物聯(lián)網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)的研究及組網(wǎng)實現(xiàn)畢業(yè)設計（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)，盡快擴展其應用領(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)可以實現(xiàn)感知網(wǎng)絡與通信網(wǎng)絡以及不同類型感知網(wǎng)絡之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(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)實現(xiàn)，是在構(gòu)建整

2、個物聯(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)絡層之上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，而嵌入式系統(tǒng)具有專用性強、實時性好、可靠性高、功耗少、體積小和低成本的特點，因此用嵌入式網(wǎng)關(guān)極大增加了應用的靈活性并降低了成本。通過網(wǎng)關(guān)把ZigBee網(wǎng)絡同因特網(wǎng)連接起來，在各個角落都可以對某個ZigBee網(wǎng)絡中的設備進行監(jiān)測和控制，大大縮小了物理世界的時空距離。</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)總體設計方案

3、，設計出的網(wǎng)關(guān)具有功耗底、體積小、設計簡單又可以滿足小數(shù)據(jù)量信息傳輸?shù)奶攸c。然后以奧爾斯物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)IOV-T-2530為平臺，模擬了嵌入式網(wǎng)關(guān)多點數(shù)據(jù)采集并完成了ZigBee網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的通信，從而實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用。</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無線傳感器網(wǎng)絡概述10</p><p>　　2.2基于ZigBee的無線組網(wǎng)技術(shù)簡介11</p><p>　　2.3TI Z-Stack協(xié)議棧20</p><p>　　2.4ZigBee開發(fā)基礎(chǔ)22</p><p>　　3基于ARM微處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)總體設計

11、25</p><p>　　3.1 網(wǎng)關(guān)設計的基本要求…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)的硬件設計………27</p><p>　　3.4 嵌入式網(wǎng)關(guān)的軟件設計………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開發(fā)板簡介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WinCE38</p><p>　　5軟硬件平臺的搭建及系統(tǒng)實現(xiàn)39</p><p>　　5.1

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

14、gt;<b>　　參考文獻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世紀是一個以網(wǎng)絡計算機為核心的信息時代。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)時代即將到來。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)是指通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、GPS、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，實現(xiàn)任何時間、任何地點、任何物體進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。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。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人

17、類社會三元世界的連通。</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長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、應用簡單的專用標準，而ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee有著高通信效率、低復雜度、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。這些優(yōu)點使得Zighee和無線傳感器網(wǎng)絡完美地結(jié)

18、合在一起。目前，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡的研究和開發(fā)己得到越來越多的關(guān)注。</p><p>　　最近二十年間，以互聯(lián)網(wǎng)為代表的計算機網(wǎng)絡技術(shù)給世界帶來了深刻變化，然而，網(wǎng)絡功能再強大，網(wǎng)絡世界再豐富，終究是虛擬的，與現(xiàn)實世界還是相隔的?；ヂ?lián)網(wǎng)必須與傳感網(wǎng)絡相結(jié)合，才能與現(xiàn)實世界相聯(lián)系。</p><p>　　將無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡相互連接，組成一個更大的網(wǎng)絡，可以進一步發(fā)揮無線網(wǎng)絡

19、和有線網(wǎng)絡的優(yōu)勢，提高信息傳輸效率和質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡和現(xiàn)有網(wǎng)絡的融合將帶來新的應用。例如，無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)的融合，一方面使無線傳感器網(wǎng)絡得以借助這兩種傳統(tǒng)網(wǎng)絡傳遞信息，另一方面這兩種網(wǎng)絡可以利用傳感信息實現(xiàn)應用的創(chuàng)新。</p><p>　　多個ZigBee設備可以構(gòu)成一個無線個人區(qū)域網(wǎng)，在這個網(wǎng)絡中主協(xié)調(diào)器可以對各個設備進行控制。隨著Zighee無線網(wǎng)絡技術(shù)的廣泛應用，如何通過現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎(chǔ)設

20、施(如Internett)對其進行遠程管理、控制，逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題?，F(xiàn)如今因特網(wǎng)普及全球，如果能把ZigBee網(wǎng)絡同因特網(wǎng)連接起來，那么在世界各個角落都可以對某個ZigBee網(wǎng)絡中的設備進行控制，有利于ZigBee技術(shù)的進一步發(fā)展，因此網(wǎng)關(guān)的設計就如一座橋梁緊密地聯(lián)系著ZigBee網(wǎng)絡與因特網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)在整個傳感器網(wǎng)絡中起著重要的樞紐作用，是整個傳感器網(wǎng)絡發(fā)展的“瓶頸”之一，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)和Internett做媒介，就使得世界范

