基于ZigBee和WiFi的双模网关设计方案

基于IEEE802.15.4标准的ZigBee协议具有自组织、稳定性好、抗干扰性强、功耗低等优点，主要应用于农业、工业检测、军事和医疗等方面。但其控制中心多是PC，不能适应野外等特殊环境。WiFi作为一种越来越普及的无线通信技术，凭借覆盖范围广、无需布线等优点，广泛存在于人们的生产生活中。以此提出一种适应于复杂环境的双模无线网关设计方案，具有良好的应用性和前瞻性。

1 系统总体结构

系统由ZigBee模块、开发板模块和WiFi模块组成。ZigBee模块中，Coordinator作为ZigBee网络的中心节点，负责控制和监测ZigBee路由节点，每一个路由节点携带一个传感器，负责把传感器采集的数据发送给Coordinator。开发板模块作为协议转换的枢纽，用于解析 Coordinator传输的数据。WiFi模块，将开发板解析的数据封装成WiFi帧。这样就实现双模无线网关的转换，系统结构如图1所示。

图1 系统总体结构

2 无线网关的设计

2.1 ZigBee数据流分析

ZB253002模块是基于CC2530F256芯片，执行ZigBee2007/PRO协议的 ZigBee模块，它具有ZigBee协议的全部特点。其主要的特点：

①自动组网。所有的模块通电即自动组网，协调器(Coordinator)自动给所有的节点分配地址，不需要用户手动分配地址，网络加入、应答等专业ZigBee组网流程。

②简单数据传输。ZB253002模块可以理解为“无线的 RS232 连接”，通过串行端口即可在任意节点间进行数据传输。ZigBee模块有两种数据的传输方式：数据透明传输，只要传送的第一个字节不是0xFE、0xFD 或0xFC，则自动进入数据透明传输方式;点对点的数据传输方式，数据传输的格式为0xFD(数据传输命令)+ 0x0A(数据长度)+(目标地址)+(数据)。由协调节点传输给开发板的数据添加以0xFE开头的15字节的节点信息，用来提供给 TI Sensor Monitor，观察网络结构。

Zigbee模块设置命令表如表1所列。

表1 Zigbee模块设置命令表

2.2 通信协调器的设计

Coordinator是整个网关转换和无线传感器网络建立的中心，是数据传输的中心枢纽。因此，Coordinator的设计关系到整个系统的稳定性和可靠性。Coordinator CC2530采用ZigBee2007协议栈。ZStack是TI公司提供的一种轮询式操作系统，借助于Z-Stack，Coordinator上电后，首先进行硬件和网络初始化，然后创建3个任务：①ZigBee网络任务，该任务通过Coordinator与其子节点的“绑定”完成。其绑定的过程，协调器建立网络，创建绑定表，并设定允许绑定模式，子节点发送绑定请求，Coordinator更新绑定表并响应子节点。②串口协议解析任务，该任务用于解析来自开发板和子节点的数据，并将解析后的数据传输给子节点任务或发送给开发板。③子节点任务，该任务主要用于接收子节点返回的数据，并将数据传输给串口协议解析任务。这样ZigBee协议帧的解析就转到开发板端，由Linux操作系统完成，Linux解析完成后，将有效的数据放入指定的共享内存。当 BOA收到外部Web请求，调用相应的CGI获取共享内存中的数据，并经由无线网卡以WiFi的形式传送给用户。

2.3 传输协议的实现

本设计经由Linux操作系统完成ZigBee协议的解析和WiFi协议帧的形成，主要的重点在于Coordinator与Linux串口传输协议的设计。串口传输协议自定义帧格式如下：

串口传输协议自定义帧格式

自定义帧的格式由帧头、功能号、有效数据长度、有效数据和FCS校验5部分组成。帧头定义为0x02;功能号因获取的数据类型不同而异，有关帧格式功能码定义如表2所列;有效数据长度用于标识读取有效数据的长度范围，最大值为255;有效数据存放ZigBee协议帧;FCS校验用于数据段的校验。

表2 协议帧功能码

根据设计中的自定义帧格式，报文中的有效数据被封装成固定格式，通过串口进行传送。开发板和Coordinator通过监听串口数据分别对收到得数据包进行解析。解析流程(以Coordinator为例)如图2所示，具体解析过程如下。

Step1：Coordinator监听串口(以中断的方式)，直到串口有数据。

Step2：读取一个字节，判定是否为自定义帧头。若不是，丢弃数据，回到Step1。

Step3：读取两个字节，匹配功能码。匹配失败，置错误标志位，丢弃数据，回到Step1。

Step4：读取一个字节，若该字节数据为0，则直接跳到Step6。

Step5：若读到的数据值为N(0 Step6：读取两个自己数据，对Step1~5读到得数据FCS校验，若无差错，发送N个字节的有效数据给Z-Stack协议栈，由ZStack协议栈发送给子节点。回到Step1。

Step7：若FCS校验错误，置错误标志位，丢弃已读数据，回到Step1。

图2 串口协议解析流程图

3 系统软件设计

3.1 系统软件架构

无线网关软件采用模块化设计，如图3所示，由硬件驱动层、操作系统、网络协议层和应用程序组成。硬件驱动层主要描述网关节点中ZigBee模块、 WiFi模块以及其他外设的一些驱动;操作系统层移植ARM Linux，添加无线网卡驱动模块;网络协议层主要包括ZigBee协议栈和WiFi协议栈;应用程序层主要移植了嵌入式Web服务器(BOA)、嵌入式数据库(Sqlite)、CGIC库和图形化用户界面(Qt)。

图3 系统软件架构图

3.2 系统软件流程

根据系统软件架构图，系统软件数据流详细设计如图4所示。

图4 系统数据流图

以ZigBee终端节点发送至异地终端浏览器的数据为例，介绍数据传送的整个过程。当ZigBee协调器接收到来自ZigBee终端节点的数据后，封装成自定义帧的格式经由串口传送给Linux传输协议，经协议解析，将有效数据写入共享内存。当收到外部Web请求时，Web服务器通过CGI实时获取共享内存中的数据，并动态更新网页，经由WiFi无线网卡以无线的形式传送至终端浏览器。

3.3 测试与验证

利用嵌入式技术对两种协议进行解析，完成协议转换，最终利用手机通过WiFi远程访问Web页面，读取ZigBee终端传感器数据，并对ZigBee终端的小灯开关进行远程控制，实现双模网关的基本功能。实验结果如图5所示。

图5 实验结果图

结语

本文通过分析ZigBee与WiFi协议栈的特点，提出了一种双模无线网关转换的方案，该方案可以很好地完成ZigBee组网、远程数据采集和远程控制等任务。实验结果表明，基于ZigBee和WiFi的双模网关切实可行，可以实现全无线网络的组建，为网络通信从有线向无线过渡提供了一种解决方案。