基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)接入以太網(wǎng)系統(tǒng)方案研究

袁冰，蘇震

(中國(guó)傳媒大學(xué) 信息工程學(xué)院，北京 100024)

1 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)就是由部署在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)給觀(guān)察者?？梢赃@樣說(shuō)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)使人們可以直接感知客觀(guān)世界，從而極大地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界的能力。

隨著無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，由其所延伸出來(lái)的各種應(yīng)用范圍都需要去與IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)實(shí)際物理空間的數(shù)據(jù)可以與網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換處理。但是，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)所用到的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)又與我們現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)所用的協(xié)議不兼容，這樣就給我們帶來(lái)了難題，怎么把現(xiàn)今Internet的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)相互連通，從而使得物理世界與虛擬世界得到很好的互聯(lián)。

隨著各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，例如藍(lán)牙、IEEE802.11 WLAN、IEEE802.15.4和ZigBee，為M2M(Machine to Machine)的發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)，這樣就使得會(huì)有一種協(xié)議適用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，因此本文主要研究基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)互聯(lián)，提出兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的理論算法結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方案，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，并實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制。

2 ZigBee與網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)

2.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee作為一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，主要目標(biāo)就是在遠(yuǎn)程控制傳感器應(yīng)用上，這一點(diǎn)很適合予操控復(fù)雜的廣播環(huán)境和一些被隔離起來(lái)的區(qū)域。ZigBee聯(lián)盟就在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上提出了適應(yīng)于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議ZigBee協(xié)議。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(low-rate wireless personal area network，LR-WPAN)，力求使用低耗能信號(hào)、低速率傳輸、旨在為小范圍內(nèi)不同設(shè)備之間的低速率互連提供一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了系統(tǒng)物理層(PHY)和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成，MAC子層為高層訪(fǎng)問(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口，而ZigBee聯(lián)盟規(guī)定了系統(tǒng)傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等層的標(biāo)準(zhǔn)。圖1表示出了在IEEE802.15.4基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的ZigBee協(xié)議。

圖1 IEEE802.15.4基礎(chǔ)上的ZigBee協(xié)議

IEEE802.15.4定義了兩個(gè)頻段的物理層：868/915MHz和2.4GHz。868/915MHz頻段包括歐洲使用的868MHz頻段以及美國(guó)和澳大利亞使用的915MHz頻段，2.4GHz頻段世界通用。對(duì)于現(xiàn)在所使用的許多ZigBee硬件設(shè)備都使用的是2.4GHZ的頻率段。ZigBee支持網(wǎng)絡(luò)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、群組樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及混合型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。并且對(duì)于星型和網(wǎng)絡(luò)型結(jié)構(gòu)結(jié)合的最基礎(chǔ)的一種結(jié)構(gòu)就是群組樹(shù)型結(jié)構(gòu)。圖2展示了網(wǎng)絡(luò)型以及星型拓?fù)錂C(jī)構(gòu)的配置。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)上的手持設(shè)備的最大室內(nèi)距離是30m，最大室外距離是100m，運(yùn)行在2.4GHZ的頻率下，能達(dá)到250Kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率，考慮到ZigBee的實(shí)用性，本文主要研究基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的配置

2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與IP技術(shù)

IP(Internet Protocol，網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)協(xié)議)技術(shù)主要是為了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)相互連接進(jìn)行通信而設(shè)置的協(xié)議，它在ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)中具有重要作用。在因特網(wǎng)中，IP是能夠使連接到網(wǎng)上的所有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相互通信的一套規(guī)則，它規(guī)定了計(jì)算機(jī)在因特網(wǎng)上進(jìn)行通信時(shí)應(yīng)當(dāng)遵守的協(xié)議。IP具有唯一性，有了IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，就可以有序管理計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)之間的正常通信。