21、圍內(nèi)的不同監(jiān)測區(qū)域都可以信息共享，這大大縮小了物理世界的時空距離。</p><p><b>　　國內(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)上升到國家戰(zhàn)略高度，世界多個國家和企業(yè)已經(jīng)開始投入巨資，力爭在未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革命中搶占制高點。美國總統(tǒng)奧巴馬極其重視物聯(lián)網(wǎng)這種高新技術(shù)的開發(fā)，并將其視為與開發(fā)綠色能源技術(shù)同等重要的國家戰(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，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)變革的每一次機遇，并不是偶然機遇的垂青，而是充分重視，主動把握機會的結(jié)果。</p><p>　　我國也在積極的把握這次難得的機遇，溫家寶總理提出了建立“感知中國”中心的工作，他指出，“當計算機和互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展時，我們因為沒有掌握一些核心技術(shù)而走過一些彎路。在傳感網(wǎng)發(fā)展中，要早一點謀劃未來

23、，早一點攻破核心技術(shù)?！眹夜I(yè)和信息化部正在制定我國的“物聯(lián)網(wǎng)”標準，相關(guān)負責人表示，我國物聯(lián)網(wǎng)標準體系己形成初步框架，向國際標準化組織提交的多項標準提案均被采納。</p><p>　　我國在物聯(lián)網(wǎng)的啟動和發(fā)展上與國際相比并不落后，我國中長期規(guī)劃《新緒論一代寬帶移動無線通信網(wǎng)》中有重點專項研究開發(fā)“傳感器及其網(wǎng)絡”，國內(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)中的所有增強機器設備通信和網(wǎng)絡能力

24、的技術(shù)的總稱(MZM)等信息通信技術(shù)的服務中國通信標準化協(xié)會也啟動了基于互聯(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)標準和研究課題的申報工作。中國的幾大電信運營商積極投入“物聯(lián)網(wǎng)”的技術(shù)開發(fā)和應用的工作: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)標準紛紛被世界各國所采納，享有話語權(quán)。我國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的“唐芯一號”已經(jīng)問世，突破了我國射頻電路、模數(shù)混合

25、電路、超低功耗等集成電路設計、驗證和測試技術(shù)，對于我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和應用，爭取自主知識產(chǎn)權(quán)和占領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)國際制高點，意義重大。</p><p>　　中國的物聯(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)域享有國際話語權(quán)。中科院1999年就啟動了傳感網(wǎng)研究，組成了 2000多人的團隊，先后投入數(shù)億元，在無線智能傳感器網(wǎng)絡通信技術(shù)、微型傳感器、傳感器終端機、移動基站等取得重大進展。目前已擁有從材料、技術(shù)

26、、器件、系統(tǒng)到網(wǎng)絡的完整產(chǎn)業(yè)鏈。在世界傳感網(wǎng)領(lǐng)域，中國與德國、美國、韓國一起，成為國際標準制定的主導國之一。</p><p>　　ZigBee聯(lián)盟是企業(yè)間的合作組織，致力于提供可靠的、高性價比的、低能耗、無線網(wǎng)絡化的、基于開放全球標準的監(jiān)控產(chǎn)品。ZigBee聯(lián)盟的目標：通過加入無線網(wǎng)絡的功能，為消費者提供更富彈性、易用的電子產(chǎn)品，ZigBee技術(shù)應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這個標準化無線網(wǎng)絡平臺，設計簡單、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)絡層，安全層、應用層；提供不同產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性及一致性測試規(guī)格；拓展ZigBee品牌的全球市場;管理技術(shù)演進。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家會員。</p><p>　　ZigBee技術(shù)彌補了低功耗、低速率、短距離應用的無線技術(shù)標準空缺，有廣闊的發(fā)展空間與廣

28、泛的應用前景，特別適用于構(gòu)建無所不在的傳感器網(wǎng)絡。為了推動物聯(lián)網(wǎng)和ZigBee技術(shù)的發(fā)展，業(yè)界紛紛將ZigBee網(wǎng)絡與現(xiàn)有的網(wǎng)絡（如計算機網(wǎng)絡、移動互聯(lián)網(wǎng)）進行互聯(lián)，來延伸ZigBee網(wǎng)絡的使用范圍。目前ZigBee網(wǎng)絡與以太網(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，通常它連接兩個或多個相互獨立的網(wǎng)絡，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、響應實時、可靠性高、功耗低，抗干擾能力強等特點，同時具有很好的通用性。</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備和信息傳送分開的傳統(tǒng)思維，實現(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?，F(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

30、象更多的是“物”，如果這些所謂的“物”都納入物聯(lián)網(wǎng)通信應用范疇，其潛在可能涉及的通信連接數(shù)可達數(shù)百億個，為通信領(lǐng)域的擴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)設備是將多種接入手段整合起來，統(tǒng)一互聯(lián)到接入網(wǎng)絡的關(guān)鍵設備。它可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實現(xiàn)與公共網(wǎng)絡的連接，同時完成轉(zhuǎn)發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能，而終端管理、安全認證等功能保證了物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的質(zhì)量和安

