物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的研究及組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)畢業(yè)設(shè)計(jì)（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)概念的基礎(chǔ)上提出的，積極發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，盡快擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，盡快使其投入到生產(chǎn)、生活中去，將具有重要意義。而物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)感知網(wǎng)絡(luò)與通信網(wǎng)絡(luò)以及不同類型感知網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)。</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的研究及組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，是在構(gòu)建整

2、個(gè)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中至關(guān)重要的一步。網(wǎng)關(guān)是建立在網(wǎng)絡(luò)層之上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，而嵌入式系統(tǒng)具有專用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好、可靠性高、功耗少、體積小和低成本的特點(diǎn)，因此用嵌入式網(wǎng)關(guān)極大增加了應(yīng)用的靈活性并降低了成本。通過(guò)網(wǎng)關(guān)把ZigBee網(wǎng)絡(luò)同因特網(wǎng)連接起來(lái)，在各個(gè)角落都可以對(duì)某個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，大大縮小了物理世界的時(shí)空距離。</p><p>　　本文首先提出了一種基于ARM微處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)方案

3、，設(shè)計(jì)出的網(wǎng)關(guān)具有功耗底、體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單又可以滿足小數(shù)據(jù)量信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)。然后以?shī)W爾斯物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)IOV-T-2530為平臺(tái)，模擬了嵌入式網(wǎng)關(guān)多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集并完成了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的通信，從而實(shí)現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式系統(tǒng)；ZigBee；網(wǎng)關(guān)；</p><p><b>　　ABSTRACT</b><

4、;/p><p>　　The Internet of things is based on the concept of Internet, Actively develop Internet of Things technology, expand its application areas as soon as possible, put it into production and life as soon as

5、 possible, will be of great signifiance. While the Gatway can bring about protocol conversion between the sensor network, communications networks and different types of sensor network, both can achieve wide-area access,

6、local access can also be achieved. The research and application of Embedded G</p><p>　　This paper first suggests a overall design of embedded Gateway based on the ARM microprocessor, the Gateway has the a

7、dvantages of low power consumption, small size, simple design and a small amount of data to meet the characteristics of information transmission. then use OURS IOV-T-2530 as a platform to simulate the embedded Gateway mu

8、lti-point data acquisition, and completed the communication between ZigBee network and Internet, accomplishing the application of embedded Gateway in the Internet </p><p>　　Keywords: Intemet of things; Embed

9、ded systems; ZigBee ; Gateway; 目錄</p><p><b>　　1緒論3</b></p><p>　　1.1課題研究背景3</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3課題研究意義和內(nèi)容6</p><p>　　2物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)

10、理論基礎(chǔ)9</p><p>　　2.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述10</p><p>　　2.2基于ZigBee的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介11</p><p>　　2.3TI Z-Stack協(xié)議棧20</p><p>　　2.4ZigBee開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)22</p><p>　　3基于ARM微處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)

11、25</p><p>　　3.1 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的基本要求…25</p><p>　　3.2 網(wǎng)關(guān)功能模塊的組成……26</p><p>　　3.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)………27</p><p>　　3.4 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)………28</p><p>　　4物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)Cortex A8DB概述

12、29</p><p>　　4.1嵌入式網(wǎng)關(guān)Cortex A8DB開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介29</p><p>　　4.2嵌入式網(wǎng)關(guān)操作系統(tǒng)方案的選擇33</p><p>　　4.3OMAP3530處理器（ARM內(nèi)核）燒寫(xiě)WinCE38</p><p>　　5軟硬件平臺(tái)的搭建及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)39</p><p>　　5.1

13、CC2530芯片概述39</p><p>　　5.2Visual Studio 2005的特點(diǎn)41</p><p>　　5.3Platform Builder for CE 6.0簡(jiǎn)介42</p><p>　　5.4系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的搭建及組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)43</p><p>　　6總結(jié)和展望….56</p><p&

14、gt;<b>　　參考文獻(xiàn)57</b></p><p><b>　　致謝詞58</b></p><p>　　附錄1外文原文59</p><p>　　附錄2 中文譯文67</p><p><b>　　緒論</b></p><p><b>

15、　　課題研究背景</b></p><p>　　21世紀(jì)是一個(gè)以網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)為核心的信息時(shí)代。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代即將到來(lái)。物聯(lián)網(wǎng)被稱為信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、紅外感應(yīng)器、GPS、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何物體進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)是具有全面感知、可靠

16、傳輸、智能處理特征的連接物理世界的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人

17、類社會(huì)三元世界的連通。</p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長(zhǎng)的電池壽命和較多的器件陣列。目前迫切需要一種符合傳感器和低端的、面向控制的、應(yīng)用簡(jiǎn)單的專用標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問(wèn)題。ZigBee有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得Zighee和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)

18、合在一起。目前，基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開(kāi)發(fā)己得到越來(lái)越多的關(guān)注。</p><p>　　最近二十年間，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)給世界帶來(lái)了深刻變化，然而，網(wǎng)絡(luò)功能再?gòu)?qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)世界再豐富，終究是虛擬的，與現(xiàn)實(shí)世界還是相隔的?；ヂ?lián)網(wǎng)必須與傳感網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，才能與現(xiàn)實(shí)世界相聯(lián)系。</p><p>　　將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)相互連接，組成一個(gè)更大的網(wǎng)絡(luò)，可以進(jìn)一步發(fā)揮無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

19、和有線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，提高信息傳輸效率和質(zhì)量。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合將帶來(lái)新的應(yīng)用。例如，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)的融合，一方面使無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得以借助這兩種傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，另一方面這兩種網(wǎng)絡(luò)可以利用傳感信息實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的創(chuàng)新。</p><p>　　多個(gè)ZigBee設(shè)備可以構(gòu)成一個(gè)無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中主協(xié)調(diào)器可以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控制。隨著Zighee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如何通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)

20、施(如Internett)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、控制，逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題。現(xiàn)如今因特網(wǎng)普及全球，如果能把ZigBee網(wǎng)絡(luò)同因特網(wǎng)連接起來(lái)，那么在世界各個(gè)角落都可以對(duì)某個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行控制，有利于ZigBee技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，因此網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)就如一座橋梁緊密地聯(lián)系著ZigBee網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)在整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)中起著重要的樞紐作用，是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的“瓶頸”之一，通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)和Internett做媒介，就使得世界范

