摘要 為實現(xiàn)無線網(wǎng)絡與外部有線控制網(wǎng)絡的互聯(lián)，開發(fā)了一種用于接入工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關。通過對無線網(wǎng)關應用需求進行分析，設計了基于ZigBee無線通信技術的網(wǎng)關通信模型，重點研究了無線網(wǎng)關實現(xiàn)中的相關關鍵技術，如網(wǎng)絡管理、系統(tǒng)管理以及協(xié)議轉換等。最后，介紹了測試ZigBee無線網(wǎng)關的方法并給出了相應測試界面。測試結果表明，ZigBee無線網(wǎng)關能較好地實現(xiàn)模型設計中提出的各項功能，為工業(yè)無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡的互操作性提供了一種有效解決途徑。
關鍵詞 ZigBee無線通信 工業(yè)無線網(wǎng)關 無線測控系統(tǒng) 網(wǎng)絡管理 協(xié)議轉換

引 言
    基于對監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、數(shù)據(jù)接口的開放性以及數(shù)據(jù)鏈接的安全性的要求，國內外許多公司和研究機構開始研究并組建工業(yè)無線測控系統(tǒng)。ZigBee短程無線網(wǎng)通信技術以其數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設備成本低、電池壽命長等優(yōu)勢，成為近年來業(yè)界的研究熱點之一。美國儀表系統(tǒng)和自動化學會已成立工業(yè)無線標準委員會(ISA1OO)。該委員會專門致力于工業(yè)無線技術的標準化進程，預計2008年底出臺正式標準。ISA100標準的制定目的是讓工業(yè)無線設備以低復雜度、合理的成本和低功耗、適當?shù)臄?shù)據(jù)通信速率去支持工業(yè)現(xiàn)場應用。標準主要內容包括工業(yè)無線的網(wǎng)絡構架、共存性、健壯性、與有線現(xiàn)場網(wǎng)絡的互操作性等。本設計項目為一種工業(yè)無線網(wǎng)關，主要用于解決工業(yè)無線網(wǎng)絡與有線網(wǎng)絡的互操作性問題。

1 ZigBee無線通信技術簡介
    ZigBee技術是一個具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，該標準把低功耗、低速率傳輸、低成本、低復雜度作為重要目標。其物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)協(xié)議基于IEEE802．15．4協(xié)議標準，網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APS)由ZigBee聯(lián)盟來制定。ZigBee技術定義其工作在*基金項目：國家863計劃項目，基于802．15．4的智能儀表(編號2006AA040302-2)。2．4 GHz的ISM頻段上，傳輸速率為20 kb／s～250 kb／s?；赯igBee技術的通信設備有幾十米的覆蓋范圍，也可以增加路由節(jié)點擴展覆蓋范圍，因此比較適用于工業(yè)控制，遠程控制等相關領域。ZigBee通信設備可自由靈活地加入和離開網(wǎng)絡，自身的低功耗和低成本延長了設備的工作時間，降低了系統(tǒng)整體成本。

2 工業(yè)無線網(wǎng)關模型設計
2．1 需求分析
    目前工業(yè)中使用的無線網(wǎng)關主要采用802．11b、GPRS、藍牙等通信技術，成本高、功耗高、移動性差以及安全性差等限制了這類傳統(tǒng)網(wǎng)關的應用，采用ZigBee無線通信技術可以較大程度上改進這些性能。ZigBee無線網(wǎng)關因其技術優(yōu)勢在工業(yè)應用中可逐漸取代傳統(tǒng)網(wǎng)關，目前已開始在小范圍搭建工業(yè)測控系統(tǒng)進行測試應用。在功能上，傳統(tǒng)網(wǎng)關主要完成協(xié)議轉換及部分系統(tǒng)管理功能，而ZigBee無線網(wǎng)關作為無線網(wǎng)絡接入有線網(wǎng)絡的接入部件，除了具備傳統(tǒng)網(wǎng)關的功能外，還應具備一些特有的功能：具備對無線網(wǎng)絡的管理功能，包括無線網(wǎng)絡形成、無線設備加入和斷開等管理功能；在協(xié)議轉換方面，必須同時開發(fā)無線、有線協(xié)議，數(shù)據(jù)包在無線和有線間轉換；為實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡的監(jiān)測和控制，在無線和有線協(xié)議開發(fā)中必須考慮為上層提供相應服務及服務接口。
2．2 通信模型設計
    基于以上分析，針對工業(yè)應用設計了一種用于接人工業(yè)以太網(wǎng)的無線網(wǎng)關。無線網(wǎng)關的通信模型如圖1所示。