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

32、建立一個無所不在的傳感器網(wǎng)絡?；赯igBee技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)設計有機地把ZigBee技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從現(xiàn)場到互聯(lián)網(wǎng)的整個傳輸過程，反之也可以把互聯(lián)網(wǎng)上的控制信號通過網(wǎng)絡發(fā)送到現(xiàn)場，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程控制，使數(shù)據(jù)能夠雙向通信。讓ZigBee技術(shù)在各個領(lǐng)域的應用也更加廣泛、發(fā)展前景更加廣闊。</p><p>　　多個ZigBee設備可以構(gòu)成一個無線個人區(qū)域網(wǎng)，在這個網(wǎng)絡中主協(xié)調(diào)器可以對各個設備進行控

33、制。現(xiàn)如今因特網(wǎng)普及全球，如果能把ZigBee網(wǎng)絡同因特網(wǎng)連接起來，那么在世界各個角落都可以對某個ZigBee網(wǎng)絡中的設備進行控制，有利于ZigBee技術(shù)的進一步發(fā)展，因此網(wǎng)關(guān)的設計就如一座橋梁緊密地聯(lián)系著ZigBee網(wǎng)絡與因特網(wǎng)。例如在精確農(nóng)業(yè)的應用中，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)成一個或多個ZigBee網(wǎng)絡。這些數(shù)據(jù)可以通過無線網(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網(wǎng)絡來控制農(nóng)田的基本情況。</p><p>　　ZigBee是一種新興的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)，被業(yè)界認為是最有可能應用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)監(jiān)控等領(lǐng)域的無線技術(shù)。隨著Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的廣泛應用，如何通過現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎(chǔ)設施(Internet)對其現(xiàn)場進行檢測、管理和遠程控制，逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題。將Zigbee網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)緊密融合，實

35、現(xiàn)對其有效支持、補充和擴展，是本文討論的主要內(nèi)容。 </p><p>　　本文針對奧爾斯物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)IOV-T-2530的研究和學習，通過嵌入式網(wǎng)關(guān)Cortex A8DB開發(fā)板實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的連接和信息交互，使互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設施對現(xiàn)場設備的遠程控制成為可能。</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)務運營管理系統(tǒng)和各種應用，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。感知設備可以通過多種接入技術(shù)連

37、接到核心網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。業(yè)務運營管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網(wǎng)范圍內(nèi)的耗能設施，包括了應用系統(tǒng)和業(yè)務管理支撐系統(tǒng)。應用系統(tǒng)為最終用戶提供計量統(tǒng)計、遠程測控、智能聯(lián)動以及其他的擴展類型業(yè)務。業(yè)務管理支撐系統(tǒng)實現(xiàn)用戶管理、安全、認證、授權(quán)、計費等功能。</p><p><b>　　無線傳感器網(wǎng)絡概述</b></p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(wireless sensor

38、networks，WSN)是當前在國際上備受關(guān)注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領(lǐng)域。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網(wǎng)絡及無線通信和分布式信息處理等技術(shù)，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實時監(jiān)測、感知和采集，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的連通。</p><p>　　所謂無線傳

39、感器網(wǎng)絡是由大量部署在目標區(qū)域內(nèi)的，具備感知、無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點所構(gòu)成的分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的組成和功能包括如下四個基本單元：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、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)以及節(jié)點應用程序等組成)、通信單元(由無線通信模塊組成)、以及供電單元(電池、太陽能或其他方式)。傳感器網(wǎng)絡可以根據(jù)當時的情況通過自組織方式構(gòu)成動態(tài)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。傳感器網(wǎng)絡節(jié)點間一

40、般采用多跳的無線通信方式進行通信。傳感器網(wǎng)絡可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到互聯(lián)網(wǎng)，使用戶可以遠程訪問。</p><p>　　ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)或無線網(wǎng)絡技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應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、訪問層(MAC)，并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APL)架構(gòu)。</p><p>　　基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡應用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE 802.15.4組織的推動下，結(jié)合其他無線技術(shù)可以實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡。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)域具有極高的應用價值，而且在未來其應用更將擴展到涉及人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。</p><p>　

42、　無線網(wǎng)絡技術(shù)按照傳輸范圍來劃分，可以分為無線廣域網(wǎng)（WWAN），無線城域網(wǎng)（WMAN），無線局域網(wǎng)（WLAN）和無線個人域網(wǎng)（WPAN）。其中的無線個人域網(wǎng)就是所謂的短距離無線網(wǎng)絡，各種短距離無線傳輸技術(shù)層出不窮：藍牙（Bluetooth）、ZigBee、Wi-Fi、無線USB，無載波通信技術(shù)（UWB）等, 其中藍牙（Bluetooth）、UWB和ZigBee是最受產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的三種標準。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個節(jié)點的星狀網(wǎng)，電池也僅能維持數(shù)周。 UWB雖然可以實現(xiàn)高達幾百Mbps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產(chǎn)品中的視頻和高速數(shù)據(jù)解決方案，目前UWB沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡能力。Wi-Fi雖然傳輸速度可以達到11Mbps，傳輸距離達到100米，但是其價格相對教昂貴，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線通信市場，因此非常適合應用于物聯(lián)網(wǎng)

