基于Zigbee技術(shù)的家用無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)代社會(huì)對(duì)信息獲取便捷度和家庭網(wǎng)絡(luò)化的要求，設(shè)計(jì)了一種可以組織家用電器成小型網(wǎng)絡(luò)的家用網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)采用Zigbee技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，采用了自行設(shè)計(jì)的Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)使其適合嵌入式系統(tǒng)，達(dá)到了連接組網(wǎng)和交換信息的能力。

0 引言

網(wǎng)關(guān)對(duì)于使用過網(wǎng)絡(luò)的人也許都不陌生，如家中或者辦公室中的連接個(gè)人電腦與國際互聯(lián)網(wǎng)的路由器。這里討論的網(wǎng)關(guān)，它的作用不是連接你的個(gè)人電腦到互聯(lián)網(wǎng)上遨游，而是將你家中大大小小的家用電器連接到你的個(gè)人電腦上，進(jìn)而不需要你走進(jìn)家中就能通過PC機(jī)控制家用網(wǎng)關(guān)來獲取家電信息和控制它們。因?yàn)椴捎昧薢igbee無線技術(shù)，所以又稱為家用無線網(wǎng)關(guān)。

1 Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在Zigbee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常是通過“層”來量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)的，每一層負(fù)責(zé)完成為其所規(guī)定的任務(wù)，并向上層提供服務(wù)。Zigbee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)自下往上主要由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層、網(wǎng)絡(luò)／安全層以及應(yīng)用框架層構(gòu)成。

Zigbee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如圖1所示)。其中定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)。FFD在硬件功能上比較完備，可以與所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD進(jìn)行通信。與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的“協(xié)調(diào)器”。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。除直接參與應(yīng)用外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還需要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

2 家用網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)及其軟硬件組成

結(jié)合本課題中家用網(wǎng)關(guān)和家用電器的主從關(guān)系，本文采用基于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)閆igbee無線網(wǎng)關(guān)需要將基于TCP協(xié)議的信息轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee網(wǎng)絡(luò)其它的節(jié)點(diǎn)，故它必須為一個(gè)FFD設(shè)備，同時(shí)它在整個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)還要管理其它節(jié)點(diǎn)的一些信息，故其又實(shí)現(xiàn)為一個(gè)協(xié)調(diào)器。

根據(jù)課題要求，選擇的系統(tǒng)硬件組成：采用S3C4480嵌入式開發(fā)板，該開發(fā)自帶2M FLASH和8M RAM。網(wǎng)絡(luò)芯片采用RTL8019 10M網(wǎng)絡(luò)芯片，Zigbee通信模塊采用TI的CC2420芯片(兩片)。

選用的系統(tǒng)軟件組成：uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee協(xié)議棧+LWIP TCP／IP協(xié)議棧。

Zigbee無線網(wǎng)關(guān)基本功能為將基于TCP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)與基于Zigbee協(xié)議棧的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而可以將基于常用的以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，也可以將Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中。開啟Zigbee無線網(wǎng)關(guān)，其它的RFD節(jié)點(diǎn)通過與其通信，加入到該無線網(wǎng)絡(luò)中。這樣Zigbee無線網(wǎng)關(guān)就可以管理所有節(jié)點(diǎn)。

這里涉及兩個(gè)主要協(xié)議棧：Zigbee協(xié)議棧和TCP／IP協(xié)議棧。

TCE／IP協(xié)議棧這里選擇適合嵌入式應(yīng)用的LWIP協(xié)議棧，具有良好的移植性并且開放源代碼。