物联网嵌入式网关的研究及组网实现(毕业设计论文)

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1、摘 要 物联网是在互联网概念的根底上提出的，积极开展物联网技术，尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。而物联网网关可以实现感知网络与通信网络以及不同类型感知网络之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联。物联网嵌入式网关的研究及组网实现，是在构建整个物联网体系结构中至关重要的一步。网关是建立在网络层之上的协议转换器，而嵌入式系统具有专用性强、实时性好、可靠性高、功耗少、体积小和低本钱的特点，因此用嵌入式网关极大增加了应用的灵活性并降低了本钱。通过网关把ZigBee网络同因特网连接起来，在各个角落都可以对某个ZigBee网络中的设备进行监测和控制，大大缩小

2、了物理世界的时空距离。本文首先提出了一种基于ARM微处理器的嵌入式网关总体设计方案，设计出的网关具有功耗底、体积小、设计简单又可以满足小数据量信息传输的特点。然后以奥尔斯物联网创新实验系统IOV-T-2530为平台，模拟了嵌入式网关多点数据采集并完成了ZigBee网络与互联网的通信，从而实现了嵌入式网关在物联网中的应用。关键词：物联网；嵌入式系统；ZigBee；网关；ABSTRACTThe Internet of things is based on the concept of Internet, Actively develop Internet of Things technology,

3、 expand its application areas as soon as possible, put it into production and life as soon as possible, will be of great signifiance. While the Gatway can bring about protocol conversion between the sensor network, communications networks and different types of sensor network, both can achieve wide-

4、area access, local access can also be achieved. The research and application of Embedded Gateway is a crucial step to build the Internet of Things architecture. Gateway is protocol converter built on top of network layer，while Embedded system has specific use is strong, good real-time performance, h

5、igh reliability, low power consumption, small size and low cost, thus Embedded Gateway greatly increased the use of application flexibility and reduced the cost. Through a Gateway to connect ZigBee network with the Internet, in every corner can monitoring and control the equipment in ZigBee network,

6、 greatly reducing the time and space between the physical world.This paper first suggests a overall design of embedded Gateway based on the ARM microprocessor, the Gateway has the advantages of low power consumption, small size, simple design and a small amount of data to meet the characteristics of

7、 information transmission. then use OURS IOV-T-2530 as a platform to simulate the embedded Gateway multi-point data acquisition, and completed the communication between ZigBee network and Internet, accomplishing the application of embedded Gateway in the Internet of Things. Keywords: Intemet of thin

8、gs; Embedded systems; ZigBee ; Gateway; 目录1绪论31.1课题研究背景31.2国内外研究现状41.3课题研究意义和内容62物联网相关理论根底92.1无线传感器网络概述102.2基于ZigBee的无线组网技术简介112.3TI Z-Stack协议栈202.4ZigBee开发根底223基于ARM微处理器的嵌入式网关总体设计253.1 网关设计的根本要求253.2 网关功能模块的组成26 嵌入式网关的硬件设计27 嵌入式网关的软件设计284物联网嵌入式网关Cortex A8DB概述294.1嵌入式网关Cortex A8DB开发板简介294.2嵌入式网关操作系统

9、方案的选择334.3OMAP3530处理器ARM内核烧写WinCE385软硬件平台的搭建及系统实现395.1CC2530芯片概述395.2Visual Studio 2005的特点415.3425.4系统运行环境的搭建及组网实现436总结和展望.56参考文献57致谢词58附录1外文原文59附录2 中文译文671 绪论1.1 课题研究背景 21世纪是一个以网络计算机为核心的信息时代。随着信息技术、网络技术的快速开展，物联网时代即将到来。物联网被称为信息产业的第三次浪潮。物联网是指通过射频识别RFID、红外感应器、GPS、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，实现任何时间、任何地点、任何物体进行

10、信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是具有全面感知、可靠传输、智能处理特征的连接物理世界的网络。无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。无线传感器网络并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能拥有