44、無線傳感器網(wǎng)絡中來。</p><p>　　基于ZigBee的無線組網(wǎng)技術(shù)簡介</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡體系</p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡中存在兩種功能類型的設備，三種節(jié)點類型，三種拓撲結(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)絡含全功能設備FFD（Full Function Device）和精簡功能設備RFD（Reduced Function Device）兩種功能類型的設備。全功能器件擁有完整的協(xié)議功能，在網(wǎng)絡中可以作為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和普通節(jié)點（Device）而存在。而精簡功能器件旨在實現(xiàn)最簡單的協(xié)議功能而設計，只能作為普通節(jié)點存在于網(wǎng)絡中。全功能器件可以與精簡功能器件或其他的全功能器件通信，而精簡功能器件

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

47、路由器均為全功能設備（FFD），而終端設備選用精簡功能設備（RFD）。</p><p>　　協(xié)調(diào)器：一個ZigBee網(wǎng)絡PAN（Personal Area Network）有且僅有一個協(xié)調(diào)器，該設備負責啟動網(wǎng)絡，配置網(wǎng)絡成員地址，維護網(wǎng)絡，維護節(jié)點的綁定關(guān)系表等，需要最多的存儲空間和計算能力。</p><p>　　路由器：主要實現(xiàn)擴展網(wǎng)絡及路由消息的功能。擴展網(wǎng)絡，即作為網(wǎng)絡中的潛在父節(jié)點

48、，允許更多的設備接入網(wǎng)絡。路由節(jié)點只有在樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡中存在。 </p><p>　　終端設備：不具備成為父節(jié)點或路由器的能力，一般作為網(wǎng)絡的邊緣設備，負責與實際的監(jiān)控對象相連，這種設備只與自己的父節(jié)點主動通訊，具體的信息路由則全部交由其父節(jié)點及網(wǎng)絡中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成。</p><p><b>　　拓撲結(jié)構(gòu)</b></p><p

49、>　　ZigBee網(wǎng)絡支持星狀網(wǎng)（Star Network），樹狀網(wǎng)（Cluster tree Network）和網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh Network）三種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，依次是星狀網(wǎng)絡，樹狀網(wǎng)絡和網(wǎng)狀網(wǎng)絡，在圖2-2中的C表示PAN協(xié)調(diào)器，F(xiàn)表示全功能設備，R表示精簡功能設備。</p><p>　　圖2-2 星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓撲結(jié)構(gòu)</p><p>　　星形網(wǎng)（S

50、tar）是由一個ZigBee協(xié)調(diào)器和一個或多個ZigBee終端節(jié)點組成的。ZigBee協(xié)調(diào)器必須是FFD，它位于網(wǎng)絡的中心，負責發(fā)起建立和維護整個網(wǎng)絡，其它的節(jié)點（終端節(jié)點）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)器進行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡單，通常用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。星型網(wǎng)絡拓撲的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，無需其他路由信息，一切數(shù)據(jù)包均通過ZigBee協(xié)調(diào)器。其缺點是限制了

51、無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍，很難實現(xiàn)高密度地擴展，最多支持兩跳網(wǎng)絡，適用于小型網(wǎng)絡。目前為止，星形拓撲是最常見的網(wǎng)絡配置結(jié)構(gòu)，被大量應用在遠程監(jiān)測和控制終端設備的通信。</p><p>　　網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器要為網(wǎng)絡選擇一個唯一的標識符，所有該星型網(wǎng)絡中的設備都是用這個標識符來規(guī)定自己的屬主關(guān)系。不同星型網(wǎng)絡之間的設備通過設置專門的網(wǎng)關(guān)完成相互通信。選擇一個標識符后，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器就允許其他設備加入自己的網(wǎng)絡，并為這些設備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分

52、組。星型網(wǎng)絡中的兩個設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)絡協(xié)調(diào)器，然后由網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對方。</p><p>　　樹狀網(wǎng)絡（Cluster tree Network）由一個協(xié)調(diào)器和一個或多個星狀結(jié)構(gòu)連接而成，枝干末端的葉子節(jié)點一般為RFD，設備除了能與自己的父節(jié)點或子節(jié)點進行點對點直接通訊外，其他只能通過樹狀路由完成數(shù)據(jù)和控制信息的傳輸。ZigBee 協(xié)調(diào)器比網(wǎng)絡中的其它路由器具有更強人的處理能力

53、和存儲空間。樹狀網(wǎng)絡的一個顯著優(yōu)點就是它的網(wǎng)絡覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增加，信息的傳輸時延也會增大。</p><p>　　在建立樹狀網(wǎng)絡時，ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡后，先選擇網(wǎng)絡標識符，將自己的短地址設置為0，然后向它鄰近的設備發(fā)送信標，接受其他設備的連接，形成樹的第一級，此時ZigBee協(xié)調(diào)器與這些設備之間形成父子關(guān)系。與ZigBee協(xié)調(diào)器建立連接的設備都分配了一個16位的網(wǎng)絡短地址。如果以終端設備的身

