基于ZigBee和WiFi的双模网关设计方案

2019年11月9日09:40:20 评论

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。

基于ZigBee和WiFi的双模网关设计方案
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。

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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:

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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。

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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。
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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)。

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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。

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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。

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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。

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