基于Zigbee的无线传感器网络与IP连接

2012第四次国际会议“计算智能，建模与仿真”基于ZigBee的无线传感网络与IP连接Alaparthi Narmada Parvataneni Sudhakara Rao欧洲经委会JNTU 欧洲经委会技术科学Vignan研究所，技术科学Vignan研究所Deshmukhi，Nalgonda DT，印度安得拉邦。

Deshmukhi，Nalgonda DT，安得拉邦，印度Email: a.narmada@ Email:sparvata@摘要 -无线传感器网络（WSN ）包括在远程位置的分布式传感器节点，用于测量在远程位置的传感器数据。

无线传感器网络中的每个节点都包括一个无线微控制器接口与传感器。

用户面临着独立工作和多样化的电子设备，如电视，掌上电脑，笔记本电脑等。

必须要有中间软件来粘合这些异构设备。

它还集成了无线传感器网络和IP ，以满足现实世界需求并且能够基于IP的无线传感器网络的电子设备来访问相同或不同网络的其他设备。

TCP / IP堆栈不适合被移植到无线传感器网络节点的内存。

它占用更多的内存，并导致更多的开销的无线传感器网络。

实现基于IP的无线传感器网络的技术有两种基本方法：基于网关的方法和虚拟网关的方法。

一种新的基于无线微控制器的新的网络来集成IP和无线传感器网络被提了出来。

硬件采用一个协调员，三台路由器和集成IP和无线传感器网络的一台手持设备。

大会提出了新的寻址机制来建立虚拟IP和无线传感器网络地址作为这个集成的一部分。

关键词：无线传感器网络; PAN; PANM; IPI.引言无线技术（如蓝牙，IEEE 802.11无线局域网和IEEE802.15.4无线传感器网络）的出现奠定了机器之间（M2M）通信的基础。

在这一方面，一个设备能协同工作并服务人类的系统是必需的。

具有多个输入输出单元，提供了一个连贯和环绕接口的虚拟设备具有许多优点，包括安全性[1]。

设备可以共享资源如：处理能力，内存，数据，应用网络接入点和用户借口。

在家的设备将形成一个个人区域网（PAN），其中的设备可能会在网络中动态地出现和消失。

这个需求可以通过使用一个能够在PAN内简历虚拟设备的PAN 中间件（PANM）来实现。

它可以处理设备的动态存在或消失和设备类型的多样化。

本文着重论述在PAN内介于网络层和应用层之间的应用互连。

它隐藏了PAN内参与的各个独立的设备，并提出应用程序在设备上运行的与在单独计算机上一样的能力。

中间件包含一些智能化功能，同时，它有助于用户控制PAN，提高了人机交互（HCI）。

II.Z IGBEE 技术为了实现这一引人注目的理念，并让设备到设备的协作，通信和网络必须建立。

传统的PAN一直被认为实现了蓝牙技术。

使用ZigBee的基于IP的PAN的建立是一个自下而上的网络方式，这是一个明智的一步进程。

在“PAN外围（ZigBee 设备）'必须建立链路层连接到邻近的设备。

当链路已建立连接，该设备可能会继续配置IP网络层并将它的地位提升到“ZigBee PAN主机”。

当IP连接[3]建立后，设备可能会继续配置IP网络层来参与网络运营和管理，其中包括作为'zigbee PAN - 路由器‘的[4]PAN路由协议。

该网络建立过程开始于两个设备发现对方，洽谈，互相配对，并在设备发现和连接建立阶段形成初始PAN网络。

这有两个方面的考虑：1，形成家庭网络和人机界面；2，利用IP连接到外部世界。

IEEE 802.15.4协议被采纳为低速率无线局域网的个人区域网络（LR-WPAN）的一个通信标准[2]。

ZigBee是一种无线网络标准，其目的是遥控和传感器的应用，它适用于在恶劣的无线环境和在隔离的位置。

它建立在标准IEEE802.15.4，其中定义了物理层和MAC层。

Zigbee的还定义了应用程序和安全[1]层规范实现来自不同厂商的产品之间的互操作性。

图1显示了Zigbee协议作为一个超集的IEEE 802.15.4的。

许多Zigbee 的硬件解决方案，采用2.4GHz 频段。

Zigbee 支持网状网络结构，星型拓扑结构或簇树或混合架构。

集群树的拓扑结构基本上是星形和网状的组合。

图2显示网格以及星型网络配置。

在这种应用中使用的设备有，室内/城市30米的最大范围和室外100米的范围，在2.4 GHz 频率为250 Kbps 的数据传输速率运行。

图2 ZigBee 的网络配置尽管许多技术可用于构成家庭网络[7]，但一些无线技术有距离的限制，例如线的视线会由于墙壁，家具等家庭的约束，可能会导致实现无线连接时出现问题。

其中一个有前途的和最新技术是采用Zigbee 协议。

进一步可有两种解决方案整合Zigbee 和IP ：1，使用合适的网桥2，使用虚拟网桥[6]。

III. 设计方案作者提出了一个家庭网络使用无线传感器网络（WSN ）使用Zigbee 和集成其与IP 。

家庭网络本身使用ZigBee 技术组成，可以通过无线微控制器，Zigbee 协议实现。

该系统可设计围绕一个超低功耗，低成本的无线微控制器基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络应用（作者采用Jennic 公司的无线处理器JN5148）。

建立家庭网络的目的是许多种，其中一些是：图1：IEEE 802.15.4的ZigBee 协议的超集1，控制任何电气或电子装置通过一个单一的控制，即使他们不在视线。

