基于ZigBee技术的无线传感器网络网关研究与实现
|
摘要
随着我国国民经济的发展，无线传感器网络技术在科学研究、环境监测、日常生活等领域的作用越来越重要。近几年，为填补低速率端无线通信技术的空缺而提出的ZigBee技术由于其功耗低、自愈能力强等特点成为当前研究的热点，可广泛应用于低速无线传感器网络中。
在某些无线传感器网路的应用场合，如智能家居，对网络进行延伸或远程监控成为了一种需求，而Internet则是完成这项功能的最佳选择。本文作为整个无线传感器网络系统课题的一部分，设计并实现了以太网接入ZigBee网络的网关系统。
在TI公司公开的ZigBee解决方案基础上，分析当今流行的嵌入式Internet技术，综合考虑成本、功能要求等因素，设计了基于ZigBee技术的无线传感器网络网关系统的整体方案。以低功耗、资源丰富的MSP430FG4618单片机为核心，通过网络芯片CS8900A和符合IEEE802．15．4协议的芯片CC2420，分别接入以太网和ZigBee网络，设计并制作了微控制器电路、以太网接入电路、辅助电路和CC2420射频模块。移植精简的嵌入式TCP／IP协议，实现了进行网络通信所需的ARP、IP、ICMP以及TCP协议；研究实现TI提供的ZigBee协议Z-Stack，建立了ZigBee节点。然后对嵌入式TCP／IP协议以及Z-Stack进行协议融合，提出了基于ZigBee技术的无线传感器网络网关的协议模型，即在同一个MCU中实现了两个不同的协议栈，使用嵌入式C语言在应用层编写程序交换报文。
论文最后使用VC. net语言编写上位机程序，以Windows套接字方式与网关系统进行通信，验证整个系统的设计方案并给出了调试的结果。测试表明：该方案完成了以太网简单接入ZigBee网络的功能，达到了论文最初设计的要求，也为后面的研究提供了一种新的思路。
With the rapid development of our national economy, wireless sensor network is becoming more important in scientific research, environment detection, daily life and so on. In recent years, because of its character of low power consumption, high self-healing ability etc, ZigBee technology, raised for low-rate wireless communication, is widely used in wireless sensor network and becomes a research focus.
In some circumstance like smart home, it is a demand to expand network or to monitor the network remotely, and embedded Internet is the best choice. As a part of the whole Wireless Sensor Network System, this paper designed and implemented the gateway between Internet and ZigBee.
Based on ZigBee solutions provided by TI company, and analysis of popular embedded Internet technology,taking cost、demand into account,this paper designed a ZigBee based gateway solution:Taking MSP430FG4618 as MCU, connecting Internet and ZigBee network individually through CS8900A and CC2420. MCU circuit、Internet interface circuit、Auxiliary circuit and CC2420 RF module are made. Transplanting embedded Internet, implementing ARP、IP、ICMP、TCP protocols and Z-Stack, This paper also setup a ZigBee node. After analyzing the implementation of TCP/IP and Z-Stack, this paper raised the gateway protocol model of ZigBee based wireless sensor network which mean to run two protocols in one simple MCU, and programmed in embedded C to exchange packet on the application layer.
In the end, a process programmed in VC.net in the way of Windows Sock is used to test gateway system's communication between Internet and ZigBee. Through debug and test, this gateway system could satisfy the requirement, implements the connection between Internet and ZigBee simply and also provides a new idea for the next.
在某些无线传感器网路的应用场合，如智能家居，对网络进行延伸或远程监控成为了一种需求，而Internet则是完成这项功能的最佳选择。本文作为整个无线传感器网络系统课题的一部分，设计并实现了以太网接入ZigBee网络的网关系统。
在TI公司公开的ZigBee解决方案基础上，分析当今流行的嵌入式Internet技术，综合考虑成本、功能要求等因素，设计了基于ZigBee技术的无线传感器网络网关系统的整体方案。以低功耗、资源丰富的MSP430FG4618单片机为核心，通过网络芯片CS8900A和符合IEEE802．15．4协议的芯片CC2420，分别接入以太网和ZigBee网络，设计并制作了微控制器电路、以太网接入电路、辅助电路和CC2420射频模块。移植精简的嵌入式TCP／IP协议，实现了进行网络通信所需的ARP、IP、ICMP以及TCP协议；研究实现TI提供的ZigBee协议Z-Stack，建立了ZigBee节点。然后对嵌入式TCP／IP协议以及Z-Stack进行协议融合，提出了基于ZigBee技术的无线传感器网络网关的协议模型，即在同一个MCU中实现了两个不同的协议栈，使用嵌入式C语言在应用层编写程序交换报文。
论文最后使用VC. net语言编写上位机程序，以Windows套接字方式与网关系统进行通信，验证整个系统的设计方案并给出了调试的结果。测试表明：该方案完成了以太网简单接入ZigBee网络的功能，达到了论文最初设计的要求，也为后面的研究提供了一种新的思路。
With the rapid development of our national economy, wireless sensor network is becoming more important in scientific research, environment detection, daily life and so on. In recent years, because of its character of low power consumption, high self-healing ability etc, ZigBee technology, raised for low-rate wireless communication, is widely used in wireless sensor network and becomes a research focus.