11、较长的电池寿命和较多的器件阵列。目前迫切需要一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准，而ZigBee的出现正好解决了这一问题。ZigBee有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低本钱、高平安性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得Zighee和无线传感器网络完美地结合在一起。目前，基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究和开发己得到越来越多的关注。最近二十年间，以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化，然而，网络功能再强大，网络世界再丰富，终究是虚拟的，与现实世界还是相隔的。互联网必须与传感网络相结合，才能与现实世界相联系。将无线网络和有线网络相互连接，组成一个更大

12、的网络，可以进一步发挥无线网络和有线网络的优势，提高信息传输效率和质量。无线传感器网络和现有网络的融合将带来新的应用。例如，无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合，一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面这两种网络可以利用传感信息实现应用的创新。多个ZigBee设备可以构成一个无线个人区域网，在这个网络中主协调器可以对各个设备进行控制。随着Zighee无线网络技术的广泛应用，如何通过现有网络根底设施(如Internett)对其进行远程管理、控制，逐渐成为该领域的重要研究课题。现如今因特网普及全球，如果能把ZigBee网络同因特网连接起来，那么在世界各个角落都可以对某个Z

13、igBee网络中的设备进行控制，有利于ZigBee技术的进一步开展，因此网关的设计就如一座桥梁紧密地联系着ZigBee网络与因特网。网关在整个传感器网络中起着重要的枢纽作用，是整个传感器网络开展的“瓶颈之一，通过嵌入式网关和Internett做媒介，就使得世界范围内的不同监测区域都可以信息共享，这大大缩小了物理世界的时空距离。1.2 国内外研究现状目前，物联网技术的开展已经上升到国家战略高度，世界多个国家和企业已经开始投入巨资，力争在未来物联网技术革命中抢占制高点。美国总统奥巴马极其重视物联网这种高新技术的开发，并将其视为与开发绿色能源技术同等重要的国家战略。去年年底，世界IT巨头IBM公司首

14、席执行官彭明盛首次抛出“智慧的地球这一概念时，其战略核心就是物联网。这些充分证明，要想把握好信息产业变革的每一次机遇，并不是偶然机遇的垂青，而是充分重视，主动把握时机的结果。我国也在积极的把握这次难得的机遇，温家宝总理提出了建立“感知中国中心的工作，他指出，“当计算机和互联网产业大规模开展时，我们因为没有掌握一些核心技术而走过一些弯路。在传感网开展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术。国家工业和信息化部正在制定我国的“物联网标准，相关负责人表示，我国物联网标准体系己形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案均被采纳。我国在物联网的启动和开展上与国际相比并不落后，我国中长期规划?新绪论

15、一代宽带移动无线通信网?中有重点专项研究开发“传感器及其网络，国内不少城市和省份已大量采用传感网解决电力、交通、公安、农渔业中的所有增强机器设备通信和网络能力的技术的总称(MZM)等信息通信技术的效劳中国通信标准化协会也启动了基于互联网的物联网和基于电信网的物联网的相关标准和研究课题的申报工作。中国的几大电信运营商积极投入“物联网的技术开发和应用的工作:物流信息化、公交视频化、校讯通、农村信息化、渔牧业监控、水文水质等。总而言之，我国物联网技术己经初步掌握其核心技术，自行制定的行业标准纷纷被世界各国所采纳，享有话语权。我国拥有自主知识产权的“唐芯一号已经问世，突破了我国射频电路、模数混合电路、

16、超低功耗等集成电路设计、验证和测试技术，对于我国物联网产业的开展和应用，争取自主知识产权和占领物联网国际制高点，意义重大。中国的物联网技术研发水平处于世界前列，具有重大的影响力，在物联网领域享有国际话语权。中科院1999年就启动了传感网研究，组成了 2000多人的团队，先后投入数亿元，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器终端机、移动基站等取得重大进展。目前已拥有从材料、技术、器件、系统到网络的完整产业链。在世界传感网领域，中国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的主导国之一。ZigBee联盟是企业间的合作组织，致力于提供可靠的、高性价比的、低能耗、无线网络化的、基于开放全球标准