54、份與網(wǎng)絡連接，則ZigBee協(xié)調(diào)器分配一個唯一的16位網(wǎng)絡地址；如果以路由器的身份與網(wǎng)絡連接，則協(xié)調(diào)器會為它分配一個地址塊（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)器信標的信息，配置并發(fā)送它自己的信標，允許其他的設備與自己建立連接，成為其子設備。由此可見，路由器轉(zhuǎn)發(fā)消息時通過計算與目標設備的關(guān)系，從而決定向自己的父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)還是某個子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。</p><p>　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡（Mesh Network）一般

55、是由若干個FFD連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點通信，即允許網(wǎng)絡中所有具有路由功能的節(jié)點直接互連。但它們中也有一個會被推薦為ZigBee協(xié)調(diào)器。網(wǎng)狀網(wǎng)絡是樹狀網(wǎng)絡基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，與樹狀網(wǎng)絡不同的是，它是由路由器中的路由表配合來實現(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，具有“自恢復”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、，但正是由于兩個節(jié)點之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡。該拓撲的優(yōu)點是減少了消息延時、增強了可靠性，缺點是需要更多的存儲空間開銷。</p><p><b>　　工作模式</b></p><p>　　ZigBee網(wǎng)絡的工作模式可以分為信標模式和非信標模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許ZE進

57、行周期性休眠，ZC和所有ZR設備長期處于工作狀態(tài)。 </p><p>　　在信標模式下，ZC負責以一定的間隔時間（一般在15ms-4mins之間）向網(wǎng)絡廣播信標幀，兩個信標幀發(fā)送間隔之間有16個相同的時槽，這些時槽分為網(wǎng)絡休眠區(qū)和網(wǎng)絡活動區(qū)兩個部分，消息只能在網(wǎng)絡活動區(qū)的各個時槽內(nèi)發(fā)送。</p><p>　　非信標模式下，ZigBee標準采用父節(jié)點為ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)，ZE主動向其父節(jié)點提

58、取數(shù)據(jù)的機制，實現(xiàn)ZE的周期性（周期可設置）休眠。網(wǎng)絡中所有的父節(jié)點需要為自己的ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網(wǎng)絡中，并向父節(jié)點提取數(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)訪問控制子層（MAC）、網(wǎng)絡

59、層（NWK）， 應用層（APL）及安全服務提供層（SSP）五塊內(nèi)容組成。其 中PHY層和MAC層標準由IEEE802.15.4標準定義，MAC層之上的NWK層， APL層及SSP層，由ZigBee聯(lián)盟的ZigBee標準定義。APL層由應用支持層 （APS），應用框架（AF）以及ZigBee設備對象（ZDO）及ZDO管理平臺組成。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層定義了無線射頻應該具備的特征，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、10個以及16個不同的信道。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：PHY層數(shù)據(jù)服務和PHY層管理服

61、務，PHY層數(shù)據(jù)服務是通過無線信道發(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)閉無線收發(fā)囂、能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評估、通過物理媒介接收和發(fā)送分組數(shù)據(jù)。 </p><p>　　MAC層使用CSMA-CA沖突避免機制對無線信道訪問進行控制，負責物理相鄰設備問的可靠鏈接，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：

62、MAC層數(shù)據(jù)服務和MAC層管理服務，MAC層數(shù)據(jù)服務通過物理層數(shù)據(jù)服務發(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：進行信標管理、信道接入、保證時隙（GTS）管理、幀確認應答幀傳送、連接和斷開連接。</p><p>　　NWK層提供網(wǎng)絡節(jié)點地址分配，組網(wǎng)管理，消息路由，路徑發(fā)現(xiàn)及維護等功能。NWK層主要是為了確保正確地操作IEEE802.15.4-2003MAC子層和為應用層提供服務接口。N

63、WK層從概念上包括兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。NWK層的責任主要包括加入和離開一個網(wǎng)絡用到的機制、應用幀安全機制和他們的目的地路由幀機制，ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡層還負責建立一個新的網(wǎng)絡。</p><p>　　ZigBee應用層包括應用支持子層（APS子層）、應用框架（AF）和ZigBee 設備對象（ZDO）。APS子層負責建立和維護綁定表，綁定表主要根據(jù)設備之間的服務和他們的需求使設備相互配對。Z

64、igBee的應用框架（AF）為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對（KVP）服務和報文（MSG）服務供應用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。一個設備允許最多240個用戶自定義應用對象，分別指定在端點1至端點240上。ZDO可以看成是指配到端點0上的一個特殊的應用對象，被所有ZigBee設備包含，是所有用戶自定義的應用對象調(diào)用的一個功能集，包括網(wǎng)絡角色管理，綁定管理，安全管理等。 ZDO負責定義設備在網(wǎng)絡中的角色（例如是Zig

