基于ZigBee的工业无线网关研究

摘要 为实现无线网络与外部有线控制网络的互联，开发了一种用于接入工业以太网的无线网关。通过对无线网关应用需求进行分析，设计了基于ZigBee无线通信技术的网关通信模型，重点研究了无线网关实现中的相关关键技术，如网络管理、系统管理以及协议转换等。最后，介绍了测试ZigBee无线网关的方法并给出了相应测试界面。测试结果表明，ZigBee无线网关能较好地实现模型设计中提出的各项功能，为工业无线网络与有线网络的互操作性提供了一种有效解决途径。
关键词 ZigBee无线通信 工业无线网关 无线测控系统 网络管理 协议转换

引 言
    基于对监控数据传输的实时性、数据接口的开放性以及数据链接的安全性的要求，国内外许多公司和研究机构开始研究并组建工业无线测控系统。ZigBee短程无线网通信技术以其数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低、电池寿命长等优势，成为近年来业界的研究热点之一。美国仪表系统和自动化学会已成立工业无线标准委员会(ISA1OO)。该委员会专门致力于工业无线技术的标准化进程，预计2008年底出台正式标准。ISA100标准的制定目的是让工业无线设备以低复杂度、合理的成本和低功耗、适当的数据通信速率去支持工业现场应用。标准主要内容包括工业无线的网络构架、共存性、健壮性、与有线现场网络的互操作性等。本设计项目为一种工业无线网关，主要用于解决工业无线网络与有线网络的互操作性问题。

1 ZigBee无线通信技术简介
    ZigBee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，该标准把低功耗、低速率传输、低成本、低复杂度作为重要目标。其物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)协议基于IEEE802．15．4协议标准，网络层(NWK)和应用层(APS)由ZigBee联盟来制定。ZigBee技术定义其工作在*基金项目：国家863计划项目，基于802．15．4的智能仪表(编号2006AA040302-2)。2．4 GHz的ISM频段上，传输速率为20 kb／s～250 kb／s。基于ZigBee技术的通信设备有几十米的覆盖范围，也可以增加路由节点扩展覆盖范围，因此比较适用于工业控制，远程控制等相关领域。ZigBee通信设备可自由灵活地加入和离开网络，自身的低功耗和低成本延长了设备的工作时间，降低了系统整体成本。

2 工业无线网关模型设计
2．1 需求分析
    目前工业中使用的无线网关主要采用802．11b、GPRS、蓝牙等通信技术，成本高、功耗高、移动性差以及安全性差等限制了这类传统网关的应用，采用ZigBee无线通信技术可以较大程度上改进这些性能。ZigBee无线网关因其技术优势在工业应用中可逐渐取代传统网关，目前已开始在小范围搭建工业测控系统进行测试应用。在功能上，传统网关主要完成协议转换及部分系统管理功能，而ZigBee无线网关作为无线网络接入有线网络的接入部件，除了具备传统网关的功能外，还应具备一些特有的功能：具备对无线网络的管理功能，包括无线网络形成、无线设备加入和断开等管理功能；在协议转换方面，必须同时开发无线、有线协议，数据包在无线和有线间转换；为实现对无线网络的监测和控制，在无线和有线协议开发中必须考虑为上层提供相应服务及服务接口。
2．2 通信模型设计
    基于以上分析，针对工业应用设计了一种用于接人工业以太网的无线网关。无线网关的通信模型如图1所示。

    通信模型主要包括以下3个方面：
    ①无线通信机制。现场设备与无线网关之间数据通信采用了ZigBee无线通信技术。ZigBee无线通信技术采用CSMA—CA接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突，保证了数据传输的可靠性。其MAC层和PHY层由IEEE802．15．4工作小组制定，NwK和APS则由ZigBee联盟来制定，其他部分——ZDO(ZigBee设备对象)和ZAO(ZigBee应用对象)，由用户根据不同应用来完成。
    ②以太网协议转换。无线网关的接入功能主要体现在协议转换，即将ZigBee无线通信协议转换为以太网有线协议，通过以太网接入控制网络。IEEE802．3 PHY和IEEE802．3 MAC为标准的以太网物理层和介质访问层，IEEE802．2 LLC提供以太网帧与IP层接口，传输层为标准TCP．／UDP协议。
    ③上层服务接口(high layer service interface)。针对工业应用，无线网关要求提供上层服务及接口，使用户可以通过无线网关对现场设备进行组态、调校。上层服务接口位于ZigBee APS层与TCP／IP层之间，为系统实现各种服务提供通用接口。

