基于ZigBee的溫度檢測智能網關的研究

唐莉莉

摘要：物聯網網關是對異構網絡的整合。物聯網網關由傳感器網絡和公共傳輸網絡兩部分組成。對于物聯網網關，目前研究的熱點問題是傳感器網絡和網關如何接入公共網絡。本文著重研究的是以嵌入式技術為應用平臺，利用Zigbee的無線傳感器網絡良好性能與優勢并借助傳統的Internet基礎應用技術設計的一個在室內環境下實現溫度監測的智能網關。

關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；嵌入式系統

本文研究設計的物聯網網關要通過串口處理來自WSN節點的數據，這就決定了實現物聯網網關的硬件平臺必須可以提供足夠強大的網絡支持，而且還需要支持TCP/IP協議。

一、網關設計基本要求

網關是廣域網和外部網絡中間的一個節點，作為入口節點的它，一方面，要能接受允許客戶的遠程訪問，即要支持TCP/IP協議議并能提供WEB服務。另一方面，從用戶體驗角度來看，用戶要能通過遠端PC對整個網絡進行控制。在本文網關設計中，硬件平臺是ARM微處理器，它對外就是把以太網接入公共網絡，對內就是把無線傳感器節點組成無線傳感器網絡連成一體。通俗的說就是網關不僅要具有他本身應有的功能，還應具有服務器的功能。

二、網關軟件總體構架

物聯網網關處于物聯網體系結構中的匯聚層，其兩端連接的分別是傳感網絡和公共傳輸網絡。在本設計中，采用RS-232/485與Wi-Fi接入的方式實現傳感網絡的通信，公共網絡端采用的是基于以太網接入的方式。

ZigBee內部連通就是一個星形拓撲結構，這個拓撲結構由一個負責分配ID和地址、并對其他網絡節點傳送的信息進行數據封裝的協調器（PAN）構成，其他節點也只能通過這個協調器來和外部網絡進行信息交換。ZigBee網絡與網關的通信主要是通過串口，當協調器收到來自鏈路節點的數據時，就把信息傳送到應用層，應用層再調用串口API傳送到網關，網絡主要就是根據內部協議轉換機制把該數據轉換成可以接受的數據，然后再發送到互聯網。網關到互聯網通信機制是雙向的，所以完成其中一步的通信即可。它們的通信用串口就可以實現，互聯網的數據通過串口發送到協調器，數據封裝后，根據ZigBee的短地址（MAC地址與物理地址）發送出去。

三、網關硬件總體構架

無線傳感器網絡（WSN）是由許多在監測區域內分布的大量廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，它使用傳感器協作地監控不同位置的物理或環境狀況并進行相應的數據采集與處理，最終將其報告給用戶。

對于WSN的應用來說，綜合考慮實現時軟硬件的各個方面，通信協議的選取就顯得尤為重要。WSN通信協議特點如下：

1、節點的通信協議要求簡單。避免受到如傳感器節點的能源儲備、計算與處理能力、存儲量、通信能力等限制。

2、通信協議應具有對應的處理體系。防止拓撲結構隨著外界環境變化而變化。

3、采用模塊化設計。為了使傳感器網絡的通信協議針對不同的應用有不同的配置。

目前，在WSN的應用中，ZigBee技術應用最為廣泛。ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協定，它主要優勢是低速、低耗電、低成本、支援大量網絡節點、支援多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。

ZigBee協議棧由層模塊組成。每一層都執行一組特定的服務：如數據實體提供數據傳輸，管理實體提供所有其他的服務。

每個SAP都能支持多種服務原語來實現要求的功能，而這個SAP則是由上一層提供的接口。

四、核心技術

核心支撐技術就是建立在通信協議的基礎之上的一個具有具體應用環境的網絡系統，并且通過操作協議的應用層服務接口來封裝對底層的操作。WSN的核心支撐技術如下：

（1）拓撲控制。路由協議的基礎，網絡的生產時間受其影響比較大。為了有效的減少通信間的通信干擾，必須選擇符合要求的拓撲結構與功率。

（2）節點定位。原理是根據一定的算法在已知節點基礎上定位未知節點。節點定位在有些場合是比較重要的，如森林火災。

（3）時間同步。節點間時間的必須是同步的，因為WSN中是分布式協同工作。

（4）數據管理與融合。為更好地管理傳感器網絡數據，需要將用戶屏蔽在技術之外且能夠友好地控制WSN，使物理網絡邏輯化。

五、嵌入式系統

目前，應用最廣泛的專用電子系統非嵌入式系統莫屬。隨著應用范圍的擴展與延伸，對技術廣度和深度的要求也越來越苛刻，主要體現在智能控制的應用與處理信息的能力，以及對設備的成本的高低、性能好壞、開發周期長短和可靠性高低等的關注。

1、嵌入式處理器

在功能上，物聯網網關既要作為無線傳感器網絡的控制中心，又要實現一個嵌入式WEB服務器，即既要滿足到遠程控制的需要，又要考慮到室內近程控制的便捷性。故硬件電路中應包含以下的功能電路：能實現通信、控制和管理，能實現網絡連接，能執行射頻模塊的無線收發信息，能實現近程控制的基本輸入輸出。

嵌入式處理器核心是嵌入式系統，縱觀整個嵌入式處理器應用市場，單片機的成功案例雖然尤為顯著，而單純的單片機或微控制器技術顯然已經無法滿足需求。而ARM芯片憑借處理能力強和功耗低等優勢一舉搶占市場先機，并逐步滲透到我們生活的各個領域。基于ARM芯片的優勢考慮，本設計選取了Cortex-A8系列中的互聯型產品S5PV210作為總控制芯片。因為它的片內外設非常豐富，大可不必再對存儲器再擴展，從而開發成本也減少了，開發難度也降低了。

2、嵌入式 TCP/IP

在Internet上所使用的TCP/IP協議是一個分層設計的協議集合，每一層有每一層的功能。在嵌入式系統中的TCP/IP具有其顯著的特點：

（1）存儲使用量減少。為了不影響到系統性能和成本，在實現嵌入式系統中應該想盡辦法減少存儲空間的使用量。

（2）高度可裁剪性。為滿足不同應用的需求，在協議棧的實現必須高度模塊化，以方便更好地實現對目標系統的可栽剪。通常可裁剪程度同代碼實現的模塊化程度成正比。

（3）可移植性強。嵌入式系統硬件平臺雖然很多，但我們平時在設計時應注意在實現的過程中應避免語言的不協調性。同時為了提高代碼的復用率，在硬件驅動層我們必須進行高精度的抽象和封裝，使協議獨立于平臺。

綜上所述，本文對物聯網服務網關的結構與它在物聯網應用中的功能作了深入分析，根據需求設計出系統總體方案，并分析了實現該設計系統所需要的核心技術，即無線傳感器網絡和嵌入式系統。