ZigBee和WiFi的雙模無線網關設計

杜永慧，李允俊

（延邊大學 工學院，延吉133000）

引 言

近年來，隨著通信技術的發展，無線信息的傳遞越來越穩定可靠，其糾錯能力和抗干擾能力也越來越強。尤其隨著物聯網的蓬勃發展，無線通信技術憑借其自身的便捷性，也越來越受人們的青睞與重視［1］。

基于IEEE802.15.4標準的ZigBee協議具有自組織、穩定性好、抗干擾性強、功耗低等優點，主要應用于農業、工業檢測、軍事和醫療等方面。但其控制中心多是PC，不能適應野外等特殊環境。WiFi作為一種越來越普及的無線通信技術，憑借覆蓋范圍廣、無需布線等優點，廣泛存在于人們的生產生活中。以此提出一種適應于復雜環境的雙模無線網關設計方案，具有良好的應用性和前瞻性［2］。

1 系統總體結構

系統由ZigBee模塊、開發板模塊和 WiFi模塊組成。ZigBee模塊中，Coordinator作為ZigBee網絡的中心節點，負責控制和監測ZigBee路由節點，每一個路由節點攜帶一個傳感器，負責把傳感器采集的數據發送給Coordinator。開發板模塊作為協議轉換的樞紐，用于解析Coordinator傳輸的數據。WiFi模塊，將開發板解析的數據封裝成WiFi幀。這樣就實現雙模無線網關的轉換，系統結構如圖1所示。

2 無線網關的設計

2.1 ZigBee數據流分析

ZB2530－02模塊是基于TI公司CC2530F256芯片，執行ZigBee2007／PRO協議的ZigBee模塊，它具有ZigBee協議的全部特點。其主要的特點：

圖1 系統總體結構

①自動組網。所有的模塊通電即自動組網，協調器（Coordinator）自動給所有的節點分配地址，不需要用戶手動分配地址，網絡加入、應答等專業ZigBee組網流程［3］。

②簡單數據傳輸。ZB2530－02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點間進行數據傳輸。ZigBee模塊有兩種數據的傳輸方式：數據透明傳輸，只要傳送的第一個字節不是0xFE、0xFD或0xFC，則自動進入數據透明傳輸方式；點對點的數據傳輸方式，數據傳輸的格式為0xFD（數據傳輸命令）＋0x0A（數據長度）＋（目標地址）＋（數據）。由協調節點傳輸給開發板的數據添加以0xFE開頭的15字節的節點信息，用來提供給 TI Sensor Monitor，觀察網絡結構。

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 通信協調器的設計

Coordinator是整個網關轉換和無線傳感器網絡建立的中心，是數據傳輸的中心樞紐。因此，Coordinator的設計關系到整個系統的穩定性和可靠性。Coordinator CC2530采用ZigBee2007協議棧。Z－Stack是TI公司提供的一種輪詢式操作系統，借助于Z－Stack，Coordinator上電后，首先進行硬件和網絡初始化，然后創建3個任務：①ZigBee網絡任務，該任務通過Coordinator與其子節點的“綁定”完成。其綁定的過程，協調器建立網絡，創建綁定表，并設定允許綁定模式，子節點發送綁定請求，Coordinator更新綁定表并響應子節點。②串口協議解析任務，該任務用于解析來自開發板和子節點的數據，并將解析后的數據傳輸給子節點任務或發送給開發板［4］。③子節點任務，該任務主要用于接收子節點返回的數據，并將數據傳輸給串口協議解析任務。這樣ZigBee協議幀的解析就轉到開發板端，由Linux操作系統完成，Linux解析完成后，將有效的數據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據，并經由無線網卡以WiFi的形式傳送給用戶。

2.3 傳輸協議的實現

本設計經由Linux操作系統完成ZigBee協議的解析和WiFi協議幀的形成，主要的重點在于Coordinator與Linux串口傳輸協議的設計。串口傳輸協議自定義幀格式如下：

幀頭 功能號 有效數據長度 有效數據 FCS 校驗8位 16位 8位 可變 16位

自定義幀的格式由幀頭、功能號、有效數據長度、有效數據和FCS校驗5部分組成。幀頭定義為0x02；功能號因獲取的數據類型不同而異，有關幀格式功能碼定義如表2所列；有效數據長度用于標識讀取有效數據的長度范圍，最大值為255；有效數據存放ZigBee協議幀；FCS校驗用于數據段的校驗。

表2 協議幀功能碼

根據設計中的自定義幀格式，報文中的有效數據被封裝成固定格式，通過串口進行傳送。開發板和Coordinator通過監聽串口數據分別對收到得數據包進行解析。解析流程（以Coordinator為例）如圖2所示，具體解析過程如下。

Step1：Coordinator監聽串口（以中斷的方式），直到串口有數據。

Step2：讀取一個字節，判定是否為自定義幀頭。若不是，丟棄數據，回到Step1。

Step3：讀取兩個字節，匹配功能碼。匹配失敗，置錯誤標志位，丟棄數據，回到Step1。

Step4：讀取一個字節，若該字節數據為0，則直接跳到Step6。

Step5：若讀到的數據值為N（0＜N＜255），讀取N個字節，暫時保存。

Step6：讀取兩個自己數據，對Step1～5讀到得數據FCS校驗，若無差錯，發送N個字節的有效數據給ZStack協議棧，由Z－Stack協議棧發送給子節點。回到Step1。

Step7：若FCS校驗錯誤，置錯誤標志位，丟棄已讀數據，回到Step1。

圖2 串口協議解析流程圖

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件架構

無線網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、網絡協議層和應用程序組成。硬件驅動層主要描述網關節點中ZigBee模塊、WiFi模塊以及其他外設的一些驅動；操作系統層移植ARM Linux，添加無線網卡驅動模塊；網絡協議層主要包括ZigBee協議棧和WiFi協議棧；應用程序層主要移植了嵌入式Web服務器（BOA）、嵌入式數據庫（Sqlite）、CGIC庫和圖形化用戶界面（Qt）［5］。

圖3 系統軟件架構圖

3.2 系統軟件流程

根據系統軟件架構圖，系統軟件數據流詳細設計如圖4所示。

圖4 系統數據流圖

以ZigBee終端節點發送至異地終端瀏覽器的數據為例，介紹數據傳送的整個過程。當ZigBee協調器接收到來自ZigBee終端節點的數據后，封裝成自定義幀的格式經由串口傳送給Linux傳輸協議，經協議解析，將有效數據寫入共享內存。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據，并動態更新網頁，經由WiFi無線網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議進行解析，完成協議轉換，最終利用手機通過 WiFi遠程訪問 Web頁面，讀取ZigBee終端傳感器數據，并對ZigBee終端的小燈開關進行遠程控制，實現雙模網關的基本功能。實驗結果如圖5所示。

結 語

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

圖5 實驗結果圖

［1］石明明，魯周迅.三種無線通信協議技術綜述［J］.通信技術，2011，44（7）：72－73.

［2］高廣恩.多信道優化算法及工業無線通信協議棧的研究與應用［D］.大連：大連理工大學，2012：1－15.

［3］馬新濤.基于ZigBee技術的無線網關［D］.青 島：中 國 海 洋 大 學，2010：57－62.

［4］許馳，李新春.基于ZigBee－WSN的溫濕度監控系統［J］.單片機與嵌入式系統應用，2012（12）：36－39.

［5］李建高，李樹明.基于藍牙與智能手機的遠程信息采集與控制［J］.微型機與應用，2012，31（17）：92－94.