17、的监控产品。ZigBee联盟的目标：通过参加无线网络的功能，为消费者提供更富弹性、易用的电子产品，ZigBee技术应用范围横跨全球民用、商用、政府及工业领域，生产商可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、廉价又节能的各种产品。ZigBee联盟主要关注：制定网络层，平安层、应用层；提供不同产品的协调性及一致性测试规格；拓展ZigBee品牌的全球市场;管理技术演进。截至2021年12月，根据ZigBee联盟官绪论方网站上的数据显示，ZigBee联盟目前有328家会员。ZigBee技术弥补了低功耗、低速率、短距离应用的无线技术标准空缺，有广阔的开展空间与广泛的应用前景，特别适用于

18、构建无所不在的传感器网络。为了推动物联网和ZigBee技术的开展，业界纷纷将ZigBee网络与现有的网络如计算机网络、移动互联网进行互联，来延伸ZigBee网络的使用范围。目前ZigBee网络与以太网互通主要采取两种方案：ZigBee内置IP协议和网关方式。网关是建立在传输层以上的协议转换器，通常它连接两个或多个相互独立的网络，每接收一种协议的数据包后，在转发之前将它转换为另一种协议的格式。网关方式具有效率高、响应实时、可靠性高、功耗低，抗干扰能力强等特点，同时具有很好的通用性。1.3 课题的研究意义和内容物联网的提出突破了将物理设备和信息传送分开的传统思维，实现了物与物的交流，表达了大融合理

19、念，具有很大的战略意义。现有的通信主要是人与人的通信,目前全球的通信用户已经接近于饱和，开展空间有限。而物联网涉及的通信对象更多的是“物，如果这些所谓的“物都纳入物联网通信应用范畴，其潜在可能涉及的通信连接数可达数百亿个，为通信领域的扩展提供了巨大的空间。物联网的接入方式是多种多样的，物联网网关设备是将多种接入手段整合起来，统一互联到接入网络的关键设备。它可满足局部区域短距离通信的接入需求，实现与公共网络的连接，同时完成转发、控制、信令交换和编解码等功能，而终端管理、平安认证等功能保证了物联网业务的质量和平安。物联网网关在未来的物联网时代将会扮演着非常重要的角色，可以实现感知延伸网络与接入网络

20、之间的协议转换，既可以实现广域互联，也可以实现局域互联，将广泛应用于智能家居、智能社区、数字医院、智能交通等各行各业。ZigBee弥补了低功耗、低速率、短距离应用的无线技术标准空缺，有广阔的开展空间与广泛的应用前景，特别适用于构建无所不在的传感器网络。作为面向无线传感器网络的技术标准，ZigBee的目标是建立一个无所不在的传感器网络。基于ZigBee技术的无线网关设计有机地把ZigBee技术与互联网连接起来，实现了数据从现场到互联网的整个传输过程，反之也可以把互联网上的控制信号通过网络发送到现场，实现对现场设备的远程控制，使数据能够双向通信。让ZigBee技术在各个领域的应用也更加广泛、开展前

21、景更加广阔。多个ZigBee设备可以构成一个无线个人区域网，在这个网络中主协调器可以对各个设备进行控制。现如今因特网普及全球，如果能把ZigBee网络同因特网连接起来，那么在世界各个角落都可以对某个ZigBee网络中的设备进行控制，有利于ZigBee技术的进一步开展，因此网关的设计就如一座桥梁紧密地联系着ZigBee网络与因特网。例如在精确农业的应用中，田间或大棚内安装不同的传感器采集各种数据，如光照、温度、湿度、二氧化碳含量等，配合ZigBee模块就可以构成一个或多个ZigBee网络。这些数据可以通过无线网关传送到因特网上，人们就可以在办公室里甚至在任何地方通过网络来控制农田的根本情况。Zi