65、Bee協(xié)調(diào)器或者ZigBee終端設備）、發(fā)現(xiàn)設備和決定他們提供哪種應用服務，發(fā)現(xiàn)或響應綁定請求，在網(wǎng)絡設備之間建立可靠的關(guān)聯(lián)。</p><p>　　安全服務提供者SSP（Security Service Provider）向NWK層和APS層提供安全服務。</p><p>　　ZigBee協(xié)議層與層之間是通過原語進行信息的交換和應答的。大多數(shù)層都向上層提供數(shù)據(jù)和管理兩種服務接口。數(shù)據(jù)服務接

66、口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務，管理服務接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。</p><p><b>　　原語的概念</b></p><p>　　OSI開放模型采用分層結(jié)構(gòu)來簡化和隔離各層的功能。每一層的服務是建立在它下層的服務之上，來為它的上層或者子層里的用戶提供服務的。N層是服務提供者，N+1層是服務用戶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，每個事件都是通過傳遞服務原語來實現(xiàn)的，通過SAP將服務原語從一層傳遞到另一層。 服務原語是個抽象的概念，我們可以通過描述服務原語和其特征參數(shù)來制定某個服務。一個服務可能包含一個或者多個相關(guān)的原語，這些原語組成了與特定服務相關(guān)的行為，每個服務原語可能包含零個或者多個參數(shù)，這些參數(shù)帶有要求提供服務的信息。 ZigBee規(guī)范的各種不同的任務在不同的層次上執(zhí)行，上層通過下層提供的功能完成所要執(zhí)行的任務。因此對于一

68、個特定的層來說要完成兩方面的功能，向上層提供服務以及從下層調(diào)用服務。ZigBee上下層間的交互就是通過服務原語來實現(xiàn)的。 ZigBee規(guī)范使用了四種類型的原語，它們是請求原語（Request），指示原 語（Indication），響應原語（Response）以及確認原語（Confirm）：</p><p>　　Request：請求原語是從N+1層傳遞到N層，用以請求發(fā)起服務；</p><p&g

69、t;　　Indication：指示原語是從N+1層傳遞到N層，用以指示一個內(nèi)部N層事件對于N+1層有重要意義。該事件可能與遠端服務請求邏輯相關(guān)，或者它是由N層內(nèi)部時間引起的；</p><p>　　Response：響應原語是從N+1層傳遞到N層，用以完成指示原語先前調(diào)用的程序； </p><p>　　Confirm：確認原語是從N層傳遞到N+1層，用以傳遞一個或多個先前相關(guān)的服務請求的結(jié)果

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

71、成本較低，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較??；</p><p>　　(2)設備體積較小，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)絡中的設備很多，但僅僅需要監(jiān)測或控制。</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 無線網(wǎng)絡標準技術(shù)指標匯總比較</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月提供免費下載版本V1.4.1。Z-Stack達到ZigBee測試機構(gòu)德國萊茵集團（TUV Rheinland）評定的ZigBee聯(lián)盟參考平臺（Golden

73、 Unit）水平，目前已為全球眾多ZigBee開發(fā)商所廣泛采用。Z-Stack符合ZigBee 2006規(guī)范，支持多種平臺，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)議實現(xiàn)，由ZigBee聯(lián)盟鑒定符合ZigBee協(xié)議的平臺

74、。它主要包括以下幾個方面：</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>　　用戶應用層</b></p><p>　　MT(支持通過串口與PC機進行通信)

75、</p><p>　　ZigBee協(xié)議棧運行在一個稱為OSAL的操作系統(tǒng)層上，所以要進行ZigBee開發(fā)必須熟悉OSAL。OSAL （操作系統(tǒng)描述層）基于任務調(diào)度機制，它是通過對任務的事件觸發(fā)來實現(xiàn)任務調(diào)度。每個任務都包含若干個事件，每個事件都對應一個事件號。當一個事件產(chǎn)生時，對應任務的Event中該事件的標志位就被設置，這樣事件調(diào)度就會調(diào)用相應的任務處理程序。OSAL中的任務可以通過任務API將其添加到系統(tǒng)中，

76、可以實現(xiàn)多任務機制。</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平臺協(xié)同工作，該平臺基于TI的CC2530片上系統(tǒng)。該軟件提供了其所支持的應用范例庫，其中包括智能能源、家庭自動化以及無線下載 (OAD) 等功能。</p><p>　　TI Z-Stack 軟件架構(gòu)</p><p>　　事實上，TI Z

