基于物聯網的zigbee網關系統設計與實現研究

摘要： 網絡技術的發展對社會和整個國家的經濟有著重要的影響，zigbee 網絡連接互聯網，可以控制到世界各個角落的 zigbee 網絡設備，這有利于 zigbee 技術的進一步發展。Zigbee 網關通過互聯網和媒體做，它使監控世界各地可以共享信息，這大大減少了時間和空間遠離物理世界。本文分析了物聯網網關的需求，基于 cc2530開發工具包，設計并實現了一個原型系統 zigbee 網關，完成了 zigbee 網絡管理、協議轉換、數據傳輸等功能，對各個通信模塊和連接網關進行了整體測試，結果表明，zigbee 網關能夠實現網絡節點與互聯網之間的通信，具有較好的實用性。

關鍵詞： 網關;zigbee ;物聯網;tcp/ip

Zigbee 協議是一種短距離、低功耗、低數據率的無線通信協議，物理層兼容 ieee 802。協議定義了物理層（物理層）和 mac 層（媒體接入層，mac）通信標準，其中物理層規范定義了主帶無線通信，數據通信符號率定義了多個無線信號共享接入和其他空中信道。802.15.4（zigbee）在勞動 sm 波段定義了兩個波段，2.4ghz 頻帶及896/915mhz 頻帶。Zigbee 網絡拓撲主要的星形網絡和網格網絡。Zigbee 無線網絡中不同的網絡拓撲對應不同的應用領域，不同的網絡拓撲對網絡節點的配置有不同的要求，網絡節點的類型可以是協調器，路由器和終端節點，特定的配置需要進行剖析決策。在 zigbee 網絡中，根據設備的類型可以將 zigbee 網絡設備分為三類： 協調器、路由器和終端節點，協調器負責建立無線網絡，網絡拓撲信息維護和網絡管理功能; 路由器負責網絡路由，網絡管理功能請求; 終端節點一般不負責維護網絡信息，只需要添加特定的無線網絡。網關需求分析角色感知層數據采集和無線傳輸，一般使用 rfid、傳感器、家庭、農業、交通、水利等環境數據采集和傳輸技術，通過無線傳輸層利用現有的 wi-fi、2 g/3 g、寬帶等通信技術傳輸數據，從感知層、網絡感知層擴展數據傳輸，實現通信網絡的組合。主要應用層負責數據處理，為用戶提供多種服務，是網絡應用的最終目標所在。物聯網網關位于傳輸層的中間，連接傳感器網絡和傳統的通信網絡，其特點包括協議轉換、數據收發和網絡傳感器管理。

基于 zigbee 協議規范的 zigbee 節點發送數據網關去掉了層、 mac 層、網絡層報頭和應用層數據，然后遵循 tcp/ip 協議標準重新封裝數據，然后通過以太網發送，數據傳輸的相反方向也需要類似的過程。因此，網關還應該有 zigbee 和 tcp/ip 協議棧兩個協議。傳感器網絡網關作為通信橋梁和通信網絡，可以起到數據傳輸的作用。Zigbee 通過網絡上傳數據后，網關可以到達主機 ip 網絡，數據同樣可以到達 ip 網絡或控制指令網關，也可以到達相應的 zigbee 節點。Zigbee 網關應該實現 zigbee 網絡管理，如網絡的建立，網絡應用處理節點，并指定一個網絡地址來維護網絡拓撲，恢復節點地址離開等。網關子系統需要具備數據存儲能力，包括： 根據管理員設置一定格式來存儲實時數據采集，監控中心為端口傳輸視圖，設置信息存儲系統，各監控點參數設置信息管理系統，用戶信息等數據。為了滿足本地監控中心在局域網環境下對各監控點的監控和管理需求，網關子系統需要使用嵌入式 web 服務器來保證其本地區域接入后，相當于監控中心提供遠程監控服務。互聯網的發展極大地改變了人們的生活方式，使得 zigbee 網絡通過 tcp/ip 網絡使得它能夠通過互聯網對環境進行監控，對接入節點進行遠程管理和控制，是目前物聯網研究的熱點問題。

網關總體硬件設計采用雙 cpu 結構，包括 cc2530芯片 zigbee 模塊和控制模塊1 godson 芯片兩個模塊設計，采用 zigbee 開發工具包和龍芯1b 板，以套件作為節點 zigbee 網絡協調器后，與龍芯1b 開發板一起協調完成網關。Ti 的 cc2530單片集成 soc 解決方案，射頻收發器，工業強度51微控制器核心，zstack 協議棧集成在同一芯片上。Zstack 協議棧和開源棧相比 freakz 更加完整和穩定。基于 mips 的精簡龍芯1芯片指令集，計時在200-233兆赫，它可以配置為266兆赫，以滿足需要的網關處理性能比主流的 arm 芯片，以較高的價格。1 b 開發板外圍設備豐富，調試和開發方便。Dart 用串口連接 cc2530和 godson 1b 兩部分。

網關軟件設計和測試平臺將嵌入式 linux 操作系統植入到 arm 微處理器的核心，系統上運行的所有程序，系統統一管理。運行程序主要由用戶空間應用程序和內核空間驅動程序兩部分組成，主要實現系統的應用功能，與其他應用程序進行通信、數據交換。內核空間包括用于數據通信的各種驅動程序和硬件通信總線，同時提供用于操作硬件模塊接口的應用軟件。

網關系統作為網關平臺是一個通信客戶端，遠程或本地監控中心作為服務器端，兩端基于套接字的通信實現，因為3g 網絡應用的 ip 地址是動態的，并且監控服務器使用靜態 ip 地址后，所以服務器創建一個套接字并等待客戶端的活動連接，以建立一個通信鏈路進行數據交換[5]。Zigbee 無線傳輸具有不穩定性，但在使用網關中的東西時，這種不穩定性是允許的。重點介紹了以太網模塊 tcp 報文丟失模塊，在 tcp 程序中插入該模塊測試樁，主機 pc 統計軟件包對應的請求報文和響應報文 p 是相同的。如果不同于長時間運行日志記錄的東西，則由網關和網關運行日志統計得出最終結論。網關數據失真是可接受的數據解析軟件錯誤。東西網關的包丟失率測試，得到的東西千網關包丟失率，可以忽略不計。所以物品丟包率網關標準可以穩定使用。數據聯網網關失真性能測試可以獲得數據聯網網關和沒有失真。描述網關軟件的一部分內容，沒有錯誤分析數據部分，傳感器可以準確報告所需的數據被解析成 pc 數據格式。

zigbee 網絡與 ip 網絡的整合對物聯網的未來發展具有重要意義，本文提出了一種基于 zigbee 網關基本功能的網關設計方案，并通過實驗驗證了所采集數據的有效性。Zigbee 節點功能通過上傳網關到 ip 網絡 pc 客戶端，實現 zigbee 網絡管理、協議轉換、數據傳輸等功能，達到異質網路互連的目的。本文介紹了一種基于 zigbee 技術的嵌入式物聯網網關系統，使傳感器網絡和遠程通信網絡能夠實現互聯網數據傳輸、協議轉換和管理控制功能，可廣泛應用于智能家居、工業監控、智能電網、環境監控等物聯網應用領域。

參考文獻：

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作者簡介：

周華春（1981-），男，籍貫：重慶市，本科，講師，研究方向：通信技術、電子技術。