嵌入式 ZigBee – Wi-Fi 无线网关的设计与实现
针对目前WSN/ZigBee设备与标准设备（手机、电脑）无法直接通信的问题，本网关系统实现了WSN/ZigBee设备与标准设备的全无线无缝通信。该设计采用LM3S9B96 + CC2520 + Wi-Fi模块，以Z –Stack协议栈为基础，实现了WSN的组网、协议转换、流量控制等通信功能。经过功能和性能测试，证明系统达到了设计目标，并具有实用意义。
Thissystem is a ZigBee-to-Wi-Fi wireless gateway that implements a WSN/ZigBeeseamless, wireless connectivity to WLAN. It will help ZigBee devicescommunicate with standard equipments via wireless medium, vice versa. Hardwaresystem is composed of LM3S9B96, CC2520 and Wi-Fi module. Z-Stack is TI’s ZigBeesolution that manages network formation, protocol conversion, flow control, etc.It runs in LM3S9B96, and uses CC2520 as the transceiver. Both CC2520 and Wi-Fimodule are controlled by LM3S9B96. Functional testing and performance testingprove that this system has a practical value. It can work in many scenarios,such as home automation.
1. 引言无线传感网（Wireless Sensor Networks，WSNs）综合了传感器技术、嵌入式电脑技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各种集成化的微型传感器节点协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到汇聚节点，最终到达用户终端。当然，及时获取感知区域内的信息并进行处理、转发等操作是无线传感网络应用中的关键问题之一。一般情况下，汇聚节点接收传感器节点发送过来的数据，通过有线方式（串口232、485或者USB电缆）与PC相连，由PC完成数据的读取、转换、显示、转发等工作。但是这种工作方式在实际应用时容易受到工作环境的限制。例如在恶劣或者战场环境中，感知区域难以接近时，将汇聚节点与PC相结合作为外部网络接入设备具有较大难度。这就带来一个重要的问题，即如何通过无线方式将ZigBee网络中的数据传输到标准设备中。目前标准设备中没有802.15.4接口成为WSN应用的主要瓶颈。如何使WSN网络设备和标准设备，特别是移动设备进行无线通信成为了一个重要的课题。一个行之有效的解决方法就是设计一个体积小、功耗和成本较低且可以灵活部署的无线传感网网关节点，由网关节点处理所获得的信息并进行转发工作。另外，在网关节点中引入无线数据传输方式（比如GPRS、CDMA和Wi-Fi），来降低开发成本和周期，很容易地实现远程数据传输与控制，从而实现ZigBee设备到标准设备的无缝无线通信。Wi-Fi是目前最成功的无线局域网（WLAN）系统，它基于IEEE802.11技术标准，通过近几年的快速发展，基础架构设施已经比较完善，无线接入热点（AP）覆盖已经很广，价格也很便宜。它是一种可以将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。通常，WLAN的带宽和传输延迟比许多其他类型的用户互联网连接（如ADSL、GPRS和3G）要好得多，因为WLAN既提供访问互联网服务，也提供本地通信服务。Wi-Fi在许多场合访问速度更多是受到共享连接和用户人数的限制，而非技术本身。Wi-Fi的突出优势是传输带宽、技术成熟度、开放的网络协议，以及基础接入产品、设施的完备和广泛覆盖。目前Wi-Fi已成为标准设备的必备功能。本系统实现了一个ZigBee到Wi-Fi的网关，使得ZigBee网络节点收集的数据能够通过Wi-Fi网络传递给笔记本电脑、手机等标准设备，反之，标准设备也可以发送命令给ZigBee设备，使其实现控制、采集等功能。2. 系统方案 在整个网关设计中，它要负责两方面的工作。一方面在ZigBee网络中，终端传感器节点和路由传感器节点负责数据的采集、处理。网关节点把从传感器节点那收到的数据经过提取，并按照一定的格式打包发送给自身的Wi-Fi模块。另一方面，网关节点的Wi-Fi模块通过无线方式把检测数据发送给PC端的监控软件。本文设计的无线网关可以极大地改善无线传感网络的远程数据传输问题，使管理人员能够及时准确地在远程终端上获取无线传感网络的数据信息，并对这些数据进行分析、处理等操作。无线网关在无线传感网中的位置如下图1所示。
图1 本设计的应用系统框架网关系统的数据流向如下图2所示。
图2 系统数据流向其中ZigBee Sensor可以使用多种平台实现，如LM3S9B96+CC2520、MSP430+CC2520或CC2530。3. 系统硬件设计无线网关设计在硬件上主要包含三个模块：LM3S9B96、CC2520及EMW-380 Wi-Fi模块。系统框图如下图3。