77、-Stack協(xié)議棧是基于一個輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)的。 </p><p>　　Z-Stack的main函數(shù)在ZMain.c中，總體上來說，它一共做了兩件工作，一個是系統(tǒng)初始化，即由啟動代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件構(gòu)架需要的各個模塊，另外一個就是開始執(zhí)行操作系統(tǒng)實體，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)啟動代碼需要完成初始化硬件平臺和軟件架構(gòu)所需的要的各個模塊，微操作系統(tǒng)的運行做好準備工作，主要分為初始化系統(tǒng)時鐘，檢測芯片工作電壓，初始化堆棧，初始化各個硬件模塊，初始化FLASH存儲，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>　　啟動代碼為操作系統(tǒng)的執(zhí)行做好準備工作以后，就開始執(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。其實，操作系統(tǒng)實體只有一行代碼： </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)不會返回，也就是說他是一個死循環(huán)，永遠不可能執(zhí)行完。即操作系統(tǒng)從啟動代碼接到程序的控制權(quán)之后，就大全在握，不肯再把這個權(quán)利拱手相讓給別人了。這個函數(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任務是否有事件發(fā)生，如果發(fā)生，執(zhí)行相應的函數(shù)，如果沒有發(fā)生，就查詢下一個任務。 </p><p>　　ZigBee開發(fā)基礎(chǔ)</p><p>　　IEEE

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

82、戶應用層，添加了不同的任務及事件處理函數(shù)。無需改動Z-Stack核心代碼，大大增加了項目的通用性和易移植性。</p><p>　　用戶只需外加三個文件就可以完成一個項目。一個是主文件，存放具體的任務事件處理函數(shù)，一個是這個主文件的頭文件，另外一個是操作系統(tǒng)接口文件（以Osal開頭） ，是專門存放任務處理函數(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)，為了能進一步地利用Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)實際的Zigbee項目，下面將介紹一些Zigbee的相關(guān)概念。</p><p><b>　　設備類型</b></p><p>　　在Zigbee網(wǎng)絡中存在三種邏輯設備類型：協(xié)調(diào)器（coordinator），路由器（router）和終端設

84、備（end-device）。Zigbee網(wǎng)絡由一個協(xié)調(diào)器以及多個路由器和多個中斷設備組成。</p><p>　　協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡的核心，他最主要的作用是i啟動網(wǎng)絡，其方法是選擇一個相對的空閑的信道，形成一個PADIN。他也會協(xié)助建立網(wǎng)絡中的安全層及處理應用層的綁定。當整個網(wǎng)絡啟動和配置完成之后，它的功能退化為一個普通的路由器。 </p><p>　　路由器的主要功能是提供接力作用，能擴展信

85、號的傳輸范圍，因此一般情況下他應該一直處于活動狀態(tài)，不應休眠。</p><p>　　終端設備可以睡眠或者喚醒，因此用電池來供電。</p><p><b>　　信道</b></p><p>　　2.4Ghz的射頻頻段被分為16個獨立的信道。每一個設備都有一個DFFAULTCHANLIST的默認信道集。協(xié)調(diào)器掃描自己的默認信道集并選擇噪聲最小的信道

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

87、生一個隨機的PANID，如果路由器和終端節(jié)點的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設置為0xFFFF，路由器和終端節(jié)點將會在自己的默認信道上隨機的選擇一個網(wǎng)絡加入，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的PANID即為自己的PANID。如果協(xié)調(diào)器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設置為非0xFFFF值，則協(xié)調(diào)器根據(jù)自身的網(wǎng)絡長地址（IEEE地址）或ZDAPP_CONFIG_PAN_ID隨機產(chǎn)生的PANID不同的是如果路由器和終端節(jié)點的ZDAPP_CONFI

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

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

90、<p><b>　　網(wǎng)關(guān)設計的基本要求</b></p><p>　　網(wǎng)關(guān)的位置位于無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(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、終端移動過程中的協(xié)作管理；要具備移動能力，網(wǎng)關(guān)本身在移動過程中能夠保持與網(wǎng)絡的連接能力；要具備信令處理能力，能夠轉(zhuǎn)換無線傳感網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)間的交互信令、數(shù)據(jù);要具備數(shù)據(jù)儲備能力，能夠在需要時保留終端節(jié)點的位置、路由、認證、

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)絡和以太網(wǎng)絡兩部分。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)絡和以太網(wǎng)兩個相互獨立的網(wǎng)絡。網(wǎng)關(guān)在整個無線網(wǎng)絡中具有唯一性，所有無線節(jié)點數(shù)據(jù)均發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并由其進行地址、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)進行地址、協(xié)議轉(zhuǎn)換后，才發(fā)送給ZigBee網(wǎng)

92、絡?？傊?，嵌入式網(wǎng)關(guān)是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)與ZigBee無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換的中轉(zhuǎn)站。</p><p>　　網(wǎng)關(guān)在網(wǎng)絡中的位置如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 ZigBee無線網(wǎng)絡與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)是整個物聯(lián)網(wǎng)的核心，是無線傳

93、感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)之間的一個節(jié)點，作為入口節(jié)點，它應具有網(wǎng)關(guān)和服務器的功能。網(wǎng)關(guān)是整個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的核心是處于廣域網(wǎng)和外部網(wǎng)絡中間的一個節(jié)點。作為入口節(jié)點，它應具有網(wǎng)關(guān)和服務器的功能，一方面，網(wǎng)關(guān)要支持TCP/IP協(xié)議議并能提供WEB服務，從而允許客戶遠程訪問它。以ARM微處理器為中心建立網(wǎng)關(guān)硬件平臺，對外通過以太網(wǎng)接入公共網(wǎng)絡，對內(nèi)將無線傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網(wǎng)絡連成一體，用戶通過遠端PC就可以對整個網(wǎng)絡進行控制。</p>