互聯(lián)網(wǎng)通信的主要最基本的協(xié)議TCP/IP協(xié)議，由網(wǎng)絡(luò)層的IP協(xié)議來(lái)規(guī)定連入到互聯(lián)網(wǎng)中的每一臺(tái)電腦的地址，傳輸層的TCP協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸?？梢钥闯?，現(xiàn)在所使用的最基本的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議TCP/IP協(xié)議就是以地址為中心的協(xié)議，而在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中，都是通過(guò)各個(gè)傳感器所收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)傳送給中心的協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這就實(shí)現(xiàn)了以數(shù)據(jù)為中心的數(shù)據(jù)傳輸方式。TCP/IP協(xié)議就不再適用于在無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行應(yīng)用，這樣我們提出了基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，而要實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)通信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)染鸵竽馨裐igBee協(xié)議能夠很好地與TCP/IP協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在本文中，主要提出了ZigBee協(xié)議與IP協(xié)議的轉(zhuǎn)換，把ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為IP的數(shù)據(jù)包，這樣就可以通過(guò)TCP或是UDP傳輸協(xié)議發(fā)送進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的相互通信。

3 兩種協(xié)議?；ヂ?lián)的算法研究及實(shí)現(xiàn)方法

網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)方案中，根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式不同分為異構(gòu)結(jié)構(gòu)和同構(gòu)結(jié)構(gòu)，異構(gòu)結(jié)構(gòu)是將傳感器節(jié)點(diǎn)TCP/IP化，同構(gòu)結(jié)構(gòu)是利用網(wǎng)關(guān)作為接口將傳感器網(wǎng)絡(luò)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的互通，可以從以上兩種實(shí)現(xiàn)方式上進(jìn)行探索，本文將主要就同構(gòu)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究并提出其理論算法及其實(shí)現(xiàn)方案。

3.1 利用網(wǎng)關(guān)——虛擬查表方式

在本研究中把網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的方案重點(diǎn)放在同構(gòu)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣則不需要去改變ZigBee地址，而是采用虛擬地址這一個(gè)概念來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種方式對(duì)于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)以及互聯(lián)網(wǎng)的終端我們不做任何的處理，所有的虛擬地址以及匹配的問(wèn)題都放在轉(zhuǎn)換器也就是網(wǎng)關(guān)中來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖3所示為轉(zhuǎn)換器中的簡(jiǎn)要示意圖，主要體現(xiàn)在不改變?cè)純煞N網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上利用轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換進(jìn)而實(shí)現(xiàn)兩種網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。

圖3 轉(zhuǎn)換器中示意圖

如圖3中所示，可以看出本研究的主要重點(diǎn)放在了虛擬地址的研究上，對(duì)于所熟知的以太網(wǎng)絡(luò)中，主要是以地址為中心的也就是常用的IP地址，而在WSN中主要是以數(shù)據(jù)為中心的，并且兩種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流動(dòng)方式也是不相同的，這樣為了WSN可以融合到以太網(wǎng)中就需要找到一種方法來(lái)把兩種協(xié)議?；ネㄆ饋?lái)，本文就立足于這樣一個(gè)出發(fā)點(diǎn)提出了虛擬地址的算法來(lái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)。

本文闡述的核心問(wèn)題，是提出了一種基于虛擬IP以及虛擬ID的互聯(lián)通信控制方法。對(duì)于WSN網(wǎng)絡(luò)而言，人為地配備一個(gè)虛擬的ID地址，以太網(wǎng)中配備一個(gè)虛擬的IP號(hào)，這樣每一個(gè)虛擬的ID地址就會(huì)對(duì)應(yīng)一個(gè)虛擬的IP號(hào)來(lái)進(jìn)行兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。在網(wǎng)關(guān)中建立一個(gè)映射表，把每次的連接后的虛擬IP以及虛擬ID存儲(chǔ)在這個(gè)表中，如果下次連接需要就可以直接調(diào)用表中的地址進(jìn)行連接。如圖4所示就展現(xiàn)了這個(gè)映射表的主要實(shí)現(xiàn)形式。

