基于ZigBee的工業無線網關設計

　　引言

　　基于對監控數據傳輸的實時性、數據接口的開放性以及數據鏈接的安全性的要求，國內外許多公司和研究機構開始研究并組建工業無線測控系統。ZigBee短程無線網通信技術以其數據傳輸安全可靠、組網簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優勢，成為近年來業界的研究熱點之一。美國儀表系統和自動化學會已成立工業無線標準委員會(ISA1OO)。該委員會專門致力于工業無線技術的標準化進程，預計2008年底出臺正式標準。ISA100標準的制定目的是讓工業無線設備以低復雜度、合理的成本和低功耗、適當的數據通信速率去支持工業現場應用。標準主要內容包括工業無線的網絡構架、共存性、健壯性、與有線現場網絡的互操作性等。本設計項目為一種工業無線網關，主要用于解決工業無線網絡與有線網絡的互操作性問題。

　　1 ZigBee無線通信技術簡介

　　ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，該標準把低功耗、低速率傳輸、低成本、低復雜度作為重要目標。其物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)協議基于IEEE802．15．4協議標準，網絡層(NWK)和應用層(APS)由ZigBee聯盟來制定。ZigBee技術定義其工作在*基金項目：國家863計劃項目，基于802．15．4的智能儀表(編號2006AA040302-2)。2．4 GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20 kb／s～250 kb／s。基于ZigBee技術的通信設備有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節點擴展覆蓋范圍，因此比較適用于工業控制，遠程控制等相關領域。 ZigBee通信設備可自由靈活地加入和離開網絡，自身的低功耗和低成本延長了設備的工作時間，降低了系統整體成本。

　　2 工業無線網關模型設計

　　2．1 需求分析

　　目前工業中使用的無線網關主要采用802．11b、GPRS、藍牙等通信技術，成本高、功耗高、移動性差以及安全性差等限制了這類傳統網關的應用，采用 ZigBee無線通信技術可以較大程度上改進這些性能。ZigBee無線網關因其技術優勢在工業應用中可逐漸取代傳統網關，目前已開始在小范圍搭建工業測控系統進行測試應用。在功能上，傳統網關主要完成協議轉換及部分系統管理功能，而ZigBee無線網關作為無線網絡接入有線網絡的接入部件，除了具備傳統網關的功能外，還應具備一些特有的功能：具備對無線網絡的管理功能，包括無線網絡形成、無線設備加入和斷開等管理功能；在協議轉換方面，必須同時開發無線、有線協議，數據包在無線和有線間轉換；為實現對無線網絡的監測和控制，在無線和有線協議開發中必須考慮為上層提供相應服務及服務接口。

　　2．2 通信模型設計

　　基于以上分析，針對工業應用設計了一種用于接人工業以太網的無線網關。無線網關的通信模型如圖1所示。

　　通信模型主要包括以下3個方面：

　　①無線通信機制。現場設備與無線網關之間數據通信采用了ZigBee無線通信技術。ZigBee無線通信技術采用CSMA—CA接入方式，有效避免了無線電載波之間的沖突，保證了數據傳輸的可靠性。其MAC層和PHY層由IEEE802．15．4工作小組制定，NwK和APS則由ZigBee聯盟來制定，其他部分——ZDO(ZigBee設備對象)和ZAO(ZigBee應用對象)，由用戶根據不同應用來完成。

　　②以太網協議轉換。無線網關的接入功能主要體現在協議轉換，即將ZigBee無線通信協議轉換為以太網有線協議，通過以太網接入控制網絡。 IEEE802．3 PHY和IEEE802．3 MAC為標準的以太網物理層和介質訪問層，IEEE802．2 LLC提供以太網幀與IP層接口，傳輸層為標準TCP．／UDP協議。

　　③上層服務接口(high layer service inteRFace)。針對工業應用，無線網關要求提供上層服務及接口，使用戶可以通過無線網關對現場設備進行組態、調校。上層服務接口位于ZigBee APS層與TCP／IP層之間，為系統實現各種服務提供通用接口。

　　3 工業無線網關關鍵技術研究

　　3．1 網絡管理功能

　　(1)網絡形成

　　無線網關上電后，無線協議棧各層首先進行初始化，然后通過網絡請求原語來啟動一個新的網絡，僅當具有協調器能力且當前還沒有與網絡連接的網關設備才可以建立一個新的網絡。圖2所示為網絡形成流程。組網開始時，網絡層首先向MAC層請求分配協議所規定的信道，或者由PHY層進行有效信道掃描，網絡層管理實體等待信道掃描結果，然后根據掃描結果選擇可允許能量水平的信道。找到合適的信道后，為這個新的網絡選擇一個個域網標識符(PANID)。PANID可由網絡形成請求時指定，也可以隨機選擇一個PANID(除廣播PANID固定為0xFFFF外)，PANID在所選信道中應該是唯一的。PANID一旦選定，無線網關將選擇16位網絡地址0x0000作為自身短地址，同時進行相關設置。完成設置后，通過MAC層發出網絡啟動請求，返回網絡形成狀態。

?　　(2)網絡維護網絡維護主要包括設備加入網絡和離開網絡過程。當網絡形成后，通過網絡管理實體設定MAC層連接許可標志來判斷是否允許其他設備加設備初始化為協調器入網絡。加入方式有聯合方式和直接方式，在協議實現中采取直接加入網絡方式。這種方式下由待加入的設備發送請求加入信標幀，網關接收到后，網絡管理實體首先判斷這個設備是否已存在于網絡。存在，則使其加入網絡；若不存在，則向設備發送信標幀，為這個設備分配一個網絡中唯一的16位的短地址。這里的信標幀是由網關無線協議MAC層生成作為PHY層載荷，它包含PANID、加入時隙分配等信息。網內設備也可以請求斷開網絡。當網關收到設備斷開連接請求后，MAC層向網絡層發送報告，開始執行斷開流程，從設備列表中刪除該設備相關信息。