1 系統總體結構

系統由ZigBee模塊、開(kāi)發(fā)板模塊和WiFi模塊組成。ZigBee模塊中，Coordinator作為ZigBee網(wǎng)絡(luò )的中心節點(diǎn)，負責控制和監測ZigBee路由節點(diǎn)，每一個(gè)路由節點(diǎn)攜帶一個(gè)傳感器，負責把傳感器采集的數據發(fā)送給Coordinator。開(kāi)發(fā)板模塊作為協(xié)議轉換的樞紐，用于解析 Coordinator傳輸的數據。WiFi模塊，將開(kāi)發(fā)板解析的數據封裝成WiFi幀。這樣就實(shí)現雙模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的轉換，系統結構如圖1所示。


2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)的設計

2.1 ZigBee數據流分析

ZB253002模塊是基于CC2530F256芯片，執行ZigBee2007/PRO協(xié)議的 ZigBee模塊，它具有ZigBee協(xié)議的全部特點(diǎn)。其主要的特點(diǎn)：

①自動(dòng)組網(wǎng)。所有的模塊通電即自動(dòng)組網(wǎng)，協(xié)調器（Coordinator）自動(dòng)給所有的節點(diǎn)分配地址，不需要用戶(hù)手動(dòng)分配地址，網(wǎng)絡(luò )加入、應答等專(zhuān)業(yè)ZigBee組網(wǎng)流程。

②簡(jiǎn)單數據傳輸。ZB253002模塊可以理解為“無(wú)線(xiàn)的 RS232 連接”，通過(guò)串行端口即可在任意節點(diǎn)間進(jìn)行數據傳輸。ZigBee模塊有兩種數據的傳輸方式：數據透明傳輸，只要傳送的第一個(gè)字節不是0xFE、0xFD 或0xFC，則自動(dòng)進(jìn)入數據透明傳輸方式；點(diǎn)對點(diǎn)的數據傳輸方式，數據傳輸的格式為0xFD（數據傳輸命令）+ 0x0A（數據長(cháng)度）+（目標地址）+（數據）。由協(xié)調節點(diǎn)傳輸給開(kāi)發(fā)板的數據添加以0xFE開(kāi)頭的15字節的節點(diǎn)信息，用來(lái)提供給 TI Sensor Monitor，觀(guān)察網(wǎng)絡(luò )結構。

Zigbee模塊設置命令表如表1所列。

[page]  
2.2 通信協(xié)調器的設計

Coordinator是整個(gè)網(wǎng)關(guān)轉換和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )建立的中心，是數據傳輸的中心樞紐。因此，Coordinator的設計關(guān)系到整個(gè)系統的穩定性和可靠性。Coordinator CC2530采用ZigBee2007協(xié)議棧。ZStack是TI公司提供的一種輪詢(xún)式操作系統，借助于Z-Stack，Coordinator上電后，首先進(jìn)行硬件和網(wǎng)絡(luò )初始化，然后創(chuàng )建3個(gè)任務(wù)：

①ZigBee網(wǎng)絡(luò )任務(wù)，該任務(wù)通過(guò)Coordinator與其子節點(diǎn)的“綁定”完成。其綁定的過(guò)程，協(xié)調器建立網(wǎng)絡(luò )，創(chuàng )建綁定表，并設定允許綁定模式，子節點(diǎn)發(fā)送綁定請求，Coordinator更新綁定表并響應子節點(diǎn)。

②串口協(xié)議解析任務(wù)，該任務(wù)用于解析來(lái)自開(kāi)發(fā)板和子節點(diǎn)的數據，并將解析后的數據傳輸給子節點(diǎn)任務(wù)或發(fā)送給開(kāi)發(fā)板。

③子節點(diǎn)任務(wù)，該任務(wù)主要用于接收子節點(diǎn)返回的數據，并將數據傳輸給串口協(xié)議解析任務(wù)。這樣ZigBee協(xié)議幀的解析就轉到開(kāi)發(fā)板端，由Linux操作系統完成，Linux解析完成后，將有效的數據放入指定的共享內存。當 BOA收到外部Web請求，調用相應的CGI獲取共享內存中的數據，并經(jīng)由無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡以WiFi的形式傳送給用戶(hù)。

2.3 傳輸協(xié)議的實(shí)現

本設計經(jīng)由Linux操作系統完成ZigBee協(xié)議的解析和WiFi協(xié)議幀的形成，主要的重點(diǎn)在于Coordinator與Linux串口傳輸協(xié)議的設計。串口傳輸協(xié)議自定義幀格式如下：