圖4 虛擬ID及虛擬IP映射表

3.2 實(shí)現(xiàn)方案的軟硬件結(jié)構(gòu)

以上研究主要闡述了這種網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的算法結(jié)構(gòu)，下文將在這種算法結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的可行性方案，主要包括實(shí)現(xiàn)的硬件及軟件結(jié)構(gòu)。

在硬件實(shí)現(xiàn)方面，考慮到控制器的資源等采用ARM處理器LINUX操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，并在Linux系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的交互界面進(jìn)行控制。WSN的協(xié)調(diào)器中采用MCU對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)跳變方式在WSN內(nèi)部把數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器中MCU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理打包最后通過(guò)串口發(fā)送到網(wǎng)關(guān)中，在網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行解封裝以及重新分裝為T(mén)CP/IP包并發(fā)送到以太網(wǎng)中，這樣就在這兩者之間建立了一條透明的傳輸路線(xiàn)并可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸及控制。

在上述硬件結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式上，體現(xiàn)了這種通路的可實(shí)現(xiàn)性，現(xiàn)就網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面來(lái)說(shuō)明此網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。首先，在網(wǎng)關(guān)中我們把系統(tǒng)分為幾個(gè)層次來(lái)實(shí)現(xiàn)，最下方的物理層進(jìn)行接收來(lái)自WSN或是以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)包，這樣需要我們有一個(gè)較為穩(wěn)定的運(yùn)行平臺(tái)來(lái)進(jìn)行，因此在本研究方案中采用Linux運(yùn)行平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，物理層之上就是協(xié)議層，這個(gè)協(xié)議層包括了ZigBee協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，在數(shù)據(jù)進(jìn)行上行以及下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行封裝從而作為適應(yīng)另一方傳輸?shù)陌l(fā)送出去。協(xié)議層之上我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用層，在應(yīng)用層上有一個(gè)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)包的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的上行下行傳輸。如圖5所示主要體現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)中各層表示結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)在每接收到一個(gè)ZigBee數(shù)據(jù)包后，在其發(fā)送之前將其轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP數(shù)據(jù)包，反之，在此系統(tǒng)中依然成立。

圖5 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

3.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)

首先，這里要對(duì)ZigBee的底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行配置，ZigBee與網(wǎng)關(guān)的通信主要是串口通信，現(xiàn)今串口通信的技術(shù)已經(jīng)很成熟在此將不再多說(shuō)，這里主要是針對(duì)于各種的開(kāi)發(fā)板不同進(jìn)行串口的一些配置就可以了。其次，進(jìn)行本研究最主要的工作，也就是協(xié)議轉(zhuǎn)換的軟件實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)今的以太網(wǎng)傳輸中的技術(shù)都已經(jīng)比較成熟，知道源目的MAC地址就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)之間的相互通信，當(dāng)不知道目的主機(jī)的MAC地址時(shí)，此時(shí)將采用ARP來(lái)進(jìn)行主機(jī)IP地址與MAC地址之間的轉(zhuǎn)換，在TCP/IP中此種地址的轉(zhuǎn)換已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?。這樣，本研究根據(jù)這樣的方式提出并實(shí)現(xiàn)ZigBee的ARP，把之前規(guī)定好對(duì)應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的虛擬IP地址通過(guò)ARP找到對(duì)應(yīng)的MAC地址，這個(gè)MAC地址恰好就可以為ZigBee的16位地址，這樣在虛擬IP與MAC地址之間就建立起來(lái)了一個(gè)映射表，當(dāng)然這也與上述所提出的理論算法相一致，這樣所用到的IP地址就可以映射到ZigBee的節(jié)點(diǎn)地址，實(shí)現(xiàn)源主機(jī)的相互通信。如圖6所示展示了這一映射的思路，在圖中可以看到在MAC層上去分別實(shí)現(xiàn)TCP/IP和ZigBee的ARP功能，PHY為物理層。