    通信模型主要包括以下3個方面：
    ①無線通信機制?，F(xiàn)場設備與無線網(wǎng)關之間數(shù)據(jù)通信采用了ZigBee無線通信技術。ZigBee無線通信技術采用CSMA—CA接入方式，有效避免了無線電載波之間的沖突，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。其MAC層和PHY層由IEEE802．15．4工作小組制定，NwK和APS則由ZigBee聯(lián)盟來制定，其他部分——ZDO(ZigBee設備對象)和ZAO(ZigBee應用對象)，由用戶根據(jù)不同應用來完成。
    ②以太網(wǎng)協(xié)議轉換。無線網(wǎng)關的接入功能主要體現(xiàn)在協(xié)議轉換，即將ZigBee無線通信協(xié)議轉換為以太網(wǎng)有線協(xié)議，通過以太網(wǎng)接入控制網(wǎng)絡。IEEE802．3 PHY和IEEE802．3 MAC為標準的以太網(wǎng)物理層和介質訪問層，IEEE802．2 LLC提供以太網(wǎng)幀與IP層接口，傳輸層為標準TCP．／UDP協(xié)議。
    ③上層服務接口(high layer service interface)。針對工業(yè)應用，無線網(wǎng)關要求提供上層服務及接口，使用戶可以通過無線網(wǎng)關對現(xiàn)場設備進行組態(tài)、調校。上層服務接口位于ZigBee APS層與TCP／IP層之間，為系統(tǒng)實現(xiàn)各種服務提供通用接口。

3 工業(yè)無線網(wǎng)關關鍵技術研究
3．1 網(wǎng)絡管理功能
    (1)網(wǎng)絡形成
    無線網(wǎng)關上電后，無線協(xié)議棧各層首先進行初始化，然后通過網(wǎng)絡請求原語來啟動一個新的網(wǎng)絡，僅當具有協(xié)調器能力且當前還沒有與網(wǎng)絡連接的網(wǎng)關設備才可以建立一個新的網(wǎng)絡。圖2所示為網(wǎng)絡形成流程。組網(wǎng)開始時，網(wǎng)絡層首先向MAC層請求分配協(xié)議所規(guī)定的信道，或者由PHY層進行有效信道掃描，網(wǎng)絡層管理實體等待信道掃描結果，然后根據(jù)掃描結果選擇可允許能量水平的信道。找到合適的信道后，為這個新的網(wǎng)絡選擇一個個域網(wǎng)標識符(PANID)。PANID可由網(wǎng)絡形成請求時指定，也可以隨機選擇一個PANID(除廣播PANID固定為0xFFFF外)，PANID在所選信道中應該是唯一的。PANID一旦選定，無線網(wǎng)關將選擇16位網(wǎng)絡地址0x0000作為自身短地址，同時進行相關設置。完成設置后，通過MAC層發(fā)出網(wǎng)絡啟動請求，返回網(wǎng)絡形成狀態(tài)。
    (2)網(wǎng)絡維護網(wǎng)絡維護主要包括設備加入網(wǎng)絡和離開網(wǎng)絡過程。當網(wǎng)絡形成后，通過網(wǎng)絡管理實體設定MAC層連接許可標志來判斷是否允許其他設備加設備初始化為協(xié)調器入網(wǎng)絡。加入方式有聯(lián)合方式和直接方式，在協(xié)議實現(xiàn)中采取直接加入網(wǎng)絡方式。這種方式下由待加入的設備發(fā)送請求加入信標幀，網(wǎng)關接收到后，網(wǎng)絡管理實體首先判斷這個設備是否已存在于網(wǎng)絡。存在，則使其加入網(wǎng)絡；若不存在，則向設備發(fā)送信標幀，為這個設備分配一個網(wǎng)絡中唯一的16位的短地址。這里的信標幀是由網(wǎng)關無線協(xié)議MAC層生成作為PHY層載荷，它包含PANID、加入時隙分配等信息。網(wǎng)內設備也可以請求斷開網(wǎng)絡。當網(wǎng)關收到設備斷開連接請求后，MAC層向網(wǎng)絡層發(fā)送報告，開始執(zhí)行斷開流程，從設備列表中刪除該設備相關信息。