22、gBee是一种新兴的、低功耗的近距离无线组网通讯技术，被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭监控、平安系统监控等领域的无线技术。随着Zigbee无线传感器网络技术的广泛应用，如何通过现有网络根底设施(Internet)对其现场进行检测、管理和远程控制，逐渐成为该领域的重要研究课题。将Zigbee网络与互联网紧密融合，实现对其有效支持、补充和扩展，是本文讨论的主要内容。 本文针对奥尔斯物联网创新实验系统IOV-T-2530的研究和学习，通过嵌入式网关Cortex A8DB开发板实现了无线传感器网络与互联网的连接和信息交互，使互联网相关设施对现场设备的远程控制成为可能。2 物联网相关

23、理论根底物联网组网采用分层的通信系统架构，包括感知延伸系统、传输系统、业务运营管理系统和各种应用，在不同的层次上支持不同的通信协议，如图2-1 所示。图2-1 物联网网络构架感知延伸系统包括感知和控制技术，由感知延伸层设备以及网关组成，支持包括Lonworks、UPnP、ZigBee 等通信协议在内的多种感知延伸网络。感知设备可以通过多种接入技术连接到核心网，实现数据的远程传输。业务运营管理系统面向物联网范围内的耗能设施，包括了应用系统和业务管理支撑系统。应用系统为最终用户提供计量统计、远程测控、智能联动以及其他的扩展类型业务。业务管理支撑系统实现用户管理、平安、认证、授权、计费等功能。2.1

24、 无线传感器网络概述无线传感器网络(wireless sensor networks，WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术，能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。所谓无线传感器网络是由大量部署在目标区域内的，具备感知、无线通信与计算能力的微小传感器节点所构成的分布式网络系统。传感器网络节点的组成和功能包括如下

25、四个根本单元：传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统以及节点应用程序等组成)、通信单元(由无线通信模块组成)、以及供电单元(电池、太阳能或其他方式)。传感器网络可以根据当时的情况通过自组织方式构成动态的网络拓扑结构。传感器网络节点间一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低本钱的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、平安和应用软件方面

26、的通信技术。ZigBee协议标准使用了IEEE 802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层(MAC)，并在此根底上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。基于ZigBee技术的无线传感器网络应用在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4组织的推动下，结合其他无线技术可以实现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域具有极高的应用价值，而且在未来其应用更将扩展到涉及人类日常生活和社会生产活动的所有领域。无线网络技术按照传输范围来划分，可以分为无线广域网WWAN，无线城域网WMAN，无线局域网WLAN和无线个人域网WPAN。其中的无线个人域网就是所谓的短距

27、离无线网络，各种短距离无线传输技术层出不穷：蓝牙Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi、无线USB，无载波通信技术UWB等, 其中蓝牙Bluetooth、UWB和ZigBee是最受产业界关注的三种标准。Bluetooth虽然本钱低，成熟度高，具有多种标准，但是其传输距离有限，仅为10米，只能组成最多8个节点的星状网，电池也仅能维持数周。 UWB虽然可以实现高达几百Mbps的传输速率，但是其覆盖距离仅为10米，这决定了它主要被用作消费产品中的视频和高速数据解决方案，目前UWB没有网状网络能力。Wi-Fi虽然传输速度可以到达11Mbps，传输距离到达100米，但是其价格相对教昂贵，且功耗大，

28、组网能力差。ZigBee技术专注于低本钱，低功耗和低速率的无线通信市场，因此非常适合应用于物联网无线传感器网络中来。2.2 基于ZigBee的无线组网技术简介2.2.1 ZigBee网络体系ZigBee网络中存在两种功能类型的设备，三种节点类型，三种拓扑结构及两种工作模式。 功能类型ZigBee网络含全功能设备FFDFull Function Device和精简功能设备RFDReduced Function Device两种功能类型的设备。全功能器件拥有完整的协议功能，在网络中可以作为协调器Coordinator、路由器Router和普通节点Device而存在。而精简功能器件旨在实现最简单的协

