀頭和物理層幀頭后，形成上述MAC層的數(shù)據(jù)單元(MPDU);在MAC層里脫去本層的幀頭和幀尾后又形成網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)單元(NPDU)，在NWK層里脫去本層的幀頭后又形成應(yīng)用支持子層的數(shù)據(jù)單元(APDU)，在應(yīng)用支持子層直到應(yīng)用層解析為原始數(shù)據(jù)。在以太網(wǎng)中的數(shù)據(jù)幀形成過程是自上而下通過以太網(wǎng)各協(xié)議層的規(guī)范來進(jìn)行數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換的，過程如圖7所示。

5 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展ZigBee技術(shù)使用范圍越來越廣泛，目前ZigBee技術(shù)已成為短距離數(shù)據(jù)無線傳輸應(yīng)用中的常用技術(shù)，本文將該技術(shù)應(yīng)用于ZigBee網(wǎng)到以太網(wǎng)間的數(shù)據(jù)傳輸。探討了從ZigBee節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)到網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)浇邮者@一系列的過程，成功的實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間數(shù)據(jù)的傳輸。說明了采用Zig Bee技術(shù)來實(shí)現(xiàn)短距離、低功耗、低成本的傳輸體系，是最佳選擇。通過對(duì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的進(jìn)一步研究，對(duì)于加速物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推廣應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。