引 言

　　基于對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)接口的開放性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性的要求，國內(nèi)外許多公司和研究機(jī)構(gòu)開始研究并組建工業(yè)無線測控系統(tǒng)。ZigBee短程無線網(wǎng)通信技術(shù)以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，成為近年來業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一。美國儀表系統(tǒng)和自動(dòng)化學(xué)會(huì)已成立工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)(ISA1OO)。該委員會(huì)專門致力于工業(yè)無線技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，預(yù)計(jì)2008年底出臺(tái)正式標(biāo)準(zhǔn)。ISA100標(biāo)準(zhǔn)的制定目的是讓工業(yè)無線設(shè)備以低復(fù)雜度、合理的成本和低功耗、適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)通信速率去支持工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、共存性、健壯性、與有線現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的互操作性等。本設(shè)計(jì)項(xiàng)目為一種工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)，主要用于解決工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的互操作性問題。

　　1 ZigBee無線通信技術(shù)簡介

　　ZigBee技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低速率傳輸、低成本、低復(fù)雜度作為重要目標(biāo)。其物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)協(xié)議基于IEEE802．15．4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APS)由ZigBee聯(lián)盟來制定。ZigBee技術(shù)定義其工作在*基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃項(xiàng)目，基于802．15．4的智能儀表(編號(hào)2006AA040302-2)。2．4 GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20 kb／s～250 kb／s?；赯igBee技術(shù)的通信設(shè)備有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展覆蓋范圍，因此比較適用于工業(yè)控制，遠(yuǎn)程控制等相關(guān)領(lǐng)域。 ZigBee通信設(shè)備可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡(luò)，自身的低功耗和低成本延長了設(shè)備的工作時(shí)間，降低了系統(tǒng)整體成本。

　　2 工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)模型設(shè)計(jì)

　　2．1 需求分析

　　目前工業(yè)中使用的無線網(wǎng)關(guān)主要采用802．11b、GPRS、藍(lán)牙等通信技術(shù)，成本高、功耗高、移動(dòng)性差以及安全性差等限制了這類傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用，采用 ZigBee無線通信技術(shù)可以較大程度上改進(jìn)這些性能。ZigBee無線網(wǎng)關(guān)因其技術(shù)優(yōu)勢在工業(yè)應(yīng)用中可逐漸取代傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，目前已開始在小范圍搭建工業(yè)測控系統(tǒng)進(jìn)行測試應(yīng)用。在功能上，傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)主要完成協(xié)議轉(zhuǎn)換及部分系統(tǒng)管理功能，而ZigBee無線網(wǎng)關(guān)作為無線網(wǎng)絡(luò)接入有線網(wǎng)絡(luò)的接入部件，除了具備傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的功能外，還應(yīng)具備一些特有的功能：具備對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的管理功能，包括無線網(wǎng)絡(luò)形成、無線設(shè)備加入和斷開等管理功能；在協(xié)議轉(zhuǎn)換方面，必須同時(shí)開發(fā)無線、有線協(xié)議，數(shù)據(jù)包在無線和有線間轉(zhuǎn)換；為實(shí)現(xiàn)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測和控制，在無線和有線協(xié)議開發(fā)中必須考慮為上層提供相應(yīng)服務(wù)及服務(wù)接口。

　　2．2 通信模型設(shè)計(jì)

　　基于以上分析，針對(duì)工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)了一種用于接人工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關(guān)。無線網(wǎng)關(guān)的通信模型如圖1所示。

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　　通信模型主要包括以下3個(gè)方面：

　?、贌o線通信機(jī)制。現(xiàn)場設(shè)備與無線網(wǎng)關(guān)之間數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術(shù)。ZigBee無線通信技術(shù)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。其MAC層和PHY層由IEEE802．15．4工作小組制定，NwK和APS則由ZigBee聯(lián)盟來制定，其他部分——ZDO(ZigBee設(shè)備對(duì)象)和ZAO(ZigBee應(yīng)用對(duì)象)，由用戶根據(jù)不同應(yīng)用來完成。

　?、谝蕴W(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換。無線網(wǎng)關(guān)的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉(zhuǎn)換，即將ZigBee無線通信協(xié)議轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)有線協(xié)議，通過以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡(luò)。 IEEE802．3 PHY和IEEE802．3 MAC為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)物理層和介質(zhì)訪問層，IEEE802．2 LLC提供以太網(wǎng)幀與IP層接口，傳輸層為標(biāo)準(zhǔn)TCP．／UDP協(xié)議。

