物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)方法

　隨著傳感器、無線通信等技術(shù)的迅速的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在倉庫物理、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。作為計算機網(wǎng)絡(luò)及移動通訊設(shè)備之后的又一次信息革新，如何設(shè)計與實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)關(guān)成為我們研究的熱點。因為物聯(lián)網(wǎng)中的BigZee網(wǎng)關(guān)的協(xié)議與廣泛的TCP/IP協(xié)議并不一致，這就為實現(xiàn)兩種不同的網(wǎng)絡(luò)的融合帶來了難題。本文就主要對此進(jìn)行深入的探討。本文主要從網(wǎng)關(guān)的內(nèi)部構(gòu)造及ZigBee在以太網(wǎng)中與其他模塊之間的交互作用角度出發(fā)，探索如何實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，以達(dá)到數(shù)據(jù)順利傳輸和有效處理。 
　　　物聯(lián)網(wǎng)的概念是在2005年的國際電信聯(lián)盟上提出的。在信息化的時代，物聯(lián)網(wǎng)的提出的應(yīng)用，加強了人與人之間甚至人與物之間的通道，為人們的生活帶來了便利，使人們的生活更加智能化、簡單化。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展伴隨這無線傳感器技術(shù)的不斷成熟，無線傳感器結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作時間長等優(yōu)點為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了極大地發(fā)展空間。但是由于物聯(lián)網(wǎng)中廣泛采用的BigZee網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，如何使兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有效地融合成為我們要探討的關(guān)鍵技術(shù)。本文主要從網(wǎng)管的需求分析、軟件各模塊之間的設(shè)計與實現(xiàn)等兩大部分進(jìn)行論述，以求解救此問題。 
　　2.網(wǎng)關(guān)的需求分析 
　　物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計一般分為感知層、傳輸層、和應(yīng)用層三層。感知層的主要作用是收集信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在感知層中，通過傳感器、REID、攝像頭等技術(shù)對農(nóng)場、交通等的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸出去。在傳輸層中，運用現(xiàn)代的寬帶技術(shù)對感知層收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，一方面擴展了感知層的傳輸距離，另一方面加強了感知層和傳輸層之間的聯(lián)系。而應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)的傳輸層輸送的數(shù)據(jù)的處理、加工，應(yīng)用層的技術(shù)數(shù)據(jù)處理的結(jié)果也是物聯(lián)網(wǎng)的最終目的。物聯(lián)網(wǎng)的BigZee網(wǎng)關(guān)位于傳輸層中，其連接傳感器和傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的作用。網(wǎng)關(guān)的主要功能有協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)、傳感網(wǎng)絡(luò)管理等。 
　　2.1 協(xié)議轉(zhuǎn)換功能 
　　在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與數(shù)據(jù)傳輸過程中，網(wǎng)關(guān)最基本的功能就是使數(shù)據(jù)在不同的協(xié)議之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)收到物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee網(wǎng)關(guān)發(fā)送的數(shù)據(jù)之后，網(wǎng)關(guān)根據(jù)ZigBee協(xié)議進(jìn)行去除PHY層、包頭等之后再對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，然后傳送給下一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。因此，在大的網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)有ZigBee和TCP/IP兩種協(xié)議，才能使數(shù)據(jù)在以太網(wǎng)中順利傳輸。 
　　2.2 數(shù)據(jù)收發(fā)功能 
　　網(wǎng)關(guān)作為溝通傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，能夠起到數(shù)據(jù)中專的作用。ZigBee的數(shù)據(jù)在節(jié)點內(nèi)容進(jìn)行處理之后通過傳輸層傳遞給網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)在進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝之后通過以太網(wǎng)傳輸給IP主機。同時，IP主機的數(shù)據(jù)信息也可以通過網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)傳遞給物聯(lián)網(wǎng)的ZigBee節(jié)點。網(wǎng)關(guān)中轉(zhuǎn)站的功能完美實現(xiàn)了數(shù)據(jù)在哥節(jié)點之間的傳遞。 
