ZigBee与IP协议的报文交换

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1、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。广告插播信息维库最新热卖芯片：HD74HC0

2、0PLM4890MMCLC5526MSASA631DKMIC39100-1.8WSLT2107CS8IL55AD810ANCY7B181-12NCMAX237CWG　　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

3、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。　　1ZigBee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(M

4、AC)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)。2．4GHz的ISM频段上，传输速率为20kb／s～250kb／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

5、，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

6、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

7、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。IEEE802．3PHY和IEEE802．3MAC为标准的以太网物理层和介质访问层，IEEE802

8、．2LLC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(highlayerserviceinterface)。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ZigBeeAPS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