　?、凵蠈臃?wù)接口(high layer service inteRFace)。針對(duì)工業(yè)應(yīng)用，無線網(wǎng)關(guān)要求提供上層服務(wù)及接口，使用戶可以通過無線網(wǎng)關(guān)對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行組態(tài)、調(diào)校。上層服務(wù)接口位于ZigBee APS層與TCP／IP層之間，為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種服務(wù)提供通用接口。

　　3 工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究

　　3．1 網(wǎng)絡(luò)管理功能

　　(1)網(wǎng)絡(luò)形成

　　無線網(wǎng)關(guān)上電后，無線協(xié)議棧各層首先進(jìn)行初始化，然后通過網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求原語來啟動(dòng)一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，僅當(dāng)具有協(xié)調(diào)器能力且當(dāng)前還沒有與網(wǎng)絡(luò)連接的網(wǎng)關(guān)設(shè)備才可以建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。圖2所示為網(wǎng)絡(luò)形成流程。組網(wǎng)開始時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層首先向MAC層請(qǐng)求分配協(xié)議所規(guī)定的信道，或者由PHY層進(jìn)行有效信道掃描，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體等待信道掃描結(jié)果，然后根據(jù)掃描結(jié)果選擇可允許能量水平的信道。找到合適的信道后，為這個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(PANID)。PANID可由網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求時(shí)指定，也可以隨機(jī)選擇一個(gè)PANID(除廣播PANID固定為0xFFFF外)，PANID在所選信道中應(yīng)該是唯一的。PANID一旦選定，無線網(wǎng)關(guān)將選擇16位網(wǎng)絡(luò)地址0x0000作為自身短地址，同時(shí)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。完成設(shè)置后，通過MAC層發(fā)出網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)請(qǐng)求，返回網(wǎng)絡(luò)形成狀態(tài)。

?　　(2)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)主要包括設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和離開網(wǎng)絡(luò)過程。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)形成后，通過網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體設(shè)定MAC層連接許可標(biāo)志來判斷是否允許其他設(shè)備加設(shè)備初始化為協(xié)調(diào)器入網(wǎng)絡(luò)。加入方式有聯(lián)合方式和直接方式，在協(xié)議實(shí)現(xiàn)中采取直接加入網(wǎng)絡(luò)方式。這種方式下由待加入的設(shè)備發(fā)送請(qǐng)求加入信標(biāo)幀，網(wǎng)關(guān)接收到后，網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體首先判斷這個(gè)設(shè)備是否已存在于網(wǎng)絡(luò)。存在，則使其加入網(wǎng)絡(luò)；若不存在，則向設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀，為這個(gè)設(shè)備分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中唯一的16位的短地址。這里的信標(biāo)幀是由網(wǎng)關(guān)無線協(xié)議MAC層生成作為PHY層載荷，它包含PANID、加入時(shí)隙分配等信息。網(wǎng)內(nèi)設(shè)備也可以請(qǐng)求斷開網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到設(shè)備斷開連接請(qǐng)求后，MAC層向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送報(bào)告，開始執(zhí)行斷開流程，從設(shè)備列表中刪除該設(shè)備相關(guān)信息。

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　　3．2 系統(tǒng)管理

　　(1)地址映射

　　在無線傳輸中，網(wǎng)關(guān)主要根據(jù)地址信息來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)。ZigBee通信協(xié)議中規(guī)定了兩種地址：64位的IEEE長地址和16位的短地址 (SADDR)。IEEE長地址作為全局地址，可在大范圍內(nèi)調(diào)用；短地址作為個(gè)域網(wǎng)地址，僅限于小范圍局域網(wǎng)內(nèi)通信使用。為了方便設(shè)備間的信息傳送，在協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中進(jìn)行了地址映射。通過建立地址表存儲(chǔ)現(xiàn)場設(shè)備的短地址(網(wǎng)關(guān)通信短地址固定為0000H)，表中每個(gè)短地址對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備對(duì)象標(biāo)識(shí)符(Ob- jectID)，控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議根據(jù)ObjectID來對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行操作。如需實(shí)現(xiàn)組播功能，只須定義一組ObjectID作為網(wǎng)關(guān)目的地址，地址映射示例如表1所列。

