采用Zigbee技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的家用電器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息獲取便捷度和家庭網(wǎng)絡(luò)化的要求，設(shè)計(jì)了一種可以組織家用電器成小型網(wǎng)絡(luò)的家用網(wǎng)關(guān)。

該網(wǎng)關(guān)采用Zigbee技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，采用了自行設(shè)計(jì)的Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)使其適合嵌入式系統(tǒng)，達(dá)到了連接組網(wǎng)和交換信息的能力。
關(guān)鍵詞：家用網(wǎng)關(guān)；Zigbee；TCP／IP；串口調(diào)試

0 引言
    網(wǎng)關(guān)對(duì)于使用過(guò)網(wǎng)絡(luò)的人也許都不陌生，如家中或者辦公室中的連接個(gè)人電腦與國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)的路由器。這里討論的網(wǎng)關(guān)，它的作用不是連接你的個(gè)人電腦到互聯(lián)網(wǎng)上遨游，而是將你家中大大小小的家用電器連接到你的個(gè)人電腦上，進(jìn)而不需要你走進(jìn)家中就能通過(guò)PC機(jī)控制家用網(wǎng)關(guān)來(lái)獲取家電信息和控制它們。因?yàn)椴捎昧薢igbee無(wú)線技術(shù)，所以又稱為家用無(wú)線網(wǎng)關(guān)。

1 Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
    在Zigbee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常是通過(guò)“層”來(lái)量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的，每一層負(fù)責(zé)完成為其所規(guī)定的任務(wù)，并向上層提供服務(wù)。Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)自下往上主要由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層、網(wǎng)絡(luò)／安全層以及應(yīng)用框架層構(gòu)成。

    Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1所示)。其中定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD在硬件功能上比較完備，可以與所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD進(jìn)行通信。與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的“協(xié)調(diào)器”。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。除直接參與應(yīng)用外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還需要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

2 家用網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)及其軟硬件組成
    結(jié)合本課題中家用網(wǎng)關(guān)和家用電器的主從關(guān)系，本文采用基于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閆igbee無(wú)線網(wǎng)關(guān)需要將基于TCP協(xié)議的信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee網(wǎng)絡(luò)其它的節(jié)點(diǎn)，故它必須為一個(gè)FFD設(shè)備，同時(shí)它在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還要管理其它節(jié)點(diǎn)的一些信息，故其又實(shí)現(xiàn)為一個(gè)協(xié)調(diào)器。

根據(jù)課題要求，選擇的系統(tǒng)硬件組成：采用S3C4480嵌入式開發(fā)板，該開發(fā)自帶2M FLASH和8M RAM。網(wǎng)絡(luò)芯片采用RTL8019 10M網(wǎng)絡(luò)芯片，Zigbee通信模塊采用TI的CC2420芯片(兩片)。
    選用的系統(tǒng)軟件組成：uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee協(xié)議棧+LWIP TCP／IP協(xié)議棧。
    Zigbee無(wú)線網(wǎng)關(guān)基本功能為將基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)與基于Zigbee協(xié)議棧的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可以將基于常用的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，也可以將Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中。開啟Zigbee無(wú)線網(wǎng)關(guān)，其它的RFD節(jié)點(diǎn)通過(guò)與其通信，加入到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。這樣Zigbee無(wú)線網(wǎng)關(guān)就可以管理所有節(jié)點(diǎn)。
    這里涉及兩個(gè)主要協(xié)議棧：Zigbee協(xié)議棧和TCP／IP協(xié)議棧。
    TCE／IP協(xié)議棧這里選擇適合嵌入式應(yīng)用的LWIP協(xié)議棧，具有良好的移植性并且開放源代碼。
    考慮到目前還沒有完全可以用的Zigbee協(xié)議棧，在這里定義并實(shí)現(xiàn)了—個(gè)基本功能的Zigbee協(xié)議棧。其基本結(jié)構(gòu)為：
    (1)phy層：該層主要實(shí)現(xiàn)與具體Zigbee模塊硬件有關(guān)的操作。
    (2)mac層：基于phy層提供的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)Zigbee網(wǎng)絡(luò)的基本初始化，設(shè)置PAID，設(shè)置IEEE 64位地址，選擇通信通道，實(shí)現(xiàn)接收和發(fā)送Zigbee數(shù)據(jù)包功能。
    (3)nwk層：該部分用來(lái)從mac獲得接收到的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)行一系列的操作。根據(jù)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，如果是應(yīng)用層的數(shù)據(jù)，向上傳遞接收到的數(shù)據(jù)。如果是網(wǎng)絡(luò)層命令，則進(jìn)行具體操作。
    實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)層命令有：
    a)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)：進(jìn)行驗(yàn)證，并為加入的終端節(jié)點(diǎn)分配地址。
    b)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)請(qǐng)求離開該網(wǎng)絡(luò)：進(jìn)行驗(yàn)證，并將該節(jié)點(diǎn)從節(jié)點(diǎn)信息列表中刪除。
    c)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)加入該網(wǎng)絡(luò)成功。
    d)終端節(jié)點(diǎn)(RFD)離開該網(wǎng)絡(luò)成功。
    除此之外還包括針對(duì)這些請(qǐng)求的FFD響應(yīng)命令。
    (4)app層：該層從nwk層獲得數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行操作，與具體應(yīng)用有關(guān)。