29、议功能而设计，只能作为普通节点存在于网络中。全功能器件可以与精简功能器件或其他的全功能器件通信，而精简功能器件只能与全功能器件通信，精简功能器件之间不能直接通信。ZigBee网络要求至少有一个全功能设备作为网络协调器。 节点类型ZigBee网络包含三种类型的节点，即协调器ZCZigBee Coordinator、路由器ZRZigBee Router和终端设备ZEZigBee EndDevice，其中协调器和路由器均为全功能设备FFD，而终端设备选用精简功能设备RFD。协调器：一个ZigBee网络PANPersonal Area Network有且仅有一个协调器，该设备负责启动网络，配置网络成员

30、地址，维护网络，维护节点的绑定关系表等，需要最多的存储空间和计算能力。路由器：主要实现扩展网络及路由消息的功能。扩展网络，即作为网络中的潜在父节点，允许更多的设备接入网络。路由节点只有在树状网络和网状网络中存在。 终端设备：不具备成为父节点或路由器的能力，一般作为网络的边缘设备，负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通讯，具体的信息路由那么全部交由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成。 拓扑结构ZigBee网络支持星状网Star Network，树状网Cluster tree Network和网状网Mesh Network三种网络拓扑结构如图2-1所示，依次是星状网

31、络，树状网络和网状网络，在图2-2中的C表示PAN协调器，F表示全功能设备，R表示精简功能设备。图2-2 星状网、树状网和网状网三种拓扑结构星形网Star是由一个ZigBee协调器和一个或多个ZigBee终端节点组成的。ZigBee协调器必须是FFD，它位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点终端节点一般为RFD，也可以为FFD，它们分布在ZigBee协调器的覆盖范围内，直接与ZigBee协调器进行通信。星形网的控制和同步都比拟简单，通常用于节点数量较少的场合。星型网络拓扑的最大优点是结构简单，无需其他路由信息，一切数据包均通过ZigBee协调器。其缺点是限制了无线网络的覆盖范围

32、，很难实现高密度地扩展，最多支持两跳网络，适用于小型网络。目前为止，星形拓扑是最常见的网络配置结构，被大量应用在远程监测和控制终端设备的通信。网络协调器要为网络选择一个唯一的标识符，所有该星型网络中的设备都是用这个标识符来规定自己的属主关系。不同星型网络之间的设备通过设置专门的网关完成相互通信。选择一个标识符后，网络协调器就允许其他设备参加自己的网络，并为这些设备转发数据分组。星型网络中的两个设备如果需要互相通信，都是先把各自的数据包发送给网络协调器，然后由网络协调器转发给对方。树状网络Cluster tree Network由一个协调器和一个或多个星状结构连接而成，枝干末端的叶子节点一般为R

33、FD，设备除了能与自己的父节点或子节点进行点对点直接通讯外，其他只能通过树状路由完成数据和控制信息的传输。ZigBee 协调器比网络中的其它路由器具有更强人的处理能力和存储空间。树状网络的一个显著优点就是它的网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增加，信息的传输时延也会增大。在建立树状网络时，ZigBee协调器建立网络后，先选择网络标识符，将自己的短地址设置为0，然后向它邻近的设备发送信标，接受其他设备的连接，形成树的第一级，此时ZigBee协调器与这些设备之间形成父子关系。与ZigBee协调器建立连接的设备都分配了一个16位的网络短地址。如果以终端设备的身份与网络连接，那么ZigBee协调器分配

34、一个唯一的16位网络地址；如果以路由器的身份与网络连接，那么协调器会为它分配一个地址块包含有假设干16位短地址。路由器根据它接收到的协调器信标的信息，配置并发送它自己的信标，允许其他的设备与自己建立连接，成为其子设备。由此可见，路由器转发消息时通过计算与目标设备的关系，从而决定向自己的父节点转发还是某个子节点转发。网状网络Mesh Network一般是由假设干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与它的无线通信范围内的其它节点通信，即允许网络中所有具有路由功能的节点直接互连。但它们中也有一个会被推荐为ZigBee协调器。网状网络是树状网络根底上实现的，与树状网络