In some circumstance like smart home, it is a demand to expand network or to monitor the network remotely, and embedded Internet is the best choice. As a part of the whole Wireless Sensor Network System, this paper designed and implemented the gateway between Internet and ZigBee.
Based on ZigBee solutions provided by TI company, and analysis of popular embedded Internet technology,taking cost、demand into account,this paper designed a ZigBee based gateway solution:Taking MSP430FG4618 as MCU, connecting Internet and ZigBee network individually through CS8900A and CC2420. MCU circuit、Internet interface circuit、Auxiliary circuit and CC2420 RF module are made. Transplanting embedded Internet, implementing ARP、IP、ICMP、TCP protocols and Z-Stack, This paper also setup a ZigBee node. After analyzing the implementation of TCP/IP and Z-Stack, this paper raised the gateway protocol model of ZigBee based wireless sensor network which mean to run two protocols in one simple MCU, and programmed in embedded C to exchange packet on the application layer.
In the end, a process programmed in VC.net in the way of Windows Sock is used to test gateway system's communication between Internet and ZigBee. Through debug and test, this gateway system could satisfy the requirement, implements the connection between Internet and ZigBee simply and also provides a new idea for the next.
引文
[1] 田忠．基于IEEE802．15．4的无线传感器网络验证系统的设计与实现．南京：东南大学，2006．
[2] 匡兴红，邵惠鹤．无线传感器网络网关研究．计算机工程，2007，33(6)：228-230．
[3] Zhen Zhu, Ruchun Cui. Remote Intelligent Monitoring System Based on Embedded Internet Technology. Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics, Jinan, 2007:2665-2669.
[4] 瞿雷．一种新的无线网络通信技术Zigbee．单片机与嵌入式系统应用，2006，(1)：12-14
[5] Shizhuang Lin, Jingyu Liu, Yanjun Fang. ZigBee Based Wireless Sensor Networks and Its Applications in Industrial. Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics. Jinan, 2007:1979-1983.
[6] 蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用．北京：北京邮电大学出版社，2006．
[7] Takeshi Saito, lchiro Tomoda, Yoshiaki Takabatake et al. HOME GATEWAY ARCHITECTURE AND ITS IMPLEMENTATION. IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2000,46(4): 1161-1166.
[8] 杨庚．ZigBee无线传感器网络的研究与实现：(硕士学位论文)．杭州：浙江大学，2006．
[9] Yu-Ping Tsou, Jun-Wei Hsieh, Cheng-Ting Linet al. Building a Remote Supervisory Control Network System for Smart Home Applications. IEEE International Conference on Systems, raipei, 2006:1826-1830.
[10] 任秀丽，于海斌．ZigBee 无线通信协议实现技术的研究．计算机工程与应用，2007，43(6)：143—145
[11] Sajdl Ondre j, Bradac Zdenek, Fiedler Petr et al. ZigBee Technology and Device Design. Proceedings of the International Conference on Networking, International Conference on Systems and International Conference on Mobile Communications and Learning Technologies (ICNICONSMCL' 06),2006.