3 家用網(wǎng)關(guān)的具體操作流程及其偽代碼
    Zigbee協(xié)議棧與TCP／IP協(xié)議棧，分別作為uCOS-II系統(tǒng)的兩個(gè)任務(wù)，這兩個(gè)任務(wù)之間通過(guò)消息隊(duì)列或者郵箱的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，用以實(shí)現(xiàn)任務(wù)的數(shù)據(jù)交換。
    在啟動(dòng)主機(jī)軟件時(shí)，用戶通過(guò)設(shè)定要連接的Zigbee網(wǎng)關(guān)IP，從而使用Zigbee網(wǎng)關(guān)的連接。在連接成功以后，PC主機(jī)請(qǐng)求Zigbee網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的信息，Zigbee網(wǎng)關(guān)將Zigbee網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送給主機(jī)，主機(jī)軟件顯示所有可能的節(jié)點(diǎn)。獲得所有節(jié)點(diǎn)信息以后，用戶就可以選擇要通信的節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)TCP將所有的操作信息發(fā)送給該節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)控制和監(jiān)控。
    這里寫出Zigbee協(xié)議棧任務(wù)基本流程偽代碼。
   

4 網(wǎng)關(guān)調(diào)試方法
    具體的操作過(guò)程：
    (1)打開串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置波特率為57 600，8位，l位停止，無(wú)奇偶校驗(yàn)和流量控制協(xié)議。
    (2)連接好Zigbee與PC的串口，同時(shí)連接電源。
    (3)在串口調(diào)試助手軟件中將顯示有關(guān)設(shè)備啟動(dòng)的信息和Zigbee網(wǎng)關(guān)相關(guān)信息。這時(shí)說(shuō)明Zigbee網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)初始化完成，并形成了一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)。
    (4)打開主機(jī)軟件，設(shè)置好連接的網(wǎng)關(guān)IP地址，然后點(diǎn)擊“連接”按鈕，這時(shí)在軟件左邊的列表框中顯示所有的Zigbee節(jié)點(diǎn)信息，也可以通過(guò)下面的“刷新節(jié)點(diǎn)信息”來(lái)獲得最新的節(jié)點(diǎn)信息列表。
    主機(jī)軟件最下面的只讀編輯框，里面顯示的是一些日志信息，方便調(diào)試。圖3顯示了網(wǎng)關(guān)調(diào)試情況：

5 結(jié)論
    通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)關(guān)具有實(shí)用性和可行性。在網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到不少困難，比如目前還沒有適用于ARM平臺(tái)的Zigbee協(xié)議棧，只能對(duì)現(xiàn)有的各種Zigbee協(xié)議棧進(jìn)行修改和移植，以適合ARM平臺(tái)，這一步實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜。另外，為了節(jié)省設(shè)備成本，測(cè)試中兩個(gè)RFD設(shè)備同時(shí)接在一個(gè)Zigbee無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)備上，距離較近，在實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試中并不適用。