2，在家庭网络中通过IP远程访问和控制的任何设备。

3，任何设备与其他设备共享可用资源。

4，使用手持式设备控制分配和访问在家庭网络中的设备中的资源。

网络的框图，如图0.3所示图-3。

设备及其资源共享的家庭网络IV.硬体方面设计的作用域是把PDA（或任何一台电脑的Wi-Fi），台式电脑，电灯，风扇，音响系统，扬声器，门，电视，在ZigBee网状网络和IP连接的中间件之下。

在该网络中，任何装置或它的资源可以是（无线）连接到任何其他装置或其任何资源。

一些可能性如下：i.电视的音频输出可以被连接到一组放置在不同的房间的扬声器。

ii.使用手持设备或者PDA从PDA上打开门。

iii.从网络区域内的任何地方控制任何一个房间的任何灯具，风扇。

为了建立使用网状架构的网络[5]，它需要使用具有足够的内存来存放802.15.4，ZigBee协议栈，中间件和应用层的无线微控制器。

三种类型的应用程序可以被添加一个或多个到各种类型的标准装置,即,1)编解码器2)数字i / O iii)LCD接口。

在IP-Zigbee的桥接可以使用中间件来实现。

Zigbee的编解码器连接到电视接收机的音频系统。

该ZIGBEE-DIGITAL-IR连接到一个中继板，用于控制灯，风扇，门等，另一个CODEC-ZIGBEE连接到扬声器。

V.移植堆栈JENNIC处理器最初，每个JN-5148的要求装入适当的Zigbee stack。

JN5148提供了三种协议的无线网络应用开发的JN5148设备的选择：i.IEEE 802.15.4标准：这是一个行业标准协议，它提供了实现无线网络通信的底层功能。

ii.JenNet：这是一个专有的协议（Jennic公司网络），它建立在IEEE 802.15.4标准上，提供了一个网络堆栈层，简化了无线网络应用的发展。

iii.ZigBee专业：这是建立在IEEE 802.15.4上，通过提供支持网状网网络堆栈层，简化了无线网络应用开发的行业标准协议。

为了配置JN5148协调器,路由器或终端设备所需的堆栈,发展所需的应用程序模板,添加适当的路径,构建项目和使用串行端口下载.bin文件给JN5148无线微控制器。

栈的选择依赖于所提出的网络的大小和复杂性。

一个堆栈层如JenNet，或ZigBee PRO一样可以在应用程序和IEEE802.15.4层之间插入以更加简化和精简的方式来开发应用程序。

VI.寻址寻址是在建设IP和ZigBee之间的沟通的主要问题之一。

IP遵循“点分十进制格式'，而Zigbee遵循16位的动态地址和64位的静态地址。

16位地址可以在网络启动阶段中动态地改变，但一旦网络形成，便固定下来。

每一个无线传感器网络节点应具有该命令被发送到的节点的地址。

单独知道Zigbee地址或IP 地址是不行的，因为WSN节点的功能是混合式的。

一种新的解决方案，提出了将Zigbee翻译为IP地址，反之亦然。

两种方法都被提出来了。

在第一种方法中，“翻译器”是利用一个通用的寻址层通过定义名叫的DEVID 的设备标识符，来用相似的方式识别ZigBee节点和IP节点。

它还发起一个互连的翻译器节点来互连ZigBee网络（WSN）和公共IP网络。

翻译方法为IP节点生成虚拟zigbee的地址，为ZigBee节点生成虚拟的IP地址，并保持使用DEVID 的虚拟zigbee地址，IP地址和虚拟IP地址和ZigBee地址之间的对应关系的一致。

这种方法把IP地址以下面的方式分配给每个无线传感器网络设备。

每个WSN 设备都有独一无二的固定的64位设备地址，在其中大多数32位被丢弃和最不重要的32位被使用。

这些32位的每个字节转换为BCD格式，以获得相应的虚拟IP地址。

它还分配一个固定的十六进制的Zigbee地址给最重要的32位部分。

IP 地址由四个字节组成，它的IP地址的每个字节转换为对应的十六进制值。

最后这个32比特部分追加到最显著32比特，以形成一个64位的虚拟WSN节点地址。

当无线传感器网络设备有一个IP节点进行通信，发送数据到IP节点的虚拟zigbee的地址。

翻译方法可以截取数据转换的格式，并将其转发到实际的IP节点。

同样，当一个IP有数据发送到无线传感器网络设备，它发送数据到ZigBee 节点的虚拟IP地址，以便译者将数据转发到实际的目标ZigBee节点。

该系统的关键组件是有状态的网关，其i）分配ZigBee节点和IP节点与相应的虚拟IP/ ZigBee的地址，II）存储这些对对应地址（ZigBee的地址，IP 地址），三）保持所有正在进行的通信并执行所有必要的格式转换操作。

在第二种方法中翻译器基于每个WSN节点的几何位置分配其一个地址。

IP 地址的最后两位数字（LSB）是缩放几何坐标。

两个MSB位在所有无线传感器网络节点是普遍的。

这就形成了四位点分十进制IP地址。

对于每一个无线传感器网络节点有三种类型的地址。

硬件地址是固定的，动态的和几何的网络地址基于IP地址建立。

当一个IP节点将数据发送到无线传感器网络设备，将其发送到虚拟IP地址，反之亦然。

中间件的地址管理部分/层截取该数据，并将数据发送到的地址和格式转换后对应的无线传感器网络的节点。

该中间件的地址管理层是要被嵌入到所有的WSN节点因为需要每个节点来知道地址的三次匹配来将数据发送到相应的无线传感器网络或IP节点。