[12] 穆乃刚．ZigBee技术简介．电信技术，2006，3：84-86．
[13] 冯平鸽，冯琳，魏振春．Zigbee技术在家庭网络中应用的一种网络模型．河南科技大学学报(自然科学版)，2005，26(6)：43-47．
[14] 陈珊．嵌入式WEB服务器网关系统的研究与实现：(硕士学位论文)．大连：大连理工大学，2006．
[15] 姜连祥，汪小燕．无线传感器网络硬件设计综述．单片机与嵌入式应用，2006(11)：13-16．
[16] 胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[17] 李迎春，孙友伟．基于CS8900A的电力监控系统以太网接口设计．西安邮电学院学报，2004，9(3)：38-40
[18] 曲冰洁，刘彬．基于MSP430+CS8900A 的嵌入式以太网转换器．科技情报开发与经济，2006，16(18)：214-215
[19] Dunkels A. Full TCP/IP for 8-bit architectures. Proceedings of the First International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services(MOBISYSp03). San Francisco, 2003 : 85-98.
[20] 张瑞华，袁东风．嵌入式无线传感器网络节点的设计．计算机工程，2007，33(6)：1-3．
[21] Wolfram Kluge, Frank Poegel, Hendrik Roller. A Fully Integrated 2.4-GHz IEEE 802.15.4-Compliant Transceiver for ZigBee Applications. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 2006,41(12):2767-2775.
[22] 陈玉兰．基于CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计：(硕士论文)．南京：东南大学，2006．
[23] Chan-Sei Yoo, Joong-Keun Lee, Dongsu Kim. RF Front-End Passive Circuit Implementation Including Antenna for ZigBee Applications. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. 2007.55(5):906-915.
[24] 金仁成，王艳辉，王立鼎．无线传感器网络节点硬件平台设计．传感器与微系统，2006，25(12)：48-50．
[25] 马忠梅，籍顺心，张凯等．单片机C语言应用程序设计．北京：北京航空航天大学出版社，2001．
[26] 刘元安，叶靓，邵谦明等．无线传感器网络与TCP/IP 网络的融合．北京邮电大学学报，2006，29(6)：1-4．
[27] 朱斌，王平．EPA控制网络中802_11b 接入点的设计与实现．仪器仪表学报，2005，26(8)：822-825．
[28] 王泉，刘双梅，李敏等．EPA控制网络中ZigBee接入点的软硬件设计．单片机与嵌入式系统应用．2006，(8)：30-33．
[29] Miroslay Sveda, Roman Trchalik. ZigBee to Internet Interconnection Architectures. Computer Society. Second International Conference on Systems(ICONS' 07),2007.
[30] Douglas E.Comer.用TCP/IP进行网际互连．第一卷：原理、协议与结构．北京：电子工业出版社，2001．
[31] Douglas E.Comer.用TCP/IP进行网际互连．第二卷：设计、实现与内核．北京：电子工业出版社，2001．
[32] 宫蓉蓉．基于TCP_IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现：(硕士学位论文)．长沙：长沙理工大学，2006．
[33] 韩光洁，赵海，王金东等．Embedded Internet环境下TCP/IP协议簇的约简．小型微型计算机系统，2004，25(9)：1602-1606．
[34] 罗军舟，黎波涛，杨明等．TCP/IP协议及网络编程技术．北京：清华大学出版社，2004．
[35] 白清利，张东来．嵌入式家庭网关功能分析与设计实现．嵌入式网络技术应用，2006，22(7-2)：10-12
[36] 张炜．Visual C++．NET程序设计与应用．北京：电子工业出版社，2002．
[37] 马展，李守勇．Visual C++．NET网络与通信高级编程范例．北京：清华大学出版社．，2005．
[2] 匡兴红，邵惠鹤．无线传感器网络网关研究．计算机工程，2007，33(6)：228-230．
[3] Zhen Zhu, Ruchun Cui. Remote Intelligent Monitoring System Based on Embedded Internet Technology. Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics, Jinan, 2007:2665-2669.
[4] 瞿雷．一种新的无线网络通信技术Zigbee．单片机与嵌入式系统应用，2006，(1)：12-14
[5] Shizhuang Lin, Jingyu Liu, Yanjun Fang. ZigBee Based Wireless Sensor Networks and Its Applications in Industrial. Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics. Jinan, 2007:1979-1983.
[6] 蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用．北京：北京邮电大学出版社，2006．
[7] Takeshi Saito, lchiro Tomoda, Yoshiaki Takabatake et al. HOME GATEWAY ARCHITECTURE AND ITS IMPLEMENTATION. IEEE Transactions on Consumer Electronics. 2000,46(4): 1161-1166.
[8] 杨庚．ZigBee无线传感器网络的研究与实现：(硕士学位论文)．杭州：浙江大学，2006．
[9] Yu-Ping Tsou, Jun-Wei Hsieh, Cheng-Ting Linet al. Building a Remote Supervisory Control Network System for Smart Home Applications. IEEE International Conference on Systems, raipei, 2006:1826-1830.
