基于Zigbee技術的家用無線網(wǎng)關的設計

摘要：針對現(xiàn)代社會對信息獲取便捷度和家庭網(wǎng)絡化的要求，設計了一種可以組織家用電器成小型網(wǎng)絡的家用網(wǎng)關。該網(wǎng)關采用Zigbee技術和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的設計方案，采用了自行設計的Zigbee協(xié)議棧結(jié)構使其適合嵌入式系統(tǒng)，達到了連接組網(wǎng)和交換信息的能力。
關鍵詞：家用網(wǎng)關；Zigbee；TCP／IP；串口調(diào)試

0 引言
    網(wǎng)關對于使用過網(wǎng)絡的人也許都不陌生，如家中或者辦公室中的連接個人電腦與國際互聯(lián)網(wǎng)的路由器。這里討論的網(wǎng)關，它的作用不是連接你的個人電腦到互聯(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人電腦上，進而不需要你走進家中就能通過PC機控制家用網(wǎng)關來獲取家電信息和控制它們。因為采用了Zigbee無線技術，所以又稱為家用無線網(wǎng)關。

1 Zigbee技術的體系結(jié)構和拓撲結(jié)構
    在Zigbee技術中，其體系結(jié)構通常是通過“層”來量化它的各個簡化標準的，每一層負責完成為其所規(guī)定的任務，并向上層提供服務。Zigbee技術的體系結(jié)構自下往上主要由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層、網(wǎng)絡／安全層以及應用框架層構成。

    Zigbee技術網(wǎng)絡有2種拓撲結(jié)構：星型拓撲結(jié)構和對等拓撲結(jié)構(如圖1所示)。其中定義了兩種設備：全功能設備(FFD)和精簡功能設備(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只能和與其關聯(lián)的FFD進行通信。與RFD相關聯(lián)的FFD設備稱為該RFD的“協(xié)調(diào)器”。在整個網(wǎng)絡中，有一個FFD充當網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。除直接參與應用外，網(wǎng)絡協(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。

2 家用網(wǎng)關結(jié)構及其軟硬件組成
    結(jié)合本課題中家用網(wǎng)關和家用電器的主從關系，本文采用基于星型拓撲結(jié)構的Zigbee網(wǎng)絡。因為Zigbee無線網(wǎng)關需要將基于TCP協(xié)議的信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee網(wǎng)絡其它的節(jié)點，故它必須為一個FFD設備，同時它在整個Zigbee網(wǎng)絡還要管理其它節(jié)點的一些信息，故其又實現(xiàn)為一個協(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)絡芯片采用RTL8019 10M網(wǎng)絡芯片，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無線網(wǎng)關基本功能為將基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡與基于Zigbee協(xié)議棧的數(shù)據(jù)進行轉(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)絡中，也可以將Zigbee網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中。開啟Zigbee無線網(wǎng)關，其它的RFD節(jié)點通過與其通信，加入到該無線網(wǎng)絡中。這樣Zigbee無線網(wǎng)關就可以管理所有節(jié)點。
    這里涉及兩個主要協(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，在這里定義并實現(xiàn)了—個基本功能的Zigbee協(xié)議棧。其基本結(jié)構為：
    (1)phy層：該層主要實現(xiàn)與具體Zigbee模塊硬件有關的操作。
    (2)mac層：基于phy層提供的接口，實現(xiàn)對Zigbee網(wǎng)絡的基本初始化，設置PAID，設置IEEE 64位地址，選擇通信通道，實現(xiàn)接收和發(fā)送Zigbee數(shù)據(jù)包功能。
    (3)nwk層：該部分用來從mac獲得接收到的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行分析，進行一系列的操作。根據(jù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如果是應用層的數(shù)據(jù)，向上傳遞接收到的數(shù)據(jù)。如果是網(wǎng)絡層命令，則進行具體操作。
    實現(xiàn)的網(wǎng)絡層命令有：
    a)終端節(jié)點(RFD)請求加入該網(wǎng)絡：進行驗證，并為加入的終端節(jié)點分配地址。
    b)終端節(jié)點(RFD)請求離開該網(wǎng)絡：進行驗證，并將該節(jié)點從節(jié)點信息列表中刪除。
    c)終端節(jié)點(RFD)加入該網(wǎng)絡成功。
    d)終端節(jié)點(RFD)離開該網(wǎng)絡成功。
    除此之外還包括針對這些請求的FFD響應命令。
    (4)app層：該層從nwk層獲得數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容進行操作，與具體應用有關。

3 家用網(wǎng)關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)的兩個任務，這兩個任務之間通過消息隊列或者郵箱的形式進行數(shù)據(jù)通信，用以實現(xiàn)任務的數(shù)據(jù)交換。
    在啟動主機軟件時，用戶通過設定要連接的Zigbee網(wǎng)關IP，從而使用Zigbee網(wǎng)關的連接。在連接成功以后，PC主機請求Zigbee網(wǎng)絡中所有節(jié)點的信息，Zigbee網(wǎng)關將Zigbee網(wǎng)絡中所有的節(jié)點信息發(fā)送給主機，主機軟件顯示所有可能的節(jié)點。獲得所有節(jié)點信息以后，用戶就可以選擇要通信的節(jié)點，并通過TCP將所有的操作信息發(fā)送給該節(jié)點，從而實現(xiàn)對節(jié)點控制和監(jiān)控。
    這里寫出Zigbee協(xié)議棧任務基本流程偽代碼。
   

4 網(wǎng)關調(diào)試方法
    具體的操作過程：
    (1)打開串口調(diào)試助手軟件，設置波特率為57 600，8位，l位停止，無奇偶校驗和流量控制協(xié)議。
    (2)連接好Zigbee與PC的串口，同時連接電源。
    (3)在串口調(diào)試助手軟件中將顯示有關設備啟動的信息和Zigbee網(wǎng)關相關信息。這時說明Zigbee網(wǎng)絡已經(jīng)初始化完成，并形成了一個Zigbee網(wǎng)絡。
    (4)打開主機軟件，設置好連接的網(wǎng)關IP地址，然后點擊“連接”按鈕，這時在軟件左邊的列表框中顯示所有的Zigbee節(jié)點信息，也可以通過下面的“刷新節(jié)點信息”來獲得最新的節(jié)點信息列表。
    主機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)關調(diào)試情況：

5 結(jié)論
    通過網(wǎng)關設計分析，發(fā)現(xiàn)該網(wǎng)關具有實用性和可行性。在網(wǎng)關的設計過程中，遇到不少困難，比如目前還沒有適用于ARM平臺的Zigbee協(xié)議棧，只能對現(xiàn)有的各種Zigbee協(xié)議棧進行修改和移植，以適合ARM平臺，這一步實現(xiàn)起來較為復雜。另外，為了節(jié)省設備成本，測試中兩個RFD設備同時接在一個Zigbee無線網(wǎng)關設備上，距離較近，在實際生產(chǎn)測試中并不適用。