基于ZigBee和WiFi的雙模網(wǎng)關設計方案

 基于IEEE802.15.4標準的ZigBee協(xié)議具有自組織、穩(wěn)定性好、抗干擾性強、功耗低等優(yōu)點，主要應用于農業(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，憑借覆蓋范圍廣、無需布線等優(yōu)點，廣泛存在于人們的生產(chǎn)生活中。以此提出一種適應于復雜環(huán)境的雙模無線網(wǎng)關設計方案，具有良好的應用性和前瞻性。

1 系統(tǒng)總體結構

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)絡的中心節(jié)點，負責控制和監(jiān)測ZigBee路由節(jié)點，每一個路由節(jié)點攜帶一個傳感器，負責把傳感器采集的數(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。這樣就實現(xiàn)雙模無線網(wǎng)關的轉換，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 無線網(wǎng)關的設計

2.1 ZigBee數(shù)據(jù)流分析

ZB253002模塊是基于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。其主要的特點：

①自動組網(wǎng)。所有的模塊通電即自動組網(wǎng)，協(xié)調器(Coordinator)自動給所有的節(jié)點分配地址，不需要用戶手動分配地址，網(wǎng)絡加入、應答等專業(yè)ZigBee組網(wǎng)流程。

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)點間進行數(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，只要傳送的第一個字節(jié)不是0xFE、0xFD 或0xFC，則自動進入數(shù)據(jù)透明傳輸方式;點對點的數(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)+(目標地址)+(數(shù)據(jù))。由協(xié)調節(jié)點傳輸給開發(fā)板的數(shù)據(jù)添加以0xFE開頭的15字節(jié)的節(jié)點信息，用來提供給 TI Sensor Monitor，觀察網(wǎng)絡結構。

Zigbee模塊設置命令表如表1所列。

表1 Zigbee模塊設置命令表

2.2 通信協(xié)調器的設計

Coordinator是整個網(wǎng)關轉換和無線傳感器網(wǎng)絡建立的中心，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹行臉屑~。因此，Coordinator的設計關系到整個系統(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，首先進行硬件和網(wǎng)絡初始化，然后創(chuàng)建3個任務：①ZigBee網(wǎng)絡任務，該任務通過Coordinator與其子節(jié)點的“綁定”完成。其綁定的過程，協(xié)調器建立網(wǎng)絡，創(chuàng)建綁定表，并設定允許綁定模式，子節(jié)點發(fā)送綁定請求，Coordinator更新綁定表并響應子節(jié)點。②串口協(xié)議解析任務，該任務用于解析來自開發(fā)板和子節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將解析后的數(shù)據(jù)傳輸給子節(jié)點任務或發(fā)送給開發(fā)板。③子節(jié)點任務，該任務主要用于接收子節(jié)點返回的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給串口協(xié)議解析任務。這樣ZigBee協(xié)議幀的解析就轉到開發(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)放入指定的共享內存。當 BOA收到外部Web請求，調用相應的CGI獲取共享內存中的數(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)議的實現(xiàn)

本設計經(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，主要的重點在于Coordinator與Linux串口傳輸協(xié)議的設計。串口傳輸協(xié)議自定義幀格式如下：

串口傳輸協(xié)議自定義幀格式

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，有關幀格式功能碼定義如表2所列;有效數(shù)據(jù)長度用于標識讀取有效數(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校驗用于數(shù)據(jù)段的校驗。

表2 協(xié)議幀功能碼

根據(jù)設計中的自定義幀格式，報文中的有效數(shù)據(jù)被封裝成固定格式，通過串口進行傳送。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：讀取兩個字節(jié)，匹配功能碼。匹配失敗，置錯誤標志位，丟棄數(shù)據(jù)，回到Step1。

Step4：讀取一個字節(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：讀取兩個自己數(shù)據(jù)，對Step1~5讀到得數(shù)據(jù)FCS校驗，若無差錯，發(fā)送N個字節(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。回到Step1。

Step7：若FCS校驗錯誤，置錯誤標志位，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)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件架構

無線網(wǎng)關軟件采用模塊化設計，如圖3所示，由硬件驅動層、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議層和應用程序組成。硬件驅動層主要描述網(wǎng)關節(jié)點中ZigBee模塊、 WiFi模塊以及其他外設的一些驅動;操作系統(tǒng)層移植ARM Linux，添加無線網(wǎng)卡驅動模塊;網(wǎng)絡協(xié)議層主要包括ZigBee協(xié)議棧和WiFi協(xié)議棧;應用程序層主要移植了嵌入式Web服務器(BOA)、嵌入式數(shù)據(jù)庫(Sqlite)、CGIC庫和圖形化用戶界面(Qt)。

圖3 系統(tǒng)軟件架構圖

3.2 系統(tǒng)軟件流程

根據(jù)系統(tǒng)軟件架構圖，系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流詳細設計如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

以ZigBee終端節(jié)點發(fā)送至異地終端瀏覽器的數(shù)據(jù)為例，介紹數(shù)據(jù)傳送的整個過程。當ZigBee協(xié)調器接收到來自ZigBee終端節(jié)點的數(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)寫入共享內存。當收到外部Web請求時，Web服務器通過CGI實時獲取共享內存中的數(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 測試與驗證

利用嵌入式技術對兩種協(xié)議進行解析，完成協(xié)議轉換，最終利用手機通過WiFi遠程訪問Web頁面，讀取ZigBee終端傳感器數(shù)據(jù)，并對ZigBee終端的小燈開關進行遠程控制，實現(xiàn)雙模網(wǎng)關的基本功能。實驗結果如圖5所示。

圖5 實驗結果圖

結語

本文通過分析ZigBee與WiFi協(xié)議棧的特點，提出了一種雙模無線網(wǎng)關轉換的方案，該方案可以很好地完成ZigBee組網(wǎng)、遠程數(shù)據(jù)采集和遠程控制等任務。實驗結果表明，基于ZigBee和WiFi的雙模網(wǎng)關切實可行，可以實現(xiàn)全無線網(wǎng)絡的組建，為網(wǎng)絡通信從有線向無線過渡提供了一種解決方案。