图3 硬件系统框图LM3S9B96微控制器具有ARM Cortex-M3处理器核，80MHz主频，100DMIPS性能；片上256KB单周期Flash，96KB单周期SRAM，片上ROMStellarisWare 软件；8/16/32位独立外设并行总线，支持SDRAM、SRAM/Flash、FPGA、CPLD；另外还具有非常丰富的外设资源。LM3S9B96微处理器的目标应用有工业远程监控、测试测量仪器、网络装置、医疗器械、能源运输等等。CC2520是TI的第二代ZigBee® / IEEE 802.15.4 RF收发器，它运行在2.4 GHz ISM频带。它可应用于工业级产品中。CC2520提供了硬件上的帧处理，数据缓冲，突发传输，数据加密，数据认证，空闲信道评估，链路质量指示和帧定时信息。这些功能可减少主机控制器的负担。EMW-380 Wi-Fi模块实现了系统的WLAN功能的。EMW-380 Wi-Fi模块是一个软硬件高度封装的嵌入式Wi-Fi（802.11b/g）应用模块。硬件模块由ARM处理器和Wi-Fi射频芯片组成，软件集成了Wi-Fi、TCP/IP、UDP、DHCP等网络协议。模块提供一个UART/SPI串行接口与主MCU相连，并由一个简单的API命令集来实现网络控制和基于802.3帧格式的链路层数据服务。该模块主要负责将从LM3S9B96发送过来的数据封装成TCP数据包发送到WLAN，同时还可以将从WLAN发送过来的命令传送给LM3S9B96。实物连接图请见附录。4. 系统软件设计Z-Stack是TI的ZigBee兼容协议栈，它兼容ZigBee2007 (ZigBee和ZigBee PRO)规范，支持Smart Energy和Home Automation公共应用模板，具有良好的稳定性和扩展性。它支持多种硬件平台，这里我们选用LM3S9B96+CC2520。ZigBee是一个低功耗、低成本、无线mesh网标准。低成本使得这项技术可以广泛部署于无线监控应用中。低功耗使得电池供电的设备具有更长的寿命。Mesh网络提供高可靠性和可扩展范围。ZigBee操作于工业、科技、医疗(ISM)频带：欧洲为868 MHz，美国和澳大利亚为915 MHz，全球范围可用2.4 GHz。数据传输率为20到250Kb/s。ZigBee网络层本地支持星型和树型传统网络，和通用的mesh网络。每个网络必须有一个协调器，用来形成网络，控制其参数，进行基本维护。在星型网络中，协调器必须作为中心节点。树型和mesh网络允许使用ZigBee路由器扩展通信范围。
具体附件如下：
Thissystem is a ZigBee-to-Wi-Fi wireless gateway that implements a WSN/ZigBeeseamless, wireless connectivity to WLAN. It will help ZigBee devicescommunicate with standard equipments via wireless medium, vice versa. Hardwaresystem is composed of LM3S9B96, CC2520 and Wi-Fi module. Z-Stack is TI’s ZigBeesolution that manages network formation, protocol conversion, flow control, etc.It runs in LM3S9B96, and uses CC2520 as the transceiver. Both CC2520 and Wi-Fimodule are controlled by LM3S9B96. Functional testing and performance testingprove that this system has a practical value. It can work in many scenarios,such as home automation.
1. 引言无线传感网（Wireless Sensor Networks，WSNs）综合了传感器技术、嵌入式电脑技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各种集成化的微型传感器节点协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到汇聚节点，最终到达用户终端。当然，及时获取感知区域内的信息并进行处理、转发等操作是无线传感网络应用中的关键问题之一。一般情况下，汇聚节点接收传感器节点发送过来的数据，通过有线方式（串口232、485或者USB电缆）与PC相连，由PC完成数据的读取、转换、显示、转发等工作。但是这种工作方式在实际应用时容易受到工作环境的限制。例如在恶劣或者战场环境中，感知区域难以接近时，将汇聚节点与PC相结合作为外部网络接入设备具有较大难度。这就带来一个重要的问题，即如何通过无线方式将ZigBee网络中的数据传输到标准设备中。目前标准设备中没有802.15.4接口成为WSN应用的主要瓶颈。如何使WSN网络设备和标准设备，特别是移动设备进行无线通信成为了一个重要的课题。一个行之有效的解决方法就是设计一个体积小、功耗和成本较低且可以灵活部署的无线传感网网关节点，由网关节点处理所获得的信息并进行转发工作。另外，在网关节点中引入无线数据传输方式（比如GPRS、CDMA和Wi-Fi），来降低开发成本和周期，很容易地实现远程数据传输与控制，从而实现ZigBee设备到标准设备的无缝无线通信。Wi-Fi是目前最成功的无线局域网（WLAN）系统，它基于IEEE802.11技术标准，通过近几年的快速发展，基础架构设施已经比较完善，无线接入热点（AP）覆盖已经很广，价格也很便宜。它是一种可以将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。通常，WLAN的带宽和传输延迟比许多其他类型的用户互联网连接（如ADSL、GPRS和3G）要好得多，因为WLAN既提供访问互联网服务，也提供本地通信服务。Wi-Fi在许多场合访问速度更多是受到共享连接和用户人数的限制，而非技术本身。Wi-Fi的突出优势是传输带宽、技术成熟度、开放的网络协议，以及基础接入产品、设施的完备和广泛覆盖。目前Wi-Fi已成为标准设备的必备功能。本系统实现了一个ZigBee到Wi-Fi的网关，使得ZigBee网络节点收集的数据能够通过Wi-Fi网络传递给笔记本电脑、手机等标准设备，反之，标准设备也可以发送命令给ZigBee设备，使其实现控制、采集等功能。2. 系统方案 在整个网关设计中，它要负责两方面的工作。一方面在ZigBee网络中，终端传感器节点和路由传感器节点负责数据的采集、处理。网关节点把从传感器节点那收到的数据经过提取，并按照一定的格式打包发送给自身的Wi-Fi模块。另一方面，网关节点的Wi-Fi模块通过无线方式把检测数据发送给PC端的监控软件。本文设计的无线网关可以极大地改善无线传感网络的远程数据传输问题，使管理人员能够及时准确地在远程终端上获取无线传感网络的数据信息，并对这些数据进行分析、处理等操作。无线网关在无线传感网中的位置如下图1所示。
具体附件如下：
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