　　2.3 傳感器網(wǎng)絡(luò)管理功能 
　　ZigBee的一個很重要的功能是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理，處理網(wǎng)絡(luò)的建立、網(wǎng)絡(luò)的申請等事項，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，分配網(wǎng)絡(luò)地址、完善網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等，同時在節(jié)點完成數(shù)據(jù)傳輸時及時對節(jié)點進(jìn)行回收。 
　　3 網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計與軟件各模塊之間的的設(shè)計與實現(xiàn) 
　　3.1 網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計 
　　網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計主要包括網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分。網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計與實現(xiàn)對后續(xù)各個軟件之間的設(shè)計及數(shù)據(jù)的處理傳遞至關(guān)重要。 
　　3.1.1 硬件設(shè)計 
　　網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計大致都是CPU 結(jié)構(gòu)，CPU結(jié)構(gòu)中主要包括ZigBee和CC2530兩個模塊。兩個模塊分別采用了ZigBee開發(fā)套件和龍芯1B開發(fā)板。在兩個模塊進(jìn)行連接時，主要通過套件和開發(fā)板進(jìn)行連接，從而共同完成網(wǎng)關(guān)的功能。 
　　3.1.2 軟件設(shè)計 
　　軟件的設(shè)計主要采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)和Stack協(xié)議棧，根據(jù)各個軟件模塊的需求分析確定網(wǎng)關(guān)的各個功能模塊，軟件設(shè)計的主要目的是完成網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)、網(wǎng)關(guān)與IP網(wǎng)絡(luò)主機及ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的有效連接。 
　　在軟件設(shè)計中，我們著重討論Linux的設(shè)計與實現(xiàn)。從自身性能來考慮，Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)存較小，并且內(nèi)核可以進(jìn)行裁剪，相對于其他操作系統(tǒng)更能符合服務(wù)器的需求。而且，Linux操作系統(tǒng)的源碼是開發(fā)的，并進(jìn)行模塊化設(shè)計，能更好地在后期進(jìn)行完善。再者，Linux操作系統(tǒng)本身支持TCP/IP的協(xié)議網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)較為復(fù)雜的功能。最后，Linux操作系統(tǒng)和Zstack提供串口驅(qū)動，可以實現(xiàn)串口的讀寫工作，方便后期的開發(fā)。 
　　3.2 ZigBee內(nèi)容通信模塊設(shè)計 
　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部主要由終端節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器三個節(jié)點完成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要功能有：網(wǎng)絡(luò)建立與入網(wǎng)申請。數(shù)據(jù)收發(fā)、包裝盒接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)。ZigBee內(nèi)部通信模塊的有效設(shè)計對各個模塊之間的有效運行和數(shù)據(jù)的傳遞、封裝都提供了有效的條件。同時，也應(yīng)該注意到，ZigBee內(nèi)部通信模塊的設(shè)計涉及到很多的理論知識，在設(shè)計時將這些理論知識相融合使用。 
　　3.3 網(wǎng)關(guān)主控模塊設(shè)計 
　　網(wǎng)絡(luò)主控模塊的主要功能是完成與ZigBee和IP主機之間的通信。網(wǎng)關(guān)主控與ZigBee取得通信，接受ZigBee的數(shù)據(jù)信息并對ZigBee傳遞命令。同時網(wǎng)關(guān)主控模塊與IP主機之間獲得通信，獲取命令或取得數(shù)據(jù)信想。同時，其他模塊與網(wǎng)關(guān)主控模塊進(jìn)行交互時則主要是通過Linux操作系統(tǒng)對串口的操作。其在交互中運用的命令會根據(jù)不同的需求來進(jìn)行定義。 
　　4 總結(jié) 
　　物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)管的設(shè)計與實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)以后的發(fā)展及對人們生活的影響都有深刻的影響。在網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)中，ZigBee網(wǎng)關(guān)與IP網(wǎng)絡(luò)的融合成為關(guān)鍵技術(shù)。為了更好地實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)關(guān)的連接，也要更多的從網(wǎng)管的需求、內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及同其他模塊的相互連接的角度考慮，只有這樣，才能從實際需求出發(fā)，更好地促進(jìn)發(fā)展，同時帶動物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展成熟。