物聯網ZigBee網關的設計與實現方法

隨著傳感器、無線通信等技術的迅速的不斷發展，物聯網在倉庫物理、智能電網等領域都得到了廣泛的應用。作為計算機網絡及移動通訊設備之后的又一次信息革新，如何設計與實現物聯網ZigBee網關成為我們研究的熱點。因為物聯網中的BigZee網關的協議與廣泛的TCP/IP協議并不一致，這就為實現兩種不同的網絡的融合帶來了難題。本文就主要對此進行深入的探討。本文主要從網關的內部構造及ZigBee在以太網中與其他模塊之間的交互作用角度出發，探索如何實現異構網絡的融合，以達到數據順利傳輸和有效處理。

【關鍵詞】物聯網 ZigBee 網關設計與實現

1 引言

物聯網的概念是在2005年的國際電信聯盟上提出的。在信息化的時代，物聯網的提出的應用，加強了人與人之間甚至人與物之間的通道，為人們的生活帶來了便利，使人們的生活更加智能化、簡單化。物聯網的發展伴隨這無線傳感器技術的不斷成熟，無線傳感器結構簡單、成本低廉、工作時間長等優點為物聯網的發展帶來了極大地發展空間。但是由于物聯網中廣泛采用的BigZee網關的網絡結構與TCP/IP的網絡結構不同，如何使兩種異構網絡結構的網關進行有效地融合成為我們要探討的關鍵技術。本文主要從網管的需求分析、軟件各模塊之間的設計與實現等兩大部分進行論述，以求解救此問題。

2 網關的需求分析

物聯網的網絡結構設計一般分為感知層、傳輸層、和應用層三層。感知層的主要作用是收集信息并進行數據的傳輸。在感知層中，通過傳感器、REID、攝像頭等技術對農場、交通等的數據信息進行收集并通過無線網絡將數據傳輸出去。在傳輸層中，運用現代的寬帶技術對感知層收集的數據進行收集，一方面擴展了感知層的傳輸距離，另一方面加強了感知層和傳輸層之間的聯系。而應用層主要負責的傳輸層輸送的數據的處理、加工，應用層的技術數據處理的結果也是物聯網的最終目的。物聯網的BigZee網關位于傳輸層中，其連接傳感器和傳統通信網絡的作用。網關的主要功能有協議轉換、數據收發、傳感網絡管理等。

2.1 協議轉換功能

在網絡設計與數據傳輸過程中，網關最基本的功能就是使數據在不同的協議之間進行轉換。當收到物聯網的ZigBee網關發送的數據之后，網關根據ZigBee協議進行去除PHY層、包頭等之后再對數據進行封裝，然后傳送給下一個網絡節點。因此，在大的網絡中，應有ZigBee和TCP/IP兩種協議，才能使數據在以太網中順利傳輸。

2.2 數據收發功能

網關作為溝通傳感器和通信網絡之間的橋梁，能夠起到數據中專的作用。ZigBee的數據在節點內容進行處理之后通過傳輸層傳遞給網關，網關在進行數據封裝之后通過以太網傳輸給IP主機。同時，IP主機的數據信息也可以通過網絡中轉傳遞給物聯網的ZigBee節點。網關中轉站的功能完美實現了數據在哥節點之間的傳遞。

2.3 傳感器網絡管理功能

ZigBee的一個很重要的功能是實現ZigBee網絡的管理，處理網絡的建立、網絡的申請等事項，在數據傳輸過程中，分配網絡地址、完善網絡的拓撲結構等，同時在節點完成數據傳輸時及時對節點進行回收。

3 網關的總體設計與軟件各模塊之間的的設計與實現

3.1 網關的總體設計

網關的總體設計主要包括網關的硬件設計和軟件設計兩大部分。網關總體設計與實現對后續各個軟件之間的設計及數據的處理傳遞至關重要。

3.1.1 硬件設計

網關的硬件設計大致都是CPU 結構，CPU結構中主要包括ZigBee和CC2530兩個模塊。兩個模塊分別采用了ZigBee開發套件和龍芯1B開發板。在兩個模塊進行連接時，主要通過套件和開發板進行連接，從而共同完成網關的功能。

3.1.2 軟件設計

軟件的設計主要采用嵌入式Linux操作系統和Stack協議棧，根據各個軟件模塊的需求分析確定網關的各個功能模塊，軟件設計的主要目的是完成網關軟件結構、網關與IP網絡主機及ZigBee網關節點之間的有效連接。

在軟件設計中，我們著重討論Linux的設計與實現。從自身性能來考慮，Linux操作系統的內存較小，并且內核可以進行裁剪，相對于其他操作系統更能符合服務器的需求。而且，Linux操作系統的源碼是開發的，并進行模塊化設計，能更好地在后期進行完善。再者，Linux操作系統本身支持TCP/IP的協議網關，能夠實現較為復雜的功能。最后，Linux操作系統和Zstack提供串口驅動，可以實現串口的讀寫工作，方便后期的開發。

3.2 ZigBee內容通信模塊設計

ZigBee網絡內部主要由終端節點、路由器、協調器三個節點完成。ZigBee網絡的主要功能有：網絡建立與入網申請。數據收發、包裝盒接受ZigBee網絡上傳的數據。ZigBee內部通信模塊的有效設計對各個模塊之間的有效運行和數據的傳遞、封裝都提供了有效的條件。同時，也應該注意到，ZigBee內部通信模塊的設計涉及到很多的理論知識，在設計時將這些理論知識相融合使用。

3.3 網關主控模塊設計

網絡主控模塊的主要功能是完成與ZigBee和IP主機之間的通信。網關主控與ZigBee取得通信，接受ZigBee的數據信息并對ZigBee傳遞命令。同時網關主控模塊與IP主機之間獲得通信，獲取命令或取得數據信想。同時，其他模塊與網關主控模塊進行交互時則主要是通過Linux操作系統對串口的操作。其在交互中運用的命令會根據不同的需求來進行定義。

4 總結

物聯網ZigBee網管的設計與實現對物聯網以后的發展及對人們生活的影響都有深刻的影響。在網關的設計與實現中，ZigBee網關與IP網絡的融合成為關鍵技術。為了更好地實現ZigBee網關的連接，也要更多的從網管的需求、內部結構以及同其他模塊的相互連接的角度考慮，只有這樣，才能從實際需求出發，更好地促進發展，同時帶動物聯網的發展成熟。

參考文獻

[1]張藝粟，李鴻彬，賈軍營.物聯網ZigBee網關的設計與實現[J].計算機系統應用，2013.

[2]趙慧然，石磊，張坤.基于ZigBee技術的物聯網網關設計[J].微計算機信息，2012.

作者單位

牛作領（1980-），男，陜西省咸陽市人。現為西安交通工程學院講師，目前主要從事計算機與通信信號教學與研究。

作者單位

西安交通工程學院 陜西省西安市 710065