21、圍內(nèi)的不同監(jiān)測(cè)區(qū)域都可以信息共享，這大大縮小了物理世界的時(shí)空距離。</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)上升到國(guó)家戰(zhàn)略高度，世界多個(gè)國(guó)家和企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始投入巨資，力爭(zhēng)在未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命中搶占制高點(diǎn)。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬極其重視物聯(lián)網(wǎng)這種高新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，并將其視為與開(kāi)發(fā)綠色能源技術(shù)同等重要的國(guó)家戰(zhàn)略。去年年底，世界

22、IT巨頭IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛首次拋出“智慧的地球”這一概念時(shí)，其戰(zhàn)略核心就是物聯(lián)網(wǎng)。這些充分證明，要想把握好信息產(chǎn)業(yè)變革的每一次機(jī)遇，并不是偶然機(jī)遇的垂青，而是充分重視，主動(dòng)把握機(jī)會(huì)的結(jié)果。</p><p>　　我國(guó)也在積極的把握這次難得的機(jī)遇，溫家寶總理提出了建立“感知中國(guó)”中心的工作，他指出，“當(dāng)計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展時(shí)，我們因?yàn)闆](méi)有掌握一些核心技術(shù)而走過(guò)一些彎路。在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點(diǎn)謀劃未來(lái)

23、，早一點(diǎn)攻破核心技術(shù)。”國(guó)家工業(yè)和信息化部正在制定我國(guó)的“物聯(lián)網(wǎng)”標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系己形成初步框架，向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織提交的多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)提案均被采納。</p><p>　　我國(guó)在物聯(lián)網(wǎng)的啟動(dòng)和發(fā)展上與國(guó)際相比并不落后，我國(guó)中長(zhǎng)期規(guī)劃《新緒論一代寬帶移動(dòng)無(wú)線通信網(wǎng)》中有重點(diǎn)專項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)“傳感器及其網(wǎng)絡(luò)”，國(guó)內(nèi)不少城市和省份已大量采用傳感網(wǎng)解決電力、交通、公安、農(nóng)漁業(yè)中的所有增強(qiáng)機(jī)器設(shè)備通信和網(wǎng)絡(luò)能力

24、的技術(shù)的總稱(MZM)等信息通信技術(shù)的服務(wù)中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)也啟動(dòng)了基于互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)和基于電信網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和研究課題的申報(bào)工作。中國(guó)的幾大電信運(yùn)營(yíng)商積極投入“物聯(lián)網(wǎng)”的技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的工作:物流信息化、公交視頻化、校訊通、農(nóng)村信息化、漁牧業(yè)監(jiān)控、水文水質(zhì)等?？偠灾?，我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)己經(jīng)初步掌握其核心技術(shù)，自行制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)紛紛被世界各國(guó)所采納，享有話語(yǔ)權(quán)。我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“唐芯一號(hào)”已經(jīng)問(wèn)世，突破了我國(guó)射頻電路、模數(shù)混合

25、電路、超低功耗等集成電路設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和測(cè)試技術(shù)，對(duì)于我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用，爭(zhēng)取自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和占領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)國(guó)際制高點(diǎn)，意義重大。</p><p>　　中國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研發(fā)水平處于世界前列，具有重大的影響力，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域享有國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。中科院1999年就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)研究，組成了 2000多人的團(tuán)隊(duì)，先后投入數(shù)億元，在無(wú)線智能傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器終端機(jī)、移動(dòng)基站等取得重大進(jìn)展。目前已擁有從材料、技術(shù)

26、、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡(luò)的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在世界傳感網(wǎng)領(lǐng)域，中國(guó)與德國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)一起，成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定的主導(dǎo)國(guó)之一。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟是企業(yè)間的合作組織，致力于提供可靠的、高性價(jià)比的、低能耗、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化的、基于開(kāi)放全球標(biāo)準(zhǔn)的監(jiān)控產(chǎn)品。ZigBee聯(lián)盟的目標(biāo)：通過(guò)加入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的功能，為消費(fèi)者提供更富彈性、易用的電子產(chǎn)品，ZigBee技術(shù)應(yīng)用范圍橫跨全球民用、商用、政府及工業(yè)領(lǐng)域，生產(chǎn)商可以利用ZigBe

27、e這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、便宜又節(jié)能的各種產(chǎn)品。ZigBee聯(lián)盟主要關(guān)注：制定網(wǎng)絡(luò)層，安全層、應(yīng)用層；提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及一致性測(cè)試規(guī)格；拓展ZigBee品牌的全球市場(chǎng);管理技術(shù)演進(jìn)。截至2009年12月，根據(jù)ZigBee聯(lián)盟官緒論方網(wǎng)站上的數(shù)據(jù)顯示，ZigBee聯(lián)盟目前有328家會(huì)員。</p><p>　　ZigBee技術(shù)彌補(bǔ)了低功耗、低速率、短距離應(yīng)用的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)空缺，有廣闊的發(fā)展空間與廣

28、泛的應(yīng)用前景，特別適用于構(gòu)建無(wú)所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)。為了推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界紛紛將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)（如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)）進(jìn)行互聯(lián)，來(lái)延伸ZigBee網(wǎng)絡(luò)的使用范圍。目前ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互通主要采取兩種方案：ZigBee內(nèi)置IP協(xié)議和網(wǎng)關(guān)方式。</p><p>　　網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常它連接兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前

29、將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式。網(wǎng)關(guān)方式具有效率高、響應(yīng)實(shí)時(shí)、可靠性高、功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)具有很好的通用性。</p><p>　　課題的研究意義和內(nèi)容</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)的提出突破了將物理設(shè)備和信息傳送分開(kāi)的傳統(tǒng)思維，實(shí)現(xiàn)了物與物的交流，體現(xiàn)了大融合理念，具有很大的戰(zhàn)略意義。現(xiàn)有的通信主要是人與人的通信,目前全球的通信用戶已經(jīng)接近于飽和，發(fā)展空間有限。而物聯(lián)網(wǎng)涉及的通信對(duì)

30、象更多的是“物”，如果這些所謂的“物”都納入物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用范疇，其潛在可能涉及的通信連接數(shù)可達(dá)數(shù)百億個(gè)，為通信領(lǐng)域的擴(kuò)展提供了巨大的空間。</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)的接入方式是多種多樣的，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備是將多種接入手段整合起來(lái)，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵設(shè)備。它可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實(shí)現(xiàn)與公共網(wǎng)絡(luò)的連接，同時(shí)完成轉(zhuǎn)發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能，而終端管理、安全認(rèn)證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的質(zhì)量和安