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　　128．128．2．202為網(wǎng)關(guān)在工業(yè)以太網(wǎng)內(nèi)分配的IP地址，用于有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息交換；0x000000220001、 0x000000220002等為無線網(wǎng)絡(luò)IEEE64位長地址，0x1347為16位的個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(PANI)ID)，0xl699、0x169A為 16位設(shè)備短地址(SADDR)。無線設(shè)備間通信可采用兩種方式：長地址或PANID+SADDR。兩種方式均對(duì)應(yīng)于一個(gè)ObjeetID，地址映射減少了通信傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，從而提高了通信效率。

　　(2) 進(jìn)程通信機(jī)制

　　為了提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，進(jìn)程間通信采用消息觸發(fā)的方式，在有線協(xié)議(以太網(wǎng))的開發(fā)中移植了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μc／OS-II。進(jìn)程間通信主要通過調(diào)用 μC／0S—II的消息函數(shù)——消息請(qǐng)求0SQrequest()和消息觸發(fā)OSQpost()來實(shí)現(xiàn)。在協(xié)議開發(fā)中，根據(jù)不同協(xié)議堆棧中不同層完成的功能進(jìn)行進(jìn)程任務(wù)劃分，根據(jù)任務(wù)優(yōu)先級(jí)來確定任務(wù)調(diào)用次序，未被觸發(fā)的任務(wù)始終處于消息請(qǐng)求狀態(tài)。如果同一時(shí)刻兩個(gè)任務(wù)被觸發(fā)，則根據(jù)優(yōu)先級(jí)觸發(fā)優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)，而優(yōu)先級(jí)低的任務(wù)處于等待狀態(tài)。

　　3．3 無線／以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換

　　ZigBee無線網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換主要是實(shí)現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)報(bào)文與以太網(wǎng)報(bào)文雙向轉(zhuǎn)換。圖3所示為兩種協(xié)議報(bào)文格式轉(zhuǎn)換圖。圖中給出了協(xié)議開發(fā)中定義每一層的字節(jié)數(shù)，其中PAYLOAD字節(jié)數(shù)可變，最大不超過127 B。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)射頻部分(PHY層)接收到數(shù)據(jù)報(bào)文，根據(jù)ZigBee通信協(xié)議從PHY到APS解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載 TCP(UDP)／IP(42 B)的報(bào)文格式，交由滿足IEEE802．3以太網(wǎng)通信協(xié)議的網(wǎng)卡處理，從而實(shí)現(xiàn)將無線接收到的信息傳輸?shù)酵獠靠刂凭W(wǎng)絡(luò)中。

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　　3．4 服務(wù)定義及實(shí)現(xiàn)

　　為實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)與無線網(wǎng)絡(luò)的信息交互及控制功能，無線網(wǎng)關(guān)須完成相應(yīng)的服務(wù)功能。無線網(wǎng)關(guān)提供的基本服務(wù)主要有：讀／寫服務(wù)、信息分發(fā)服務(wù)、設(shè)備上線服務(wù)。服務(wù)功能在網(wǎng)絡(luò)連接成功后開始實(shí)現(xiàn)，不同服務(wù)對(duì)應(yīng)不同的服務(wù)號(hào)。讀寫服務(wù)主要是針對(duì)設(shè)備參數(shù)的讀取和設(shè)置；信息分發(fā)服務(wù)是將無線通信設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)周期性地分發(fā)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)再轉(zhuǎn)發(fā)到控制網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備上線服務(wù)是標(biāo)示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，即上線、掉線，該服務(wù)的服務(wù)類型為周期性，其他服務(wù)必須在此服務(wù)之后才能執(zhí)行。各種服務(wù)雖然完成不同的功能，但都通過同一服務(wù)接口，因此在實(shí)現(xiàn)中設(shè)計(jì)了一套相同的服務(wù)報(bào)文格式：?