3 工业无线网关关键技术研究
3．1 网络管理功能
    (1)网络形成
    无线网关上电后，无线协议栈各层首先进行初始化，然后通过网络请求原语来启动一个新的网络，仅当具有协调器能力且当前还没有与网络连接的网关设备才可以建立一个新的网络。图2所示为网络形成流程。组网开始时，网络层首先向MAC层请求分配协议所规定的信道，或者由PHY层进行有效信道扫描，网络层管理实体等待信道扫描结果，然后根据扫描结果选择可允许能量水平的信道。找到合适的信道后，为这个新的网络选择一个个域网标识符(PANID)。PANID可由网络形成请求时指定，也可以随机选择一个PANID(除广播PANID固定为0xFFFF外)，PANID在所选信道中应该是唯一的。PANID一旦选定，无线网关将选择16位网络地址0x0000作为自身短地址，同时进行相关设置。完成设置后，通过MAC层发出网络启动请求，返回网络形成状态。
    (2)网络维护网络维护主要包括设备加入网络和离开网络过程。当网络形成后，通过网络管理实体设定MAC层连接许可标志来判断是否允许其他设备加设备初始化为协调器入网络。加入方式有联合方式和直接方式，在协议实现中采取直接加入网络方式。这种方式下由待加入的设备发送请求加入信标帧，网关接收到后，网络管理实体首先判断这个设备是否已存在于网络。存在，则使其加入网络；若不存在，则向设备发送信标帧，为这个设备分配一个网络中唯一的16位的短地址。这里的信标帧是由网关无线协议MAC层生成作为PHY层载荷，它包含PANID、加入时隙分配等信息。网内设备也可以请求断开网络。当网关收到设备断开连接请求后，MAC层向网络层发送报告，开始执行断开流程，从设备列表中删除该设备相关信息。

3．2 系统管理
    (1)地址映射
    在无线传输中，网关主要根据地址信息来进行数据的发送和转发。ZigBee通信协议中规定了两种地址：64位的IEEE长地址和16位的短地址(SADDR)。IEEE长地址作为全局地址，可在大范围内调用；短地址作为个域网地址，仅限于小范围局域网内通信使用。为了方便设备间的信息传送，在协议转换过程中进行了地址映射。通过建立地址表存储现场设备的短地址(网关通信短地址固定为0000H)，表中每个短地址对应一个设备对象标识符(Ob-jectID)，控制网络协议根据ObjectID来对不同设备进行操作。如需实现组播功能，只须定义一组ObjectID作为网关目的地址，地址映射示例如表1所列。

    128．128．2．202为网关在工业以太网内分配的IP地址，用于有线网络设备信息交换；0x000000220001、0x000000220002等为无线网络IEEE64位长地址，0x1347为16位的个域网标识符(PANI)ID)，0xl699、0x169A为16位设备短地址(SADDR)。无线设备间通信可采用两种方式：长地址或PANID+SADDR。两种方式均对应于一个ObjeetID，地址映射减少了通信传输的字节数，从而提高了通信效率。
    (2) 进程通信机制
    为了提高系统的实时性，进程间通信采用消息触发的方式，在有线协议(以太网)的开发中移植了嵌入式实时操作系统μc／OS-II。进程间通信主要通过调用μC／0S—II的消息函数——消息请求0SQrequest()和消息触发OSQpost()来实现。在协议开发中，根据不同协议堆栈中不同层完成的功能进行进程任务划分，根据任务优先级来确定任务调用次序，未被触发的任务始终处于消息请求状态。如果同一时刻两个任务被触发，则根据优先级触发优先级高的任务，而优先级低的任务处于等待状态。
3．3 无线／以太网协议转换
    ZigBee无线网关协议转换主要是实现ZigBee数据报文与以太网报文双向转换。图3所示为两种协议报文格式转换图。图中给出了协议开发中定义每一层的字节数，其中PAYLOAD字节数可变，最大不超过127 B。当无线网关射频部分(PHY层)接收到数据报文，根据ZigBee通信协议从PHY到APS解出其中有效载荷，然后将有效载荷加载TCP(UDP)／IP(42 B)的报文格式，交由满足IEEE802．3以太网通信协议的网卡处理，从而实现将无线接收到的信息传输到外部控制网络中。