31、全。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代將會(huì)扮演著非常重要的角色，可以實(shí)現(xiàn)感知延伸網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實(shí)現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實(shí)現(xiàn)局域互聯(lián)，將廣泛應(yīng)用于智能家居、智能社區(qū)、數(shù)字醫(yī)院、智能交通等各行各業(yè)。</p><p>　　ZigBee彌補(bǔ)了低功耗、低速率、短距離應(yīng)用的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)空缺，有廣闊的發(fā)展空間與廣泛的應(yīng)用前景，特別適用于構(gòu)建無(wú)所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)。作為面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的目標(biāo)是

32、建立一個(gè)無(wú)所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)?；赯igBee技術(shù)的無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)有機(jī)地把ZigBee技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從現(xiàn)場(chǎng)到互聯(lián)網(wǎng)的整個(gè)傳輸過(guò)程，反之也可以把互聯(lián)網(wǎng)上的控制信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，使數(shù)據(jù)能夠雙向通信。讓ZigBee技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用也更加廣泛、發(fā)展前景更加廣闊。</p><p>　　多個(gè)ZigBee設(shè)備可以構(gòu)成一個(gè)無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中主協(xié)調(diào)器可以對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行控

33、制?，F(xiàn)如今因特網(wǎng)普及全球，如果能把ZigBee網(wǎng)絡(luò)同因特網(wǎng)連接起來(lái)，那么在世界各個(gè)角落都可以對(duì)某個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備進(jìn)行控制，有利于ZigBee技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，因此網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)就如一座橋梁緊密地聯(lián)系著ZigBee網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)。例如在精確農(nóng)業(yè)的應(yīng)用中，田間或大棚內(nèi)安裝不同的傳感器采集各種數(shù)據(jù)，如光照、溫度、濕度、二氧化碳含量等，配合ZigBee模塊就可以構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)傳送到因特網(wǎng)上，人們就可

34、以在辦公室里甚至在任何地方通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制農(nóng)田的基本情況。</p><p>　　ZigBee是一種新興的、低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)監(jiān)控等領(lǐng)域的無(wú)線技術(shù)。隨著Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如何通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(Internet)對(duì)其現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)、管理和遠(yuǎn)程控制，逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題。將Zigbee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)緊密融合，實(shí)

35、現(xiàn)對(duì)其有效支持、補(bǔ)充和擴(kuò)展，是本文討論的主要內(nèi)容。 </p><p>　　本文針對(duì)奧爾斯物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)IOV-T-2530的研究和學(xué)習(xí)，通過(guò)嵌入式網(wǎng)關(guān)Cortex A8DB開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接和信息交互，使互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制成為可能。</p><p><b>　　物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)理論基礎(chǔ)</b></p><p>

36、;　　物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)采用分層的通信系統(tǒng)架構(gòu)，包括感知延伸系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)和各種應(yīng)用，在不同的層次上支持不同的通信協(xié)議，如圖2-1 所示。</p><p>　　圖2-1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架</p><p>　　感知延伸系統(tǒng)包括感知和控制技術(shù)，由感知延伸層設(shè)備以及網(wǎng)關(guān)組成，支持包括Lonworks、UPnP、ZigBee 等通信協(xié)議在內(nèi)的多種感知延伸網(wǎng)絡(luò)。感知設(shè)備可以通過(guò)多種接入技術(shù)連

37、接到核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的耗能設(shè)施，包括了應(yīng)用系統(tǒng)和業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)。應(yīng)用系統(tǒng)為最終用戶提供計(jì)量統(tǒng)計(jì)、遠(yuǎn)程測(cè)控、智能聯(lián)動(dòng)以及其他的擴(kuò)展類型業(yè)務(wù)。業(yè)務(wù)管理支撐系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)用戶管理、安全、認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)等功能。</p><p><b>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述</b></p><p>　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor

38、networks，WSN)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計(jì)算、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對(duì)各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類社會(huì)這三元世界的連通。</p><p>　　所謂無(wú)線傳

39、感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的，具備感知、無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成和功能包括如下四個(gè)基本單元：傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，包括CPU、存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)以及節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序等組成)、通信單元(由無(wú)線通信模塊組成)、以及供電單元(電池、太陽(yáng)能或其他方式)。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)當(dāng)時(shí)的情況通過(guò)自組織方式構(gòu)成動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間一

40、般采用多跳的無(wú)線通信方式進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨(dú)立的環(huán)境下運(yùn)行，也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶可以遠(yuǎn)程訪問(wèn)。</p><p>　　ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE 802.15.4定義的物理層(PHY)和媒體介質(zhì)

41、訪問(wèn)層(MAC)，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)架構(gòu)。</p><p>　　基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4組織的推動(dòng)下，結(jié)合其他無(wú)線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有極高的應(yīng)用價(jià)值，而且在未來(lái)其應(yīng)用更將擴(kuò)展到涉及人類日常生活和社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。</p><p>　

42、　無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸范圍來(lái)劃分，可以分為無(wú)線廣域網(wǎng)（WWAN），無(wú)線城域網(wǎng)（WMAN），無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）和無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)（WPAN）。其中的無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)就是所謂的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，各種短距離無(wú)線傳輸技術(shù)層出不窮：藍(lán)牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、無(wú)線USB，無(wú)載波通信技術(shù)（UWB）等, 其中藍(lán)牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的三種標(biāo)準(zhǔn)。Bluetooth雖然成本低，成熟度高，具有多種

43、規(guī)范，但是其傳輸距離有限，僅為10米，只能組成最多8個(gè)節(jié)點(diǎn)的星狀網(wǎng)，電池也僅能維持?jǐn)?shù)周。 UWB雖然可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾百M(fèi)bps的傳輸速率，但是其覆蓋距離僅為10米，這決定了它主要被用作消費(fèi)產(chǎn)品中的視頻和高速數(shù)據(jù)解決方案，目前UWB沒(méi)有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能力。Wi-Fi雖然傳輸速度可以達(dá)到11Mbps，傳輸距離達(dá)到100米，但是其價(jià)格相對(duì)教昂貴，且功耗大，組網(wǎng)能力差。ZigBee技術(shù)專注于低成本，低功耗和低速率的無(wú)線通信市場(chǎng)，因此非常適合應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)

44、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中來(lái)。</p><p>　　基于ZigBee的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在兩種功能類型的設(shè)備，三種節(jié)點(diǎn)類型，三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩種工作模式。</p><p><b>　　功能類型</b></p><p>　　Zig

45、Bee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFD（Full Function Device）和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD（Reduced Function Device）兩種功能類型的設(shè)備。全功能器件擁有完整的協(xié)議功能，在網(wǎng)絡(luò)中可以作為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和普通節(jié)點(diǎn)（Device）而存在。而精簡(jiǎn)功能器件旨在實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的協(xié)議功能而設(shè)計(jì)，只能作為普通節(jié)點(diǎn)存在于網(wǎng)絡(luò)中。全功能器件可以與精簡(jiǎn)功能器件或其他的全功能器件通信，而精簡(jiǎn)功能器件