圖6 協(xié)議轉(zhuǎn)換示意圖

TCP/IP端的ARP機(jī)制已經(jīng)比較成熟，因此這里主要說(shuō)一下ZigBee端實(shí)現(xiàn)ARP。當(dāng)網(wǎng)關(guān)收到發(fā)送到WSN的數(shù)據(jù)包時(shí)，提取出目的節(jié)點(diǎn)的IP地址，此時(shí)就需要啟動(dòng)ZigBee端的ARP，網(wǎng)關(guān)發(fā)送一份ARP請(qǐng)求報(bào)文，該報(bào)文中包括了目的以及源IP地址，目的硬件地址填寫(xiě)的為廣播地址，這樣ZigBee的所有節(jié)點(diǎn)就可以收到該報(bào)文。目的節(jié)點(diǎn)的ARP收到此廣播報(bào)文后，識(shí)別出這是發(fā)送方在詢(xún)問(wèn)它的MAC地址，于是發(fā)送一個(gè)ARP應(yīng)答報(bào)文，請(qǐng)求方收到ARP的應(yīng)答報(bào)文后，就可以使用目的主機(jī)物理地址進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送了。上述ZigBee的ARP工作原理如圖7所示。

圖7 ZigBee的ARP機(jī)制實(shí)現(xiàn)原理

其次，在互相通信的基礎(chǔ)上來(lái)分析一下數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及傳輸。本文所采用的方法是把傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)作以太網(wǎng)中的主機(jī)來(lái)進(jìn)行處理，為其分配IPV4的IP地址“192.168.1.1～192.168.254”，以太網(wǎng)中的主機(jī)配置IP地址“192.168.2.2～192.168.2.254”這樣當(dāng)以太網(wǎng)中的主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)目的主機(jī)的IP地址不在本網(wǎng)絡(luò)中那么就把此數(shù)據(jù)包發(fā)送到IP地址為“192.168.2.1”的網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行處理，傳送到網(wǎng)關(guān)中對(duì)其數(shù)據(jù)包進(jìn)行解封得到目的IP這樣可以對(duì)應(yīng)查找到是否為配置到WSN中的IP地址段中，在對(duì)應(yīng)的地址段中，此時(shí)根據(jù)ZigBee的ARP找到目的IP地址對(duì)應(yīng)的目的MAC地址，這樣就可以在網(wǎng)關(guān)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ZigBee的封裝后然后通過(guò)串口發(fā)送到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中去。當(dāng)然，每一次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)都會(huì)把IP地址與其對(duì)應(yīng)的MAC地址寫(xiě)進(jìn)映射表中，如果此次傳輸?shù)穆窂揭呀?jīng)在映射表中有了對(duì)應(yīng)的IP與MAC地址了，這樣就可以直接找到對(duì)應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)的包頭信息進(jìn)行封裝后發(fā)送出去。反之，有ZigBee發(fā)送到以太網(wǎng)中的形式就相對(duì)簡(jiǎn)單一點(diǎn)，直接數(shù)據(jù)包從協(xié)調(diào)器中傳送到網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行解析目的IP地址即可，其他步驟就與以太網(wǎng)到WSN的過(guò)程反過(guò)來(lái)即可。如圖8所示為此數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換的流程圖，根據(jù)流程圖來(lái)看則轉(zhuǎn)換的思路則會(huì)更為清晰。

圖8 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與IP互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)通信聯(lián)接的數(shù)據(jù)通信及控制方案。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的不同需求方式，使用同構(gòu)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了兩種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的互聯(lián)，通過(guò)構(gòu)建轉(zhuǎn)換器型的網(wǎng)關(guān)，可以在兩種不同的協(xié)議之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信控制和信息交換功能。本研究所提出的互聯(lián)系統(tǒng)方案，可以用于兩種不同協(xié)議棧之間的互聯(lián)接入方面的應(yīng)用系統(tǒng)研究，也為不同協(xié)議棧之間的轉(zhuǎn)換互聯(lián)提供了一種研究探索的方向。

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