物联网ZigBee网关的设计与实现方法

物联网ZigBee网关的设计与实现方法

作者：牛作领

来源：《电子技术与软件工程》2016年第24期

随着传感器、无线通信等技术的迅速的不断发展，物联网在仓库物理、智能电网等领域都得到了广泛的应用。作为计算机网络及移动通讯设备之后的又一次信息革新，如何设计与实现物联网ZigBee网关成为我们研究的热点。因为物联网中的BigZee网关的协议与广泛的TCP/IP 协议并不一致，这就为实现两种不同的网络的融合带来了难题。本文就主要对此进行深入的探讨。本文主要从网关的内部构造及ZigBee在以太网中与其他模块之间的交互作用角度出发，探索如何实现异构网络的融合，以达到数据顺利传输和有效处理。

【关键词】物联网 ZigBee 网关设计与实现

1 引言

物联网的概念是在2005年的国际电信联盟上提出的。在信息化的时代，物联网的提出的应用，加强了人与人之间甚至人与物之间的通道，为人们的生活带来了便利，使人们的生活更加智能化、简单化。物联网的发展伴随这无线传感器技术的不断成熟，无线传感器结构简单、成本低廉、工作时间长等优点为物联网的发展带来了极大地发展空间。但是由于物联网中广泛采用的BigZee网关的网络结构与TCP/IP的网络结构不同，如何使两种异构网络结构的网关进行有效地融合成为我们要探讨的关键技术。本文主要从网管的需求分析、软件各模块之间的设计与实现等两大部分进行论述，以求解救此问题。

2 网关的需求分析

物联网的网络结构设计一般分为感知层、传输层、和应用层三层。感知层的主要作用是收集信息并进行数据的传输。在感知层中，通过传感器、REID、摄像头等技术对农场、交通等的数据信息进行收集并通过无线网络将数据传输出去。在传输层中，运用现代的宽带技术对感知层收集的数据进行收集，一方面扩展了感知层的传输距离，另一方面加强了感知层和传输层之间的联系。而应用层主要负责的传输层输送的数据的处理、加工，应用层的技术数据处理的结果也是物联网的最终目的。物联网的BigZee网关位于传输层中，其连接传感器和传统通信网络的作用。网关的主要功能有协议转换、数据收发、传感网络管理等。

2.1 协议转换功能

在网络设计与数据传输过程中，网关最基本的功能就是使数据在不同的协议之间进行转换。当收到物联网的ZigBee网关发送的数据之后，网关根据ZigBee协议进行去除PHY层、

包头等之后再对数据进行封装，然后传送给下一个网络节点。因此，在大的网络中，应有ZigBee和TCP/IP两种协议，才能使数据在以太网中顺利传输。

2.2 数据收发功能

网关作为沟通传感器和通信网络之间的桥梁，能够起到数据中专的作用。ZigBee的数据在节点内容进行处理之后通过传输层传递给网关，网关在进行数据封装之后通过以太网传输给IP主机。同时，IP主机的数据信息也可以通过网络中转传递给物联网的ZigBee节点。网关中转站的功能完美实现了数据在哥节点之间的传递。

2.3 传感器网络管理功能

ZigBee的一个很重要的功能是实现ZigBee网络的管理，处理网络的建立、网络的申请等事项，在数据传输过程中，分配网络地址、完善网络的拓扑结构等，同时在节点完成数据传输时及时对节点进行回收。

3 网关的总体设计与软件各模块之间的的设计与实现

3.1 网关的总体设计

网关的总体设计主要包括网关的硬件设计和软件设计两大部分。网关总体设计与实现对后续各个软件之间的设计及数据的处理传递至关重要。

3.1.1 硬件设计

网关的硬件设计大致都是CPU 结构，CPU结构中主要包括ZigBee和CC2530两个模块。两个模块分别采用了ZigBee开发套件和龙芯1B开发板。在两个模块进行连接时，主要通过套件和开发板进行连接，从而共同完成网关的功能。

3.1.2 软件设计

软件的设计主要采用嵌入式Linux操作系统和Stack协议栈，根据各个软件模块的需求分析确定网关的各个功能模块，软件设计的主要目的是完成网关软件结构、网关与IP网络主机及ZigBee网关节点之间的有效连接。

在软件设计中，我们着重讨论Linux的设计与实现。从自身性能来考虑，Linux操作系统的内存较小，并且内核可以进行裁剪，相对于其他操作系统更能符合服务器的需求。而且，Linux操作系统的源码是开发的，并进行模块化设计，能更好地在后期进行完善。再者，Linux 操作系统本身支持TCP/IP的协议网关，能够实现较为复杂的功能。最后，Linux操作系统和Zstack提供串口驱动，可以实现串口的读写工作，方便后期的开发。

3.2 ZigBee内容通信模块设计

ZigBee网络内部主要由终端节点、路由器、协调器三个节点完成。ZigBee网络的主要功能有：网络建立与入网申请。数据收发、包装盒接受ZigBee网络上传的数据。ZigBee内部通信模块的有效设计对各个模块之间的有效运行和数据的传递、封装都提供了有效的条件。同时，也应该注意到，ZigBee内部通信模块的设计涉及到很多的理论知识，在设计时将这些理论知识相融合使用。

3.3 网关主控模块设计

网络主控模块的主要功能是完成与ZigBee和IP主机之间的通信。网关主控与ZigBee取得通信，接受ZigBee的数据信息并对ZigBee传递命令。同时网关主控模块与IP主机之间获得通信，获取命令或取得数据信想。同时，其他模块与网关主控模块进行交互时则主要是通过Linux操作系统对串口的操作。其在交互中运用的命令会根据不同的需求来进行定义。

4 总结

物联网ZigBee网管的设计与实现对物联网以后的发展及对人们生活的影响都有深刻的影响。在网关的设计与实现中，ZigBee网关与IP网络的融合成为关键技术。为了更好地实现ZigBee网关的连接，也要更多的从网管的需求、内部结构以及同其他模块的相互连接的角度考虑，只有这样，才能从实际需求出发，更好地促进发展，同时带动物联网的发展成熟。

参考文献

[1]张艺粟，李鸿彬，贾军营.物联网ZigBee网关的设计与实现[J].计算机系统应用，2013.

[2]赵慧然，石磊，张坤.基于ZigBee技术的物联网网关设计[J].微计算机信息，2012.

作者单位

牛作领（1980-），男，陕西省咸阳市人。现为西安交通工程学院讲师，目前主要从事计算机与通信信号教学与研究。

作者单位

西安交通工程学院陕西省西安市 710065