46、只能與全功能器件通信，精簡(jiǎn)功能器件之間不能直接通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)要求至少有一個(gè)全功能設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。</p><p><b>　　節(jié)點(diǎn)類型</b></p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含三種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器ZC（ZigBee Coordinator）、路由器ZR（ZigBee Router）和終端設(shè)備ZE（ZigBee EndDevice），其中協(xié)調(diào)器和

47、路由器均為全功能設(shè)備（FFD），而終端設(shè)備選用精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD）。</p><p>　　協(xié)調(diào)器：一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN（Personal Area Network）有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器，該設(shè)備負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，配置網(wǎng)絡(luò)成員地址，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力。</p><p>　　路由器：主要實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能。擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，即作為網(wǎng)絡(luò)中的潛在父節(jié)點(diǎn)

48、，允許更多的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。路由節(jié)點(diǎn)只有在樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在。 </p><p>　　終端設(shè)備：不具備成為父節(jié)點(diǎn)或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，負(fù)責(zé)與實(shí)際的監(jiān)控對(duì)象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。</p><p><b>　　拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</b></p><p

49、>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀網(wǎng)（Star Network），樹(shù)狀網(wǎng)（Cluster tree Network）和網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh Network）三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1所示，依次是星狀網(wǎng)絡(luò)，樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在圖2-2中的C表示PAN協(xié)調(diào)器，F(xiàn)表示全功能設(shè)備，R表示精簡(jiǎn)功能設(shè)備。</p><p>　　圖2-2 星狀網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　星形網(wǎng)（S

50、tar）是由一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成的。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是FFD，它位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）一般為RFD，也可以為FFD，它們分布在ZigBee協(xié)調(diào)器的覆蓋范圍內(nèi)，直接與ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡(jiǎn)單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖畲髢?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需其他路由信息，一切數(shù)據(jù)包均通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器。其缺點(diǎn)是限制了

51、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，很難實(shí)現(xiàn)高密度地?cái)U(kuò)展，最多支持兩跳網(wǎng)絡(luò)，適用于小型網(wǎng)絡(luò)。目前為止，星形拓?fù)涫亲畛Ｒ?jiàn)的網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)，被大量應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制終端設(shè)備的通信。</p><p>　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，所有該星型網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都是用這個(gè)標(biāo)識(shí)符來(lái)規(guī)定自己的屬主關(guān)系。不同星型網(wǎng)絡(luò)之間的設(shè)備通過(guò)設(shè)置專門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個(gè)標(biāo)識(shí)符后，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器就允許其他設(shè)備加入自己的網(wǎng)絡(luò)，并為這些設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分

52、組。星型網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)設(shè)備如果需要互相通信，都是先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)方。</p><p>　　樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)（Cluster tree Network）由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)或多個(gè)星狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD，設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直接通訊外，其他只能通過(guò)樹(shù)狀路由完成數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。ZigBee 協(xié)調(diào)器比網(wǎng)絡(luò)中的其它路由器具有更強(qiáng)人的處理能力

53、和存儲(chǔ)空間。樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是它的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時(shí)延也會(huì)增大。</p><p>　　在建立樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)時(shí)，ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，先選擇網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，將自己的短地址設(shè)置為0，然后向它鄰近的設(shè)備發(fā)送信標(biāo)，接受其他設(shè)備的連接，形成樹(shù)的第一級(jí)，此時(shí)ZigBee協(xié)調(diào)器與這些設(shè)備之間形成父子關(guān)系。與ZigBee協(xié)調(diào)器建立連接的設(shè)備都分配了一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)短地址。如果以終端設(shè)備的身

54、份與網(wǎng)絡(luò)連接，則ZigBee協(xié)調(diào)器分配一個(gè)唯一的16位網(wǎng)絡(luò)地址；如果以路由器的身份與網(wǎng)絡(luò)連接，則協(xié)調(diào)器會(huì)為它分配一個(gè)地址塊（包含有若干16位短地址）。路由器根據(jù)它接收到的協(xié)調(diào)器信標(biāo)的信息，配置并發(fā)送它自己的信標(biāo)，允許其他的設(shè)備與自己建立連接，成為其子設(shè)備。由此可見(jiàn)，路由器轉(zhuǎn)發(fā)消息時(shí)通過(guò)計(jì)算與目標(biāo)設(shè)備的關(guān)系，從而決定向自己的父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)還是某個(gè)子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)。</p><p>　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh Network）一般

55、是由若干個(gè)FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對(duì)等通信，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與它的無(wú)線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，即允許網(wǎng)絡(luò)中所有具有路由功能的節(jié)點(diǎn)直接互連。但它們中也有一個(gè)會(huì)被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)不同的是，它是由路由器中的路由表配合來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)狀路由的。Mesh網(wǎng)是一種高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇

56、，但正是由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)是減少了消息延時(shí)、增強(qiáng)了可靠性，缺點(diǎn)是需要更多的存儲(chǔ)空間開(kāi)銷。</p><p><b>　　工作模式</b></p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式兩種。信標(biāo)模式可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達(dá)到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模式只允許ZE進(jìn)

57、行周期性休眠，ZC和所有ZR設(shè)備長(zhǎng)期處于工作狀態(tài)。 </p><p>　　在信標(biāo)模式下，ZC負(fù)責(zé)以一定的間隔時(shí)間（一般在15ms-4mins之間）向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各個(gè)時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。</p><p>　　非信標(biāo)模式下，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)采用父節(jié)點(diǎn)為ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)，ZE主動(dòng)向其父節(jié)點(diǎn)提

58、取數(shù)據(jù)的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)ZE的周期性（周期可設(shè)置）休眠。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點(diǎn)需要為自己的ZE子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來(lái)與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。</p><p>　　ZigBee協(xié)議結(jié)構(gòu)</p><p>　　ZigBee協(xié)議由物理層（PHY）、介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)

59、層（NWK）， 應(yīng)用層（APL）及安全服務(wù)提供層（SSP）五塊內(nèi)容組成。其 中PHY層和MAC層標(biāo)準(zhǔn)由IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義，MAC層之上的NWK層， APL層及SSP層，由ZigBee聯(lián)盟的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義。APL層由應(yīng)用支持層 （APS），應(yīng)用框架（AF）以及ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）及ZDO管理平臺(tái)組成。ZigBee技術(shù)的整體協(xié)議架構(gòu)如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 ZigB

