基于物联网的zigbee网关系统设计与实现研究

摘要： 网络技术的发展对社会和整个国家的经济有着重要的影响，zigbee 网络连接互联网，可以控制到世界各个角落的 zigbee 网络设备，这有利于 zigbee 技术的进一步发展。Zigbee 网关通过互联网和媒体做，它使监控世界各地可以共享信息，这大大减少了时间和空间远离物理世界。本文分析了物联网网关的需求，基于 cc2530开发工具包，设计并实现了一个原型系统 zigbee 网关，完成了 zigbee 网络管理、协议转换、数据传输等功能，对各个通信模块和连接网关进行了整体测试，结果表明，zigbee 网关能够实现网络节点与互联网之间的通信，具有较好的实用性。

关键词： 网关;zigbee ;物联网;tcp/ip

Zigbee 协议是一种短距离、低功耗、低数据率的无线通信协议，物理层兼容 ieee 802。协议定义了物理层（物理层）和 mac 层（媒体接入层，mac）通信标准，其中物理层规范定义了主带无线通信，数据通信符号率定义了多个无线信号共享接入和其他空中信道。802.15.4（zigbee）在劳动 sm 波段定义了两个波段，2.4ghz 频带及896/915mhz 频带。Zigbee 网络拓扑主要的星形网络和网格网络。Zigbee 无线网络中不同的网络拓扑对应不同的应用领域，不同的网络拓扑对网络节点的配置有不同的要求，网络节点的类型可以是协调器，路由器和终端节点，特定的配置需要进行剖析决策。在 zigbee 网络中，根据设备的类型可以将 zigbee 网络设备分为三类： 协调器、路由器和终端节点，协调器负责建立无线网络，网络拓扑信息维护和网络管理功能; 路由器负责网络路由，网络管理功能请求; 终端节点一般不负责维护网络信息，只需要添加特定的无线网络。网关需求分析角色感知层数据采集和无线传输，一般使用 rfid、传感器、家庭、农业、交通、水利等环境数据采集和传输技术，通过无线传输层利用现有的 wi-fi、2 g/3 g、宽带等通信技术传输数据，从感知层、网络感知层扩展数据传输，实现通信网络的组合。主要应用层负责数据处理，为用户提供多种服务，是网络应用的最终目标所在。物联网网关位于传输层的中间，连接传感器网络和传统的通信网络，其特点包括协议转换、数据收发和网络传感器管理。

基于 zigbee 协议规范的 zigbee 节点发送数据网关去掉了层、 mac 层、网络层报头和应用层数据，然后遵循 tcp/ip 协议标准重新封装数据，然后通过以太网发送，数据传输的相反方向也需要类似的过程。因此，网关还应该有 zigbee 和 tcp/ip 协议栈两个协议。传感器网络网关作为通信桥梁和通信网络，可以起到数据传输的作用。Zigbee 通过网络上传数据后，网关可以到达主机 ip 网络，数据同样可以到达 ip 网络或控制指令网关，也可以到达相应的 zigbee 节点。Zigbee 网关应该实现 zigbee 网络管理，如网络的建立，网络应用处理节点，并指定一个网络地址来维护网络拓扑，恢复节点地址离开等。网关子系统需要具备数据存储能力，包括： 根据管理员设置一定格式来存储实时数据采集，监控中心为端口传输视图，设置信息存储系统，各监控点参数设置信息管理系统，用户信息等数据。为了满足本地监控中心在局域网环境下对各监控点的监控和管理需求，网关子系统需要使用嵌入式 web 服务器来保证其本地区域接入后，相當于监控中心提供远程监控服务。互联网的发展极大地改变了人们的生活方式，使得 zigbee 网络通过 tcp/ip 网络使得它能够通过互联网对环境进行监控，对接入节点进行远程管理和控制，是目前物联网研究的热点问题。

网关总体硬件设计采用双 cpu 结构，包括 cc2530芯片 zigbee 模块和控制模块1 godson 芯片两个模块设计，采用 zigbee 开发工具包和龙芯1b 板，以套件作为节点 zigbee 网络协调器后，与龙芯1b 开发板一起协调完成网关。Ti 的 cc2530单片集成 soc 解决方案，射频收发器，工业强度51微控制器核心，zstack 协议栈集成在同一芯片上。Zstack 协议栈和开源栈相比 freakz 更加完整和稳定。基于 mips 的精简龙芯1芯片指令集，计时在200-233兆赫，它可以配置为266兆赫，以满足需要的网关处理性能比主流的 arm 芯片，以较高的价格。1 b 开发板外围设备丰富，调试和开发方便。Dart 用串口连接 cc2530和 godson 1b 两部分。

网关软件设计和测试平台将嵌入式 linux 操作系统植入到 arm 微处理器的核心，系统上运行的所有程序，系统统一管理。运行程序主要由用户空间应用程序和内核空间驱动程序两部分组成，主要实现系统的应用功能，与其他应用程序进行通信、数据交换。内核空间包括用于数据通信的各种驱动程序和硬件通信总线，同时提供用于操作硬件模块接口的应用软件。

网关系统作为网关平台是一个通信客户端，远程或本地监控中心作为服务器端，两端基于套接字的通信实现，因为3g 网络应用的 ip 地址是动态的，并且监控服务器使用静态 ip 地址后，所以服务器创建一个套接字并等待客户端的活动连接，以建立一个通信链路进行数据交换[5]。Zigbee 无线传输具有不稳定性，但在使用网关中的东西时，这种不稳定性是允许的。重点介绍了以太网模块 tcp 报文丢失模块，在 tcp 程序中插入该模块测试桩，主机 pc 统计软件包对应的请求报文和响应报文 p 是相同的。如果不同于长时间运行日志记录的东西，则由网关和网关运行日志统计得出最终结论。网关数据失真是可接受的数据解析软件错误。东西网关的包丢失率测试，得到的东西千网关包丢失率，可以忽略不计。所以物品丢包率网关标准可以稳定使用。数据联网网关失真性能测试可以获得数据联网网关和没有失真。描述网关软件的一部分内容，没有错误分析数据部分，传感器可以准确报告所需的数据被解析成 pc 数据格式。

zigbee 网络与 ip 网络的整合对物联网的未来发展具有重要意义，本文提出了一种基于 zigbee 网关基本功能的网关设计方案，并通过实验验证了所采集数据的有效性。Zigbee 节点功能通过上传网关到 ip 网络 pc 客户端，实现 zigbee 网络管理、协议转换、数据传输等功能，达到异质网路互连的目的。本文介绍了一种基于 zigbee 技术的嵌入式物联网网关系统，使传感器网络和远程通信网络能够实现互联网数据传输、协议转换和管理控制功能，可广泛应用于智能家居、工业监控、智能电网、环境监控等物联网应用领域。

参考文献：

[1] kim，seong hoon。Zigbee 互联网工作架构监测多热 zigbee 网络技术[ j ]。消费电子，2009，55（3） ： 1286-1294。

[2] ahmad akl，chen feng，shahrokh valaee.一种新型的基于加速度计的手势识别系统[ j ]。信号处理，2011，59（12） ： 6197-6205。

作者简介：

周华春（1981-），男，籍贯：重庆市，本科，讲师，研究方向：通信技术、电子技术。