自定義幀的格式由幀頭、功能號、有效數據長(cháng)度、有效數據和FCS校驗5部分組成。幀頭定義為0x02；功能號因獲取的數據類(lèi)型不同而異，有關(guān)幀格式功能碼定義如表2所列；有效數據長(cháng)度用于標識讀取有效數據的長(cháng)度范圍，最大值為255；有效數據存放ZigBee協(xié)議幀；FCS校驗用于數據段的校驗。


根據設計中的自定義幀格式，報文中的有效數據被封裝成固定格式，通過(guò)串口進(jìn)行傳送。開(kāi)發(fā)板和Coordinator通過(guò)監聽(tīng)串口數據分別對收到得數據包進(jìn)行解析。解析流程（以Coordinator為例）如圖2所示，具體解析過(guò)程如下。

Step1：Coordinator監聽(tīng)串口（以中斷的方式），直到串口有數據。

Step2：讀取一個(gè)字節，判定是否為自定義幀頭。若不是，丟棄數據，回到Step1。

Step3：讀取兩個(gè)字節，匹配功能碼。匹配失敗，置錯誤標志位，丟棄數據，回到Step1。

Step4：讀取一個(gè)字節，若該字節數據為0，則直接跳到Step6。

Step5：若讀到的數據值為N（0 Step6：讀取兩個(gè)自己數據，對Step1~5讀到得數據FCS校驗，若無(wú)差錯，發(fā)送N個(gè)字節的有效數據給Z-Stack協(xié)議棧，由ZStack協(xié)議棧發(fā)送給子節點(diǎn)?；氐絊tep1。

Step7：若FCS校驗錯誤，置錯誤標志位，丟棄已讀數據，回到Step1。

[page]
3 系統軟件設計

3.1 系統軟件架構

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟件采用模塊化設計，如圖3所示，由硬件驅動(dòng)層、操作系統、網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層和應用程序組成。硬件驅動(dòng)層主要描述網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)中ZigBee模塊、 WiFi模塊以及其他外設的一些驅動(dòng)；操作系統層移植ARM Linux，添加無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)模塊；網(wǎng)絡(luò )協(xié)議層主要包括ZigBee協(xié)議棧和WiFi協(xié)議棧；應用程序層主要移植了嵌入式Web服務(wù)器（BOA）、嵌入式數據庫（Sqlite）、CGIC庫和圖形化用戶(hù)界面（Qt）。


3.2 系統軟件流程

根據系統軟件架構圖，系統軟件數據流詳細設計如圖4所示。

以ZigBee終端節點(diǎn)發(fā)送至異地終端瀏覽器的數據為例，介紹數據傳送的整個(gè)過(guò)程。當ZigBee協(xié)調器接收到來(lái)自ZigBee終端節點(diǎn)的數據后，封裝成自定義幀的格式經(jīng)由串口傳送給Linux傳輸協(xié)議，經(jīng)協(xié)議解析，將有效數據寫(xiě)入共享內存。當收到外部Web請求時(shí)，Web服務(wù)器通過(guò)CGI實(shí)時(shí)獲取共享內存中的數據，并動(dòng)態(tài)更新網(wǎng)頁(yè)，經(jīng)由WiFi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡以無(wú)線(xiàn)的形式傳送至終端瀏覽器。

3.3 測試與驗證

利用嵌入式技術(shù)對兩種協(xié)議進(jìn)行解析，完成協(xié)議轉換，最終利用手機通過(guò)WiFi遠程訪(fǎng)問(wèn)Web頁(yè)面，讀取ZigBee終端傳感器數據，并對ZigBee終端的小燈開(kāi)關(guān)進(jìn)行遠程控制，實(shí)現雙模網(wǎng)關(guān)的基本功能。實(shí)驗結果如圖5所示。


結語(yǔ)

本文通過(guò)分析ZigBee與WiFi協(xié)議棧的特點(diǎn)，提出了一種雙模無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)轉換的方案，該方案可以很好地完成ZigBee組網(wǎng)、遠程數據采集和遠程控制等任務(wù)。實(shí)驗結果表明，基于ZigBee和WiFi的雙模網(wǎng)關(guān)切實(shí)可行，可以實(shí)現全無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組建，為網(wǎng)絡(luò )通信從有線(xiàn)向無(wú)線(xiàn)過(guò)渡提供了一種解決方案。

相關(guān)閱讀：

技術(shù)快訊：未來(lái)家電的充電將會(huì )向“WiFi”看齊
深度解析ZigBee無(wú)線(xiàn)終端溫度測試系統電路
論智能家庭的物聯(lián)網(wǎng)連接—ZigBee技術(shù)