60、ee協(xié)議結(jié)構(gòu)體系</p><p>　　PHY層定義了無(wú)線射頻應(yīng)該具備的特征，提供了868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2400MHz~2483.5MHz三種不同的頻段，分別支持20Kbps、40Kbps和250Kbps的傳輸速率，1個(gè)、10個(gè)以及16個(gè)不同的信道。ZigBee的傳輸距離與輸出功率和環(huán)境參數(shù)有關(guān)，一般為10~100米之間。PHY層提供兩種服務(wù)：PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)和PHY層管理服

61、務(wù)，PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)是通過(guò)無(wú)線信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU），PHY層的特性是激活和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)囂、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評(píng)估、通過(guò)物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。 </p><p>　　MAC層使用CSMA-CA沖突避免機(jī)制對(duì)無(wú)線信道訪問(wèn)進(jìn)行控制，負(fù)責(zé)物理相鄰設(shè)備問(wèn)的可靠鏈接，支持關(guān)聯(lián)（Association）和退出關(guān)聯(lián)（Disassociation）以及MAC層安全。MAC層提供兩種服務(wù)：

62、MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)和MAC層管理服務(wù)，MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元 （MPDU）。MAC層的主要功能是：進(jìn)行信標(biāo)管理、信道接入、保證時(shí)隙（GTS）管理、幀確認(rèn)應(yīng)答幀傳送、連接和斷開(kāi)連接。</p><p>　　NWK層提供網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址分配，組網(wǎng)管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護(hù)等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE802.15.4-2003MAC子層和為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。N

63、WK層從概念上包括兩個(gè)服務(wù)實(shí)體：數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體和管理服務(wù)實(shí)體。NWK層的責(zé)任主要包括加入和離開(kāi)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用到的機(jī)制、應(yīng)用幀安全機(jī)制和他們的目的地路由幀機(jī)制，ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層（APS子層）、應(yīng)用框架（AF）和ZigBee 設(shè)備對(duì)象（ZDO）。APS子層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)綁定表，綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和他們的需求使設(shè)備相互配對(duì)。Z

64、igBee的應(yīng)用框架（AF）為各個(gè)用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象提供了模板式的活動(dòng)空間，并提供了鍵值對(duì)（KVP）服務(wù)和報(bào)文（MSG）服務(wù)供應(yīng)用對(duì)象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個(gè)設(shè)備允許最多240個(gè)用戶自定義應(yīng)用對(duì)象，分別指定在端點(diǎn)1至端點(diǎn)240上。ZDO可以看成是指配到端點(diǎn)0上的一個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象，被所有ZigBee設(shè)備包含，是所有用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象調(diào)用的一個(gè)功能集，包括網(wǎng)絡(luò)角色管理，綁定管理，安全管理等。 ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（例如是Zig

65、Bee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端設(shè)備）、發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定他們提供哪種應(yīng)用服務(wù)，發(fā)現(xiàn)或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立可靠的關(guān)聯(lián)。</p><p>　　安全服務(wù)提供者SSP（Security Service Provider）向NWK層和APS層提供安全服務(wù)。</p><p>　　ZigBee協(xié)議層與層之間是通過(guò)原語(yǔ)進(jìn)行信息的交換和應(yīng)答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務(wù)接口。數(shù)據(jù)服務(wù)接

66、口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)，管理服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。</p><p><b>　　原語(yǔ)的概念</b></p><p>　　OSI開(kāi)放模型采用分層結(jié)構(gòu)來(lái)簡(jiǎn)化和隔離各層的功能。每一層的服務(wù)是建立在它下層的服務(wù)之上，來(lái)為它的上層或者子層里的用戶提供服務(wù)的。N層是服務(wù)提供者，N+1層是服務(wù)用戶N+1層和N層之間的信息流是

67、由一些離散的、瞬間的事件模擬的，每個(gè)事件都是通過(guò)傳遞服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)SAP將服務(wù)原語(yǔ)從一層傳遞到另一層。 服務(wù)原語(yǔ)是個(gè)抽象的概念，我們可以通過(guò)描述服務(wù)原語(yǔ)和其特征參數(shù)來(lái)制定某個(gè)服務(wù)。一個(gè)服務(wù)可能包含一個(gè)或者多個(gè)相關(guān)的原語(yǔ)，這些原語(yǔ)組成了與特定服務(wù)相關(guān)的行為，每個(gè)服務(wù)原語(yǔ)可能包含零個(gè)或者多個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)帶有要求提供服務(wù)的信息。 ZigBee規(guī)范的各種不同的任務(wù)在不同的層次上執(zhí)行，上層通過(guò)下層提供的功能完成所要執(zhí)行的任務(wù)。因此對(duì)于一

68、個(gè)特定的層來(lái)說(shuō)要完成兩方面的功能，向上層提供服務(wù)以及從下層調(diào)用服務(wù)。ZigBee上下層間的交互就是通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 ZigBee規(guī)范使用了四種類型的原語(yǔ)，它們是請(qǐng)求原語(yǔ)（Request），指示原 語(yǔ)（Indication），響應(yīng)原語(yǔ)（Response）以及確認(rèn)原語(yǔ)（Confirm）：</p><p>　　Request：請(qǐng)求原語(yǔ)是從N+1層傳遞到N層，用以請(qǐng)求發(fā)起服務(wù)；</p><p&g

69、t;　　Indication：指示原語(yǔ)是從N+1層傳遞到N層，用以指示一個(gè)內(nèi)部N層事件對(duì)于N+1層有重要意義。該事件可能與遠(yuǎn)端服務(wù)請(qǐng)求邏輯相關(guān)，或者它是由N層內(nèi)部時(shí)間引起的；</p><p>　　Response：響應(yīng)原語(yǔ)是從N+1層傳遞到N層，用以完成指示原語(yǔ)先前調(diào)用的程序； </p><p>　　Confirm：確認(rèn)原語(yǔ)是從N層傳遞到N+1層，用以傳遞一個(gè)或多個(gè)先前相關(guān)的服務(wù)請(qǐng)求的結(jié)果

70、。 </p><p>　　ZigBee與其它無(wú)線技術(shù)比較</p><p>　　將ZigBee、GPRS/GSM、Wi-Fi、Bluetooth幾種無(wú)線通訊的技術(shù)指標(biāo)匯總成圖2-4。與其他幾種無(wú)線通訊技術(shù)相比而言，ZigBee具有低功耗、低價(jià)格、低數(shù)據(jù)傳輸速率、傳輸范圍小和支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多的特點(diǎn)，較適合用于具有以下特點(diǎn)的工控領(lǐng)域：</p><p>　　(1)產(chǎn)品設(shè)備要求