3．2 系統(tǒng)管理
    (1)地址映射
    在無線傳輸中，網(wǎng)關主要根據(jù)地址信息來進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和轉發(fā)。ZigBee通信協(xié)議中規(guī)定了兩種地址：64位的IEEE長地址和16位的短地址(SADDR)。IEEE長地址作為全局地址，可在大范圍內調用；短地址作為個域網(wǎng)地址，僅限于小范圍局域網(wǎng)內通信使用。為了方便設備間的信息傳送，在協(xié)議轉換過程中進行了地址映射。通過建立地址表存儲現(xiàn)場設備的短地址(網(wǎng)關通信短地址固定為0000H)，表中每個短地址對應一個設備對象標識符(Ob-jectID)，控制網(wǎng)絡協(xié)議根據(jù)ObjectID來對不同設備進行操作。如需實現(xiàn)組播功能，只須定義一組ObjectID作為網(wǎng)關目的地址，地址映射示例如表1所列。

    128．128．2．202為網(wǎng)關在工業(yè)以太網(wǎng)內分配的IP地址，用于有線網(wǎng)絡設備信息交換；0x000000220001、0x000000220002等為無線網(wǎng)絡IEEE64位長地址，0x1347為16位的個域網(wǎng)標識符(PANI)ID)，0xl699、0x169A為16位設備短地址(SADDR)。無線設備間通信可采用兩種方式：長地址或PANID+SADDR。兩種方式均對應于一個ObjeetID，地址映射減少了通信傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)，從而提高了通信效率。
    (2) 進程通信機制
    為了提高系統(tǒng)的實時性，進程間通信采用消息觸發(fā)的方式，在有線協(xié)議(以太網(wǎng))的開發(fā)中移植了嵌入式實時操作系統(tǒng)μc／OS-II。進程間通信主要通過調用μC／0S—II的消息函數(shù)——消息請求0SQrequest()和消息觸發(fā)OSQpost()來實現(xiàn)。在協(xié)議開發(fā)中，根據(jù)不同協(xié)議堆棧中不同層完成的功能進行進程任務劃分，根據(jù)任務優(yōu)先級來確定任務調用次序，未被觸發(fā)的任務始終處于消息請求狀態(tài)。如果同一時刻兩個任務被觸發(fā)，則根據(jù)優(yōu)先級觸發(fā)優(yōu)先級高的任務，而優(yōu)先級低的任務處于等待狀態(tài)。
3．3 無線／以太網(wǎng)協(xié)議轉換
    ZigBee無線網(wǎng)關協(xié)議轉換主要是實現(xiàn)ZigBee數(shù)據(jù)報文與以太網(wǎng)報文雙向轉換。圖3所示為兩種協(xié)議報文格式轉換圖。圖中給出了協(xié)議開發(fā)中定義每一層的字節(jié)數(shù)，其中PAYLOAD字節(jié)數(shù)可變，最大不超過127 B。當無線網(wǎng)關射頻部分(PHY層)接收到數(shù)據(jù)報文，根據(jù)ZigBee通信協(xié)議從PHY到APS解出其中有效載荷，然后將有效載荷加載TCP(UDP)／IP(42 B)的報文格式，交由滿足IEEE802．3以太網(wǎng)通信協(xié)議的網(wǎng)卡處理，從而實現(xiàn)將無線接收到的信息傳輸?shù)酵獠靠刂凭W(wǎng)絡中。

3．4 服務定義及實現(xiàn)
    為實現(xiàn)有線網(wǎng)絡與無線網(wǎng)絡的信息交互及控制功能，無線網(wǎng)關須完成相應的服務功能。無線網(wǎng)關提供的基本服務主要有：讀／寫服務、信息分發(fā)服務、設備上線服務。服務功能在網(wǎng)絡連接成功后開始實現(xiàn)，不同服務對應不同的服務號。讀寫服務主要是針對設備參數(shù)的讀取和設置；信息分發(fā)服務是將無線通信設備采集到的數(shù)據(jù)周期性地分發(fā)到網(wǎng)關，網(wǎng)關再轉發(fā)到控制網(wǎng)絡；設備上線服務是標示設備當前狀態(tài)，即上線、掉線，該服務的服務類型為周期性，其他服務必須在此服務之后才能執(zhí)行。各種服務雖然完成不同的功能，但都通過同一服務接口，因此在實現(xiàn)中設計了一套相同的服務報文格式：

    服務報文主要包含以下幾個關鍵部分：短地址、服務號、參數(shù)索引。CRC為安全校驗，LQI為鏈接質量，PHYheader、MAC header、NwK header和APS header分別為物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡層和應用層頭字節(jié)，字節(jié)數(shù)與圖3中的規(guī)定相同。