[10] 任秀丽，于海斌．ZigBee 无线通信协议实现技术的研究．计算机工程与应用，2007，43(6)：143—145
[11] Sajdl Ondre j, Bradac Zdenek, Fiedler Petr et al. ZigBee Technology and Device Design. Proceedings of the International Conference on Networking, International Conference on Systems and International Conference on Mobile Communications and Learning Technologies (ICNICONSMCL' 06),2006.
[12] 穆乃刚．ZigBee技术简介．电信技术，2006，3：84-86．
[13] 冯平鸽，冯琳，魏振春．Zigbee技术在家庭网络中应用的一种网络模型．河南科技大学学报(自然科学版)，2005，26(6)：43-47．
[14] 陈珊．嵌入式WEB服务器网关系统的研究与实现：(硕士学位论文)．大连：大连理工大学，2006．
[15] 姜连祥，汪小燕．无线传感器网络硬件设计综述．单片机与嵌入式应用，2006(11)：13-16．
[16] 胡大可．MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机．北京：北京航空航天大学出版社，2002．
[17] 李迎春，孙友伟．基于CS8900A的电力监控系统以太网接口设计．西安邮电学院学报，2004，9(3)：38-40
[18] 曲冰洁，刘彬．基于MSP430+CS8900A 的嵌入式以太网转换器．科技情报开发与经济，2006，16(18)：214-215
[19] Dunkels A. Full TCP/IP for 8-bit architectures. Proceedings of the First International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services(MOBISYSp03). San Francisco, 2003 : 85-98.
[20] 张瑞华，袁东风．嵌入式无线传感器网络节点的设计．计算机工程，2007，33(6)：1-3．
[21] Wolfram Kluge, Frank Poegel, Hendrik Roller. A Fully Integrated 2.4-GHz IEEE 802.15.4-Compliant Transceiver for ZigBee Applications. IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 2006,41(12):2767-2775.
[22] 陈玉兰．基于CC2420的无线传感器网络的硬件节点设计：(硕士论文)．南京：东南大学，2006．
[23] Chan-Sei Yoo, Joong-Keun Lee, Dongsu Kim. RF Front-End Passive Circuit Implementation Including Antenna for ZigBee Applications. IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES. 2007.55(5):906-915.
[24] 金仁成，王艳辉，王立鼎．无线传感器网络节点硬件平台设计．传感器与微系统，2006，25(12)：48-50．
[25] 马忠梅，籍顺心，张凯等．单片机C语言应用程序设计．北京：北京航空航天大学出版社，2001．
[26] 刘元安，叶靓，邵谦明等．无线传感器网络与TCP/IP 网络的融合．北京邮电大学学报，2006，29(6)：1-4．
[27] 朱斌，王平．EPA控制网络中802_11b 接入点的设计与实现．仪器仪表学报，2005，26(8)：822-825．
[28] 王泉，刘双梅，李敏等．EPA控制网络中ZigBee接入点的软硬件设计．单片机与嵌入式系统应用．2006，(8)：30-33．
[29] Miroslay Sveda, Roman Trchalik. ZigBee to Internet Interconnection Architectures. Computer Society. Second International Conference on Systems(ICONS' 07),2007.
[30] Douglas E.Comer.用TCP/IP进行网际互连．第一卷：原理、协议与结构．北京：电子工业出版社，2001．
[31] Douglas E.Comer.用TCP/IP进行网际互连．第二卷：设计、实现与内核．北京：电子工业出版社，2001．
[32] 宫蓉蓉．基于TCP_IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现：(硕士学位论文)．长沙：长沙理工大学，2006．
[33] 韩光洁，赵海，王金东等．Embedded Internet环境下TCP/IP协议簇的约简．小型微型计算机系统，2004，25(9)：1602-1606．
[34] 罗军舟，黎波涛，杨明等．TCP/IP协议及网络编程技术．北京：清华大学出版社，2004．
[35] 白清利，张东来．嵌入式家庭网关功能分析与设计实现．嵌入式网络技术应用，2006，22(7-2)：10-12
[36] 张炜．Visual C++．NET程序设计与应用．北京：电子工业出版社，2002．
[37] 马展，李守勇．Visual C++．NET网络与通信高级编程范例．北京：清华大学出版社．，2005．