71、成本較低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較??；</p><p>　　(2)設(shè)備體積較小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊；</p><p>　　(3)沒(méi)有充足的電力支持，只能使用一次性電池；</p><p>　　(4)需要較大范圍的通信覆蓋，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備很多，但僅僅需要監(jiān)測(cè)或控制。</p><p>　　只要符合上面的一條，就可以考慮使用ZigBee技術(shù)。&l

72、t;/p><p>　　圖2-4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)匯總比較</p><p>　　TI Z-Stack協(xié)議棧</p><p>　　2007年1月，TI公司宣布推出ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack），并于2007年4月提供免費(fèi)下載版本V1.4.1。Z-Stack達(dá)到ZigBee測(cè)試機(jī)構(gòu)德國(guó)萊茵集團(tuán)（TUV Rheinland）評(píng)定的ZigBee聯(lián)盟參考平臺(tái)（Golden

73、 Unit）水平，目前已為全球眾多ZigBee開(kāi)發(fā)商所廣泛采用。Z-Stack符合ZigBee 2006規(guī)范，支持多種平臺(tái)，其中包括面向IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案、基于CC2420收發(fā)器的新平臺(tái)以及TI公司的MSP430超低功耗微控制器（MCU）。</p><p>　　TI Z-Stack是TI公司的ZigBee協(xié)議實(shí)現(xiàn)，由ZigBee聯(lián)盟鑒定符合ZigBee協(xié)議的平臺(tái)

74、。它主要包括以下幾個(gè)方面：</p><p>　　HAL(硬件描述層)</p><p>　　OSAL(操作系統(tǒng)描述層)</p><p>　　ZigBeestaek+IEEE802.15.4MAC</p><p><b>　　用戶應(yīng)用層</b></p><p>　　MT(支持通過(guò)串口與PC機(jī)進(jìn)行通信)

75、</p><p>　　ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)稱為OSAL的操作系統(tǒng)層上，所以要進(jìn)行ZigBee開(kāi)發(fā)必須熟悉OSAL。OSAL （操作系統(tǒng)描述層）基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，它是通過(guò)對(duì)任務(wù)的事件觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件，每個(gè)事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)事件號(hào)。當(dāng)一個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的Event中該事件的標(biāo)志位就被設(shè)置，這樣事件調(diào)度就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。OSAL中的任務(wù)可以通過(guò)任務(wù)API將其添加到系統(tǒng)中，

76、可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。</p><p>　　2010年5月推出的Z-Stack 2.3.1軟件可與奧爾斯電子的 OURS-IOTV2平臺(tái)協(xié)同工作，該平臺(tái)基于TI的CC2530片上系統(tǒng)。該軟件提供了其所支持的應(yīng)用范例庫(kù)，其中包括智能能源、家庭自動(dòng)化以及無(wú)線下載 (OAD) 等功能。</p><p>　　TI Z-Stack 軟件架構(gòu)</p><p>　　事實(shí)上，TI Z

77、-Stack協(xié)議棧是基于一個(gè)輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的。 </p><p>　　Z-Stack的main函數(shù)在ZMain.c中，總體上來(lái)說(shuō)，它一共做了兩件工作，一個(gè)是系統(tǒng)初始化，即由啟動(dòng)代碼來(lái)初始化硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)架需要的各個(gè)模塊，另外一個(gè)就是開(kāi)始執(zhí)行操作系統(tǒng)實(shí)體，如圖2-5所示。</p><p>　　圖 2-5 協(xié)議棧主要流程</p><p><b>　　★系

78、統(tǒng)初始化</b></p><p>　　系統(tǒng)啟動(dòng)代碼需要完成初始化硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)所需的要的各個(gè)模塊，微操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作，主要分為初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，檢測(cè)芯片工作電壓，初始化堆棧，初始化各個(gè)硬件模塊，初始化FLASH存儲(chǔ)，形成芯片MAC地址，初始化非易失變量，初始化MAC層協(xié)議，初始化應(yīng)用幀層協(xié)議，初始化操作系統(tǒng)等十余部分。</p><p><b>　　★操作系

79、統(tǒng)的執(zhí)行</b></p><p>　　啟動(dòng)代碼為操作系統(tǒng)的執(zhí)行做好準(zhǔn)備工作以后，就開(kāi)始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序，并由此徹底將控制權(quán)交給操作系統(tǒng)，完成新老更替，自己則光榮地退出舞臺(tái)。其實(shí)，操作系統(tǒng)實(shí)體只有一行代碼： </p><p>　　Osal_start_system()； //no return from here </p><p>　　可以看

80、到這句代碼有句注釋，意思是本函數(shù)不會(huì)返回，也就是說(shuō)他是一個(gè)死循環(huán)，永遠(yuǎn)不可能執(zhí)行完。即操作系統(tǒng)從啟動(dòng)代碼接到程序的控制權(quán)之后，就大全在握，不肯再把這個(gè)權(quán)利拱手相讓給別人了。這個(gè)函數(shù)就是輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的主體部分，他所做的就是不斷地查詢每個(gè)任務(wù)是否有事件發(fā)生，如果發(fā)生，執(zhí)行相應(yīng)的函數(shù)，如果沒(méi)有發(fā)生，就查詢下一個(gè)任務(wù)。 </p><p>　　ZigBee開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)</p><p>　　IEEE

81、 802.15.4協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)基于開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)的七層模型，每一層實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。</p><p>　　ZigBee協(xié)議棧是開(kāi)發(fā)802.15.4/ZigBee技術(shù)必須的關(guān)鍵。本文采用TI免費(fèi)協(xié)議棧，工具采用IAR Embedded Workbench for軟件8051，在TI免費(fèi)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改其應(yīng)用層來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。對(duì)于不同的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，大部分的代碼都是相同的，只是在用

82、戶應(yīng)用層，添加了不同的任務(wù)及事件處理函數(shù)。無(wú)需改動(dòng)Z-Stack核心代碼，大大增加了項(xiàng)目的通用性和易移植性。</p><p>　　用戶只需外加三個(gè)文件就可以完成一個(gè)項(xiàng)目。一個(gè)是主文件，存放具體的任務(wù)事件處理函數(shù)，一個(gè)是這個(gè)主文件的頭文件，另外一個(gè)是操作系統(tǒng)接口文件（以O(shè)sal開(kāi)頭） ，是專門存放任務(wù)處理函數(shù)數(shù)組tasksArr[]的文件。ampleApp.c；SampleApp.h；Osal_SampleApp.