4 功能測試
    無線網(wǎng)關硬件設計采用雙CPU模式，即AT91R40008+CC2430模式。AT91R40008是一款基于ARM7內核的處理器，在網(wǎng)關開發(fā)中用于承載以太網(wǎng)協(xié)議；CC2430是一款基于IEEE802．15．4協(xié)議的無線通信芯片，它包括1個2．4 GHz的射頻收發(fā)器和1顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，用于承載無線通信協(xié)議。這種解決方案能夠提高系統(tǒng)性能并滿足以ZigBee為基礎的2．4GHz的ISM波段應用需求。
4．1 測試方法
    對無線網(wǎng)關的測試主要采用兩款工具軟件——TI公司的Packet Sniffer forCC2430和免費開源的Ethereal，主要測試無線網(wǎng)關數(shù)據(jù)的收發(fā)功能、協(xié)議轉換正確性以及無線網(wǎng)絡管理功能等。Packet Sniffel for CC2430為無線通信協(xié)議分析軟件，配合C51RF一3無線網(wǎng)絡協(xié)議分析儀可以捕獲空中ZigBee無線數(shù)據(jù)報文；Ethereal為專用于通過網(wǎng)口捕獲以太網(wǎng)報文的以太網(wǎng)協(xié)議分析軟件。測試時，可通過兩款協(xié)議分析軟件分別捕獲無線和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文，對這兩種報文進行分析比較，從而完成對無線網(wǎng)關相關功能的驗證；同時也可通過無線網(wǎng)關建立無線測控系統(tǒng)，通過專用無線組態(tài)軟件對系統(tǒng)進行相關功能測試，從而驗證無線網(wǎng)關功能。
4．2 測試界面及分析
    (1)數(shù)據(jù)收發(fā)及協(xié)議轉換功能驗證
    圖4所示為Packet Sniffer for CC2430捕獲空中的無線數(shù)據(jù)報文。無線數(shù)據(jù)報文包括接收時問(Time)、幀長度(Length)、幀控制域(Frame controlfield)、序列號(Sequence number)、個域網(wǎng)標識符(PANID)、目的地／源地址(Dest／Source Address)等信息。畫線部分(16 99 1401 00 04 01 OO 01 09 08 02 00)為無線報文中的實時數(shù)據(jù)。此數(shù)據(jù)為無線設備發(fā)送出的無線報文有效載荷，由無線網(wǎng)關CC2430射頻部分接收。

    圖5為上位機通過Ethereal協(xié)議分析軟件抓包獲取的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文，包括以太網(wǎng)頭幀、IP報文頭字段以及UDP頭字段等。畫線部分(16 99 14 01 00 04 01 00 01 0908 02 00)為TCP／IP協(xié)議數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域載荷與圖5中無線數(shù)據(jù)載荷相同，從而驗證了網(wǎng)關數(shù)據(jù)收發(fā)功能以及協(xié)議轉換的正確性。

    (2)網(wǎng)絡管理功能驗證
    通過無線網(wǎng)搭建無線測控系統(tǒng)驗證無線網(wǎng)關的無線網(wǎng)絡管理功能。圖6所示為無線組態(tài)軟件監(jiān)測無線測控系統(tǒng)示意圖。圖中無線測控系統(tǒng)為實驗環(huán)境中組建的一樹型拓撲結構，由無線網(wǎng)關、路由設備、現(xiàn)場設備組成，無線網(wǎng)關負責完成無線網(wǎng)絡的形成、維護以及地址分配等功圖6 通過無線網(wǎng)關組建無線測控系統(tǒng)組態(tài)示意圖能。實驗環(huán)境中經過長時間運行，無線測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，無線網(wǎng)絡通信正常，從而可以驗證無線網(wǎng)關的網(wǎng)絡管理功能的完備性。

結 語
    隨著無線通信技術逐漸進入工業(yè)領域，無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡中應用逐漸增加，而目前工業(yè)通信網(wǎng)絡通信協(xié)議繁多，多種通信標準并存，因此不同傳輸介質、不同速率、不同通信協(xié)議的網(wǎng)絡之間互聯(lián)問題也逐漸成為人們關注的重點。本文介紹了一種采用ZigBee無線通信技術的工業(yè)無線網(wǎng)關，無線網(wǎng)關在實現(xiàn)工業(yè)無線測控系統(tǒng)與工業(yè)以太網(wǎng)互聯(lián)的同時也可以完成對無線網(wǎng)絡的管理。工業(yè)無線網(wǎng)關的實現(xiàn)優(yōu)化了整個工業(yè)通信網(wǎng)絡，為工業(yè)控制領域從有線向無線延伸提供了一種有效的解決途徑。