基于Zigbee技术的家用无线网关的设计

网关对于使用过网络的人也许都不陌生,如家中或者办公室中的连接个人电脑与国际互联网的路由器。这里讨论的网关,它的作用不是连接你的个人电脑到互联网上遨游,而是将你家中大大小小的家用电器连接到你的个人电脑上,进而不需要你走进家中就能通过PC机控制家用网关来获取家电信息和控制它们。因为采用了Zigbee无线技术,所以又称为家用无线网关。

1　Zigbee技术的体系结构和拓扑结构

在Zigbee技术中,其体系结构通常是通过“层”来量化它的各个简化标准的,每一层负责完成为其所规定的任务,并向上层提供服务。Zigbee技术的体系结构自下往上主要由物理(PHY)层、媒体接入控制(MAC)层、网络/安全层以及应用框架层构成。

Zigbee技术网络有2种拓扑结构:星型拓扑结构和对等拓扑结构(如图1所示)。其中定义了两种设备:全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD在硬件功能上比较完备,可以与所有其他的FFD或RFD通信,而RFD只能和与其关联的FFD进行通信。与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的“协调器”。在整个网络中,有一个FFD充当网络协调器。除直接参与应用外,网络协调器还需要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

结合本课题中家用网关和家用电器的主从关系,本文采用基于星型拓扑结构的Zigbee网络。因为Zigbee无线网关需要将基于TCP协议的信息转发给Zigbee网络其它的节点,故它必须为一个FFD设备,同时它在整个Zigbee网络还要管理其它节点的一些信息,故其又实现为一个协调器。

根据课题要求,选择的系统硬件组成:采用S3C44B0嵌入式开发板,该开发自带2M FLASH和8M RAM。网络芯片采用RTL8019 10M网络芯片, Zigbee通信模块采用TI的CC2420芯片(两片)。

选用的系统软件组成: uCOS-II+基本功能Zigbee协议栈+LWIP TCP/IP协议栈。

Zigbee无线网关基本功能为将基于TCP协议的网络与基于Zigbee协议栈的数据进行转换,从而可以将基于常用的以太网的数据发送到Zigbee网络中,也可以将Zigbee网络中的数据发送到以太网中。开启Zigbee无线网关,其它的RFD节点通过与其通信,加入到该无线网络中。这样Zigbee无线网关就可以管理所有节点。

这里涉及两个主要协议栈: Zigbee协议栈和TCP/IP协议栈。

TCP/IP协议栈这里选择适合嵌入式应用的LWIP协议栈,具有良好的移植性并且开放源代码。

(1) phy层:该层主要实现与具体Zigbee模块硬件有关的操作。

(2) mac层:基于phy层提供的接口,实现对Zigbee网络的基本初始化,设置PAID,设置IEEE 64位地址,选择通信通道,实现接收和发送Zigbee数据包功能。

(3) nwk层:该部分用来从mac获得接收到的数据,对数据进行分析,进行一系列的操作。根据发送来的数据,如果是应用层的数据,向上传递接收到的数据。如果是网络层命令,则进行具体操作。

实现的网络层命令有:

a)终端节点(RFD)请求加入该网络:进行验证,并为加入的终端节点分配地址。

b)终端节点(RFD)请求离开该网络:进行验证,并将该节点从节点信息列表中删除。

c)终端节点(RFD)加入该网络成功。

d)终端节点(RFD)离开该网络成功。

除此之外还包括针对这些请求的FFD响应命令。

(4) app层:该层从nwk层获得数据,并根据数据内容进行操作,与具体应用有关。

3　家用网关的具体操作流程及其伪代码

Zigbee协议栈与TCP/IP协议栈,分别作为uCOS-II系统的两个任务,这两个任务之间通过消息队列或者邮箱的形式进行数据通信,用以实现任务的数据交换。

在启动主机软件时,用户通过设定要连接的Zigbee网关IP,从而使用Zigbee网关的连接。在连接成功以后, PC主机请求Zigbee网络中所有节点的信息, Zigbee网关将Zigbee网络中所有的节点信息发送给主机,主机软件显示所有可能的节点。获得所有节点信息以后,用户就可以选择要通信的节点,并通过TCP将所有的操作信息发送给该节点,从而实现对节点控制和监控。

这里写出Zigbee协议栈任务基本流程伪代码。

void ZigbeeStackTask(void* pvArg)

{

　　初始化zigbee网络;

　　while(1)

　　{

　　　　等待TCP/IP任务通过消息队列或者邮箱发送

数据过来;

　　　　switch(获得信息头)　　/*该数据采用PC

主机与Zigbee无线网关的通信协议* /　　　　{

　　　　　　case 0x01:　　/*获得所有节点信息命

令* /

　　　　　　　　通过消息队列或者邮箱反馈所有节

点信息发送到TCP/IP任务;

　　　　　　case 0x02:　　/*发送信息到某个节点

* /

　　　　　　　　解释数据包;

　　　　　　　　将具体信息发送到节点;

　　　　　　case 0x03:　　/*获得某节点信息* /

　　　　　　　　解释数据包;

　　　　　　　　将具体信息发送到节点

　　　　　　　　获得节点反馈的信息;

　　　　　　　　通过消息队列或者邮箱反馈的节点

信息发送到TCP/IP任务;

　　　　}

　　}

}

4　网关调试方法

具体的操作过程:

(2)连接好Zigbee与PC的串口,同时连接电源。

(3)在串口调试助手软件中将显示有关设备启动的信息和Zigbee网关相关信息。这时说明Zigbee网络已经初始化完成,并形成了一个Zigbee网络。

(4)打开主机软件,设置好连接的网关IP地址,然后点击“连接”按钮,这时在软件左边的列表框中显示所有的Zigbee节点信息,也可以通过下面的“刷新节点信息”来获得最新的节点信息列表。

主机软件最下面的只读编辑框,里面显示的是一些日志信息,方便调试。图3显示了网关调试情况:

5　结论

通过网关设计分析,发现该网关具有实用性和可行性。在网关的设计过程中,遇到不少困难,比如目前还没有适用于ARM平台的Zigbee协议栈,只能对现有的各种Zigbee协议栈进行修改和移植,以适合ARM平台,这一步实现起来较为复杂。另外,为了节省设备成本,测试中两个RFD设备同时接在一个Zigbee无线网关设备上,距离较近,在实际生产测试中并不适用。