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

　　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)主動權(quán)的重要研究對象。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)用簡單，適用于數(shù)據(jù)采集量小，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾氏鄬^低，以及分布范圍有限的情況下。只要保證不斷電其對數(shù)據(jù)的安全性是可靠的，在這些條件下，其有一個顯著的特點(diǎn)就是成本和功耗較低，且容易安裝并無需頻段注冊。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，對現(xiàn)代化的生活具有較高的應(yīng)用價值。本文對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

　　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)長避短地應(yīng)用ZigBee技術(shù)。無線傳輸系統(tǒng)的信號采集工作通過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)將采集來的信號變?yōu)殡娦盘?，再?jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)化，將其信號儲存于數(shù)據(jù)存儲器中，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)的整個轉(zhuǎn)換、傳輸和交互過程，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　整個數(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)儲存的存儲器，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

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

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由相當(dāng)量的節(jié)點(diǎn)組成，每個自帶電源的ZigBee節(jié)點(diǎn)均有可在需要時自主的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、簡單融合和數(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)，使得每個節(jié)點(diǎn)都發(fā)揮著路由器或者中繼的作用，由于每個節(jié)點(diǎn)的作用增強(qiáng)從而使整個網(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，自動路由轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測的數(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，需要通過微處理器和存儲器的協(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、存儲單元以及電源單元等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 ZigBee節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

　　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。把采集到的信號轉(zhuǎn)化為電信號，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，將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。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，因為CC2420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)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

　　(3)存儲單元則是用來存儲處理過后的采集數(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。

　　圖3 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

　　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)，儲存于存儲單元中。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，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP數(shù)據(jù)幀封裝，再啟動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)，則先需要驗證IP地址是否正確，然后上位機(jī)發(fā)送請求到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到請求將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。

　　3系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計

　　對于系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用監(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)動喚醒工作模式說明在運(yùn)用到該節(jié)點(diǎn)時它才進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、收發(fā)，未使用時處于休息狀態(tài)。在發(fā)送數(shù)據(jù)后則需判斷下一個節(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。而對于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)兩個不同網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)傳輸軟件的整體流程設(shè)計如圖4所示。

　　圖4 數(shù)據(jù)傳輸軟件整體流程圖