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　　服務(wù)報(bào)文主要包含以下幾個(gè)關(guān)鍵部分：短地址、服務(wù)號(hào)、參數(shù)索引。CRC為安全校驗(yàn)，LQI為鏈接質(zhì)量，PHYheader、MAC header、NwK header和APS header分別為物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層頭字節(jié)，字節(jié)數(shù)與圖3中的規(guī)定相同。

　　4 功能測試

　　無線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)采用雙CPU模式，即AT91R40008+CC2430模式。AT91R40008是一款基于ARM7內(nèi)核的處理器，在網(wǎng)關(guān)開發(fā)中用于承載以太網(wǎng)協(xié)議；CC2430是一款基于IEEE802．15．4協(xié)議的無線通信芯片，它包括1個(gè)2．4 GHz的射頻收發(fā)器和1顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器，用于承載無線通信協(xié)議。這種解決方案能夠提高系統(tǒng)性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的 2．4GHz的ISM波段應(yīng)用需求。

　　4．1 測試方法

　　對(duì)無線網(wǎng)關(guān)的測試主要采用兩款工具軟件——TI公司的Packet Sniffer forCC2430和免費(fèi)開源的Ethereal，主要測試無線網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能、協(xié)議轉(zhuǎn)換正確性以及無線網(wǎng)絡(luò)管理功能等。Packet Sniffel for CC2430為無線通信協(xié)議分析軟件，配合C51RF一3無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析儀可以捕獲空中ZigBee無線數(shù)據(jù)報(bào)文；Ethereal為專用于通過網(wǎng)口捕獲以太網(wǎng)報(bào)文的以太網(wǎng)協(xié)議分析軟件。測試時(shí)，可通過兩款協(xié)議分析軟件分別捕獲無線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文，對(duì)這兩種報(bào)文進(jìn)行分析比較，從而完成對(duì)無線網(wǎng)關(guān)相關(guān)功能的驗(yàn)證；同時(shí)也可通過無線網(wǎng)關(guān)建立無線測控系統(tǒng)，通過專用無線組態(tài)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)功能測試，從而驗(yàn)證無線網(wǎng)關(guān)功能。

　　4．2 測試界面及分析

　　(1)數(shù)據(jù)收發(fā)及協(xié)議轉(zhuǎn)換功能驗(yàn)證

　　圖4所示為Packet Sniffer for CC2430捕獲空中的無線數(shù)據(jù)報(bào)文。無線數(shù)據(jù)報(bào)文包括接收時(shí)問(Time)、幀長度(Length)、幀控制域(Frame controlfield)、序列號(hào)(Sequence number)、個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符(PANID)、目的地／源地址(Dest／Source Address)等信息。畫線部分(16 99 1401 00 04 01 OO 01 09 08 02 00)為無線報(bào)文中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)為無線設(shè)備發(fā)送出的無線報(bào)文有效載荷，由無線網(wǎng)關(guān)CC2430射頻部分接收。

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　　圖5為上位機(jī)通過Ethereal協(xié)議分析軟件抓包獲取的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報(bào)文，包括以太網(wǎng)頭幀、IP報(bào)文頭字段以及UDP頭字段等。畫線部分(16 99 14 01 00 04 01 00 01 0908 02 00)為TCP／IP協(xié)議數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域載荷與圖5中無線數(shù)據(jù)載荷相同，從而驗(yàn)證了網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)收發(fā)功能以及協(xié)議轉(zhuǎn)換的正確性。??

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　　(2)網(wǎng)絡(luò)管理功能驗(yàn)證

　　通過無線網(wǎng)搭建無線測控系統(tǒng)驗(yàn)證無線網(wǎng)關(guān)的無線網(wǎng)絡(luò)管理功能。圖6所示為無線組態(tài)軟件監(jiān)測無線測控系統(tǒng)示意圖。圖中無線測控系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境中組建的一樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由無線網(wǎng)關(guān)、路由設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備組成，無線網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)完成無線網(wǎng)絡(luò)的形成、維護(hù)以及地址分配等功圖6 通過無線網(wǎng)關(guān)組建無線測控系統(tǒng)組態(tài)示意圖能。實(shí)驗(yàn)環(huán)境中經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，無線測控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，無線網(wǎng)絡(luò)通信正常，從而可以驗(yàn)證無線網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理功能的完備性。?

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　　結(jié) 語

　　隨著無線通信技術(shù)逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用逐漸增加，而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議繁多，多種通信標(biāo)準(zhǔn)并存，因此不同傳輸介質(zhì)、不同速率、不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)問題也逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文介紹了一種采用ZigBee無線通信技術(shù)的工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)，無線網(wǎng)關(guān)在實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線測控系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的同時(shí)也可以完成對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的管理。工業(yè)無線網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)優(yōu)化了整個(gè)工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，為工業(yè)控制領(lǐng)域從有線向無線延伸提供了一種有效的解決途徑。

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