94、<p>　　整個通信系統(tǒng)可以分為三個模塊: ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)部通信模塊，網(wǎng)關(guān)的ZigBee網(wǎng)絡通信模塊，網(wǎng)關(guān)的因特網(wǎng)通信模塊。ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)部通信模塊采用星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，由一個協(xié)調(diào)器選擇PANID標識符，負責網(wǎng)絡的建立和維護，其他設備都必須通過協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)互相通信。網(wǎng)關(guān)的ZigBee網(wǎng)絡通信模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口與網(wǎng)關(guān)相連，協(xié)調(diào)器收到其他ZigBee節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)后，交給應用層，應用層通過調(diào)用串

95、口API發(fā)到網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)將網(wǎng)絡發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過串口交給協(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)設置為服務器，啟動監(jiān)聽任務等待客戶端的連接請求。</p><p>　　嵌入式網(wǎng)關(guān)采用由硬件層、軟件層和應用層構(gòu)成模塊化的分層設計方案，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)的硬件設計</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、存儲模塊、LCD顯示模塊和Zigbee模塊組成。主控模塊為整個網(wǎng)關(guān)的核心模塊，負責Zigbee網(wǎng)絡及以太網(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公司新一代移動應用處理器OMAP3530，運行頻率為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標準的射頻收發(fā)器，能夠?qū)崿F(xiàn)點對多點的快速組網(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)的軟件設計<

98、;/p><p>　　嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件主要由硬件設備底層驅(qū)動、Wince6.0操作系統(tǒng)與協(xié)議棧的裁剪與移植和網(wǎng)關(guān)應用程序三大部分構(gòu)成。通過系統(tǒng)的軟件設計可以完成系統(tǒng)控制及Zigbee網(wǎng)絡和以太網(wǎng)通信等。硬件設備底層驅(qū)動是對物理硬件設備功能的軟件封裝，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)動主要由以太網(wǎng)網(wǎng)卡驅(qū)動、串口驅(qū)動、外部存儲器驅(qū)動、LCD驅(qū)動和板載初始化等構(gòu)成。軟件平臺參考模型如圖3-4所示。<

99、/p><p>　　圖3-4 軟件平臺參考模型</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開發(fā)板簡介</p><p>　　作為物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新實驗系統(tǒng)IOV-T-2530中的嵌入式網(wǎng)關(guān)，CORTEX A8DB開發(fā)板采用TI公司新一代移動應用處理器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。Cortex-A8內(nèi)核基于ARMv7指令架構(gòu)，是ARM公司有史以來性能最強勁的一款處理器，適用于復雜操作系統(tǒng)及用戶應用，運行速度可以達600MHz至1GHz，功耗在300mW以下，而性能卻高達2000MIPS。Cortex-A8處理器復雜的流水線架構(gòu)基于雙對稱的，順序發(fā)射的，

101、13級流水線，帶有先進的動態(tài)分支預測，可實現(xiàn)2.0 DMIPS/MHz。10級NEON媒體流水線，專用的L2緩存，帶有可編程的等待狀態(tài)，支持多項與L3存儲器之間的未完成事務，以充分利用CPU。 </p><p>　　CORTEX A8DB開發(fā)板</p><p>　　CORTEX A8DB開發(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，擴展了通用的存儲器、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、GPS系統(tǒng)、媒體播放器以及全新便攜式設備等嵌入式應用的最佳選擇。嵌入式網(wǎng)關(guān)（CORTEX A8DB 開發(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應用處理器</p><p>　　TI推出的新一代移動應用處理器OMAP3530，是專門為智能手機、GPS 系統(tǒng)和筆記本電腦等低功耗便攜式應用而設計。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，其中Cortex-A8 內(nèi)核擁有超過當今 300MHz ARM9 器件4倍的處理性能。 </p><p>　　OMAP3530應用處理器基于增強型OMAP 3架構(gòu)，可廣泛用于流媒體、2D/3D游戲、視頻會議、高分辨率靜態(tài)圖像、3G多媒體手機、高性能PDA等應用，它包含高性能移動產(chǎn)品所需的高效電源管理技術(shù)。 </p><p>　　具有更高速度的OMAP3530應用處理器與評估板(EVM

105、)不但可為設計人員運行最新應用特性提供更高性能，而且還可為添加其自身的IP預留空間。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數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)手冊、演示文檔、電子郵件、音視頻附件、Web瀏覽以及視頻會議應用。此外，該單芯片解決方案還支持更快的啟動時間，是便攜式信息娛樂、銷售點(POS)設備、Web輸入板以及單板計算機等應用的理想選擇。 &