3．4 服务定义及实现
    为实现有线网络与无线网络的信息交互及控制功能，无线网关须完成相应的服务功能。无线网关提供的基本服务主要有：读／写服务、信息分发服务、设备上线服务。服务功能在网络连接成功后开始实现，不同服务对应不同的服务号。读写服务主要是针对设备参数的读取和设置；信息分发服务是将无线通信设备采集到的数据周期性地分发到网关，网关再转发到控制网络；设备上线服务是标示设备当前状态，即上线、掉线，该服务的服务类型为周期性，其他服务必须在此服务之后才能执行。各种服务虽然完成不同的功能，但都通过同一服务接口，因此在实现中设计了一套相同的服务报文格式：

    服务报文主要包含以下几个关键部分：短地址、服务号、参数索引。CRC为安全校验，LQI为链接质量，PHYheader、MAC header、NwK header和APS header分别为物理层、媒体访问控制层、网络层和应用层头字节，字节数与图3中的规定相同。

4 功能测试
    无线网关硬件设计采用双CPU模式，即AT91R40008+CC2430模式。AT91R40008是一款基于ARM7内核的处理器，在网关开发中用于承载以太网协议；CC2430是一款基于IEEE802．15．4协议的无线通信芯片，它包括1个2．4 GHz的射频收发器和1颗工业级小巧高效的8051控制器，用于承载无线通信协议。这种解决方案能够提高系统性能并满足以ZigBee为基础的2．4GHz的ISM波段应用需求。
4．1 测试方法
    对无线网关的测试主要采用两款工具软件——TI公司的Packet Sniffer forCC2430和免费开源的Ethereal，主要测试无线网关数据的收发功能、协议转换正确性以及无线网络管理功能等。Packet Sniffel for CC2430为无线通信协议分析软件，配合C51RF一3无线网络协议分析仪可以捕获空中ZigBee无线数据报文；Ethereal为专用于通过网口捕获以太网报文的以太网协议分析软件。测试时，可通过两款协议分析软件分别捕获无线和以太网数据报文，对这两种报文进行分析比较，从而完成对无线网关相关功能的验证；同时也可通过无线网关建立无线测控系统，通过专用无线组态软件对系统进行相关功能测试，从而验证无线网关功能。
4．2 测试界面及分析
    (1)数据收发及协议转换功能验证
    图4所示为Packet Sniffer for CC2430捕获空中的无线数据报文。无线数据报文包括接收时问(Time)、帧长度(Length)、帧控制域(Frame controlfield)、序列号(Sequence number)、个域网标识符(PANID)、目的地／源地址(Dest／Source Address)等信息。画线部分(16 99 1401 00 04 01 OO 01 09 08 02 00)为无线报文中的实时数据。此数据为无线设备发送出的无线报文有效载荷，由无线网关CC2430射频部分接收。

    图5为上位机通过Ethereal协议分析软件抓包获取的以太网数据报文，包括以太网头帧、IP报文头字段以及UDP头字段等。画线部分(16 99 14 01 00 04 01 00 01 0908 02 00)为TCP／IP协议数据域。数据域载荷与图5中无线数据载荷相同，从而验证了网关数据收发功能以及协议转换的正确性。

    (2)网络管理功能验证
    通过无线网搭建无线测控系统验证无线网关的无线网络管理功能。图6所示为无线组态软件监测无线测控系统示意图。图中无线测控系统为实验环境中组建的一树型拓扑结构，由无线网关、路由设备、现场设备组成，无线网关负责完成无线网络的形成、维护以及地址分配等功图6 通过无线网关组建无线测控系统组态示意图能。实验环境中经过长时间运行，无线测控系统运行稳定，无线网络通信正常，从而可以验证无线网关的网络管理功能的完备性。

结 语
    随着无线通信技术逐渐进入工业领域，无线通信系统在工业通信网络中应用逐渐增加，而目前工业通信网络通信协议繁多，多种通信标准并存，因此不同传输介质、不同速率、不同通信协议的网络之间互联问题也逐渐成为人们关注的重点。本文介绍了一种采用ZigBee无线通信技术的工业无线网关，无线网关在实现工业无线测控系统与工业以太网互联的同时也可以完成对无线网络的管理。工业无线网关的实现优化了整个工业通信网络，为工业控制领域从有线向无线延伸提供了一种有效的解决途径。