83、c。</p><p>　　前面講述了TI Z-Stack的軟件架構(gòu)，為了能進(jìn)一步地利用Z-Stack協(xié)議棧開(kāi)發(fā)實(shí)際的Zigbee項(xiàng)目，下面將介紹一些Zigbee的相關(guān)概念。</p><p><b>　　設(shè)備類型</b></p><p>　　在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（coordinator），路由器（router）和終端設(shè)

84、備（end-device）。Zigbee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和多個(gè)中斷設(shè)備組成。</p><p>　　協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心，他最主要的作用是i啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，其方法是選擇一個(gè)相對(duì)的空閑的信道，形成一個(gè)PADIN。他也會(huì)協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中的安全層及處理應(yīng)用層的綁定。當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)和配置完成之后，它的功能退化為一個(gè)普通的路由器。 </p><p>　　路由器的主要功能是提供接力作用，能擴(kuò)展信

85、號(hào)的傳輸范圍，因此一般情況下他應(yīng)該一直處于活動(dòng)狀態(tài)，不應(yīng)休眠。</p><p>　　終端設(shè)備可以睡眠或者喚醒，因此用電池來(lái)供電。</p><p><b>　　信道</b></p><p>　　2.4Ghz的射頻頻段被分為16個(gè)獨(dú)立的信道。每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)DFFAULTCHANLIST的默認(rèn)信道集。協(xié)調(diào)器掃描自己的默認(rèn)信道集并選擇噪聲最小的信道

86、作為自己所建的網(wǎng)絡(luò)信道。終端節(jié)點(diǎn)和路由器也要掃描默認(rèn)信道集并選擇一個(gè)信道上已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)加入。</p><p><b>　　PANID</b></p><p>　　PANID指網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，用于區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的PANID值與ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值的設(shè)置有關(guān)。如果協(xié)調(diào)器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設(shè)置為0xffff，則協(xié)調(diào)器將產(chǎn)

87、生一個(gè)隨機(jī)的PANID，如果路由器和終端節(jié)點(diǎn)的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設(shè)置為0xFFFF，路由器和終端節(jié)點(diǎn)將會(huì)在自己的默認(rèn)信道上隨機(jī)的選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的PANID即為自己的PANID。如果協(xié)調(diào)器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設(shè)置為非0xFFFF值，則協(xié)調(diào)器根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)地址（IEEE地址）或ZDAPP_CONFIG_PAN_ID隨機(jī)產(chǎn)生的PANID不同的是如果路由器和終端節(jié)點(diǎn)的ZDAPP_CONFI

88、G_PAN_ID值設(shè)置為非0xFFFF，則會(huì)以ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值作為PANID。 如果協(xié)調(diào)器PANID的設(shè)置值小于等于0x3FFF的有效值，協(xié)調(diào)器就會(huì)以這個(gè)特定的PANID值建立網(wǎng)絡(luò)，但是如果在默認(rèn)信道上已經(jīng)有了該P(yáng)ANID值的網(wǎng)絡(luò)存在，則協(xié)調(diào)器會(huì)繼續(xù)搜尋其他的PANID，直到找到網(wǎng)絡(luò)不沖突為止，這樣就有可能產(chǎn)生一些問(wèn)題：如果協(xié)調(diào)</p><p><b>　　描述符</b&g

89、t;</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備都有一些描述符，用來(lái)描述設(shè)備類型和應(yīng)用方式。描述服包含節(jié)描述符，電源描述符和默認(rèn)用戶描述符等。通過(guò)改變這些描述符可以定義自己的設(shè)備。描述符的定義和創(chuàng)建配置項(xiàng)在文件ZDOConfig.h和ZDOConfig.c中完成。描述符信息可以被網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備獲取。</p><p>　　基于ARM微處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)</p>

90、<p><b>　　網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的基本要求</b></p><p>　　網(wǎng)關(guān)的位置位于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間，要具有很好的協(xié)作能力，能夠具備同一區(qū)域不同網(wǎng)關(guān)間協(xié)作、終端移動(dòng)過(guò)程中的協(xié)作管理；要具備移動(dòng)能力，網(wǎng)關(guān)本身在移動(dòng)過(guò)程中能夠保持與網(wǎng)絡(luò)的連接能力；要具備信令處理能力，能夠轉(zhuǎn)換無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)間的交互信令、數(shù)據(jù);要具備數(shù)據(jù)儲(chǔ)備能力，能夠在需要時(shí)保留終端節(jié)點(diǎn)的位置、路由、認(rèn)證、

91、其他數(shù)據(jù)信息等。</p><p>　　結(jié)合ZigBee和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸體系包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)兩部分。網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)兩個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)在整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中具有唯一性，所有無(wú)線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)均發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并由其進(jìn)行地址、協(xié)議轉(zhuǎn)換，提取出有效信息數(shù)據(jù)重新封轉(zhuǎn)成TCP/IP數(shù)據(jù)包后發(fā)送給以太網(wǎng)；反之，以太網(wǎng)數(shù)據(jù)也需由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行地址、協(xié)議轉(zhuǎn)換后，才發(fā)送給ZigBee網(wǎng)

92、絡(luò)?？傊?，嵌入式網(wǎng)關(guān)是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的中轉(zhuǎn)站。</p><p>　　網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡(luò)中的位置如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與Internet互通的體系結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　網(wǎng)關(guān)功能模塊的組成</b></p><p>　　網(wǎng)關(guān)是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)的核心，是無(wú)線傳

93、感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，作為入口節(jié)點(diǎn)，它應(yīng)具有網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器的功能。網(wǎng)關(guān)是整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的核心是處于廣域網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)中間的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。作為入口節(jié)點(diǎn)，它應(yīng)具有網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器的功能，一方面，網(wǎng)關(guān)要支持TCP/IP協(xié)議議并能提供WEB服務(wù)，從而允許客戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)它。以ARM微處理器為中心建立網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)，對(duì)外通過(guò)以太網(wǎng)接入公共網(wǎng)絡(luò)，對(duì)內(nèi)將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)連成一體，用戶通過(guò)遠(yuǎn)端PC就可以對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。</p>

94、<p>　　整個(gè)通信系統(tǒng)可以分為三個(gè)模塊: ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信模塊，網(wǎng)關(guān)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模塊，網(wǎng)關(guān)的因特網(wǎng)通信模塊。ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通信模塊采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器選擇PANID標(biāo)識(shí)符，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，其他設(shè)備都必須通過(guò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)互相通信。網(wǎng)關(guān)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器通過(guò)串口與網(wǎng)關(guān)相連，協(xié)調(diào)器收到其他ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，交給應(yīng)用層，應(yīng)用層通過(guò)調(diào)用串

95、口API發(fā)到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)串口交給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將數(shù)據(jù)封裝，加上ZigBee的短地址發(fā)送出去。網(wǎng)關(guān)的因特網(wǎng)通信模塊，采用以太網(wǎng)口，B/S通信模式，將網(wǎng)關(guān)設(shè)置為服務(wù)器，啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)任務(wù)等待客戶端的連接請(qǐng)求。</p><p>　　嵌入式網(wǎng)關(guān)采用由硬件層、軟件層和應(yīng)用層構(gòu)成模塊化的分層設(shè)計(jì)方案，總體結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 嵌入式網(wǎng)關(guān)的總體結(jié)構(gòu)</

96、p><p>　　嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　按模塊劃分網(wǎng)關(guān)主要由以太網(wǎng)模塊、供電模塊、主控模塊、存儲(chǔ)模塊、LCD顯示模塊和Zigbee模塊組成。主控模塊為整個(gè)網(wǎng)關(guān)的核心模塊，負(fù)責(zé)Zigbee網(wǎng)絡(luò)及以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的收發(fā)、網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換、網(wǎng)間地址解析等。選取基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的TI公司新一代移動(dòng)應(yīng)用處理器OMAP3530，運(yùn)行頻率為412MHz，配置256 M SDRAM和

97、256 M NAND Flash,以太網(wǎng)網(wǎng)卡提供100 M傳輸速率；LCD顯示模塊選用液晶觸摸屏。Zigbee模塊的射頻收發(fā)芯片選用CC2530，TI推出的符合2.4 GHz IEEE802.15.4和Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)<

98、;/p><p>　　嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件主要由硬件設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)、Wince6.0操作系統(tǒng)與協(xié)議棧的裁剪與移植和網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序三大部分構(gòu)成。通過(guò)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)可以完成系統(tǒng)控制及Zigbee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)通信等。硬件設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)是對(duì)物理硬件設(shè)備功能的軟件封裝，提供軟件接口給Wince6.0操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用。網(wǎng)關(guān)驅(qū)動(dòng)主要由以太網(wǎng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、外部存儲(chǔ)器驅(qū)動(dòng)、LCD驅(qū)動(dòng)和板載初始化等構(gòu)成。軟件平臺(tái)參考模型如圖3-4所示。<

99、/p><p>　　圖3-4 軟件平臺(tái)參考模型</p><p>　　物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)Cortex A8DB概述</p><p>　　嵌入式網(wǎng)關(guān)Cortex A8DB開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介</p><p>　　作為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)IOV-T-2530中的嵌入式網(wǎng)關(guān)，CORTEX A8DB開(kāi)發(fā)板采用TI公司新一代移動(dòng)應(yīng)用處理器OMAP3530，該處理器在單一的

100、芯片上集成了600-MHz ARM Cortex-A8 Core、412MHz TMS320C64x+ DSP Core、圖形引擎、視頻加速器以及豐富的多媒體外設(shè)。Cortex-A8內(nèi)核基于ARMv7指令架構(gòu)，是ARM公司有史以來(lái)性能最強(qiáng)勁的一款處理器，適用于復(fù)雜操作系統(tǒng)及用戶應(yīng)用，運(yùn)行速度可以達(dá)600MHz至1GHz，功耗在300mW以下，而性能卻高達(dá)2000MIPS。Cortex-A8處理器復(fù)雜的流水線架構(gòu)基于雙對(duì)稱的，順序發(fā)射的，

101、13級(jí)流水線，帶有先進(jìn)的動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)2.0 DMIPS/MHz。10級(jí)NEON媒體流水線，專用的L2緩存，帶有可編程的等待狀態(tài)，支持多項(xiàng)與L3存儲(chǔ)器之間的未完成事務(wù)，以充分利用CPU。 </p><p>　　CORTEX A8DB開(kāi)發(fā)板</p><p>　　CORTEX A8DB開(kāi)發(fā)板采用核心板外加底板的模式，提供了7寸TFT 24位液晶觸摸屏，接口資源豐富，擴(kuò)展了通用的存儲(chǔ)器、通

102、訊接口。在很小的體積下構(gòu)成了高性能、低功耗的嵌入式最小系統(tǒng)，成為下一代智能手機(jī)、GPS系統(tǒng)、媒體播放器以及全新便攜式設(shè)備等嵌入式應(yīng)用的最佳選擇。嵌入式網(wǎng)關(guān)（CORTEX A8DB 開(kāi)發(fā)板）及核心板如圖4-1、4-2所示。</p><p>　　圖4-1嵌入式網(wǎng)關(guān)（CORTEX A8DB 開(kāi)發(fā)板）</p><p>　　圖4-2 網(wǎng)關(guān)核心板</p><p><b&g

103、t;　　其參數(shù)如下表所示：</b></p><p>　　● TI OMAP3530應(yīng)用處理器</p><p>　　TI推出的新一代移動(dòng)應(yīng)用處理器OMAP3530，是專門為智能手機(jī)、GPS 系統(tǒng)和筆記本電腦等低功耗便攜式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。OMAP3530 在單一的芯片上集成了 ARM Cortex-A8內(nèi)核、TMS320C64x+ DSP 內(nèi)核、圖形引擎、視頻加速器以及豐富的多媒體外

104、設(shè)，其中Cortex-A8 內(nèi)核擁有超過(guò)當(dāng)今 300MHz ARM9 器件4倍的處理性能。 </p><p>　　OMAP3530應(yīng)用處理器基于增強(qiáng)型OMAP 3架構(gòu)，可廣泛用于流媒體、2D/3D游戲、視頻會(huì)議、高分辨率靜態(tài)圖像、3G多媒體手機(jī)、高性能PDA等應(yīng)用，它包含高性能移動(dòng)產(chǎn)品所需的高效電源管理技術(shù)。 </p><p>　　具有更高速度的OMAP3530應(yīng)用處理器與評(píng)估板(EVM

105、)不但可為設(shè)計(jì)人員運(yùn)行最新應(yīng)用特性提供更高性能，而且還可為添加其自身的IP預(yù)留空間。該款最新OMAP3530處理器采用720MHz ARM Cortex-A8內(nèi)核與520MHz TMS320C64x+ DSP，可幫助用戶加速訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)手冊(cè)、演示文檔、電子郵件、音視頻附件、Web瀏覽以及視頻會(huì)議應(yīng)用。此外，該單芯片解決方案還支持更快的啟動(dòng)時(shí)間，是便攜式信息娛樂(lè)、銷售點(diǎn)(POS)設(shè)備、Web輸入板以及單板計(jì)算機(jī)等應(yīng)用的理想選擇。 &