35、不同的是，它是由路由器中的路由表配合来实现数据的网状路由的。Mesh网是一种高可靠性网络，具有“自恢复能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，那么存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余的网络。该拓扑的优点是减少了消息延时、增强了可靠性，缺点是需要更多的存储空间开销。 工作模式ZigBee网络的工作模式可以分为信标模式和非信标模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以到达最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备长期处于工作状态。 在信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间一般在

36、15ms-4mins之间向网络播送信标帧，两个信标帧发送间隔之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区两个局部，消息只能在网络活动区的各个时槽内发送。非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性周期可设置休眠。网络中所有的父节点需要为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠状态，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，并向父节点提取数据，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。2.2.2 ZigBee协议结构ZigBee协议由物理层PHY、介质访问控制子层MAC、网络层N

37、WK， 应用层APL及平安效劳提供层SSP五块内容组成。其 中PHY层和MAC层标准由标准定义，MAC层之上的NWK层， APL层及SSP层，由ZigBee联盟的ZigBee标准定义。APL层由应用支持层 APS，应用框架AF以及ZigBee设备对象ZDO及ZDO管理平台组成。ZigBee技术的整体协议架构如图2-3所示。图2-3 ZigBee协议结构体系PHY层定义了无线射频应该具备的特征，提供了、902MHz928MHz和三种不同的频段，分别支持20Kbps、40Kbps和250Kbps的传输速率，1个、10个以及16个不同的信道。ZigBee的传输距离与输出功率和环境参数有关，一般为10

38、100米之间。PHY层提供两种效劳：PHY层数据效劳和PHY层管理效劳，PHY层数据效劳是通过无线信道发送和接收物理层协议数据单元PPDU，PHY层的特性是激活和关闭无线收发嚣、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。 MAC层使用CSMA-CA冲突防止机制对无线信道访问进行控制，负责物理相邻设备问的可靠链接，支持关联Association和退出关联Disassociation以及MAC层平安。MAC层提供两种效劳：MAC层数据效劳和MAC层管理效劳，MAC层数据效劳通过物理层数据效劳发送和接收MAC层协议数据单元 MPDU。MAC层的主要功能是：进行信标管理、信

39、道接入、保证时隙GTS管理、帧确认应答帧传送、连接和断开连接。NWK层提供网络节点地址分配，组网管理，消息路由，路径发现及维护等功能。NWK层主要是为了确保正确地操作子层和为应用层提供效劳接口。NWK层从概念上包括两个效劳实体：数据效劳实体和管理效劳实体。NWK层的责任主要包括参加和离开一个网络用到的机制、应用帧平安机制和他们的目的地路由帧机制，ZigBee协调器的网络层还负责建立一个新的网络。ZigBee应用层包括应用支持子层APS子层、应用框架AF和ZigBee 设备对象ZDO。APS子层负责建立和维护绑定表，绑定表主要根据设备之间的效劳和他们的需求使设备相互配对。ZigBee的应用框架A

40、F为各个用户自定义的应用对象提供了模板式的活动空间，并提供了键值对KVP效劳和报文MSG效劳供给用对象的数据传输使用。一个设备允许最多240个用户自定义应用对象，分别指定在端点1至端点240上。ZDO可以看成是指配到端点0上的一个特殊的应用对象，被所有ZigBee设备包含，是所有用户自定义的应用对象调用的一个功能集，包括网络角色管理，绑定管理，平安管理等。 ZDO负责定义设备在网络中的角色例如是ZigBee协调器或者ZigBee终端设备、发现设备和决定他们提供哪种应用效劳，发现或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联。平安效劳提供者SSPSecurity Service Provider向

41、NWK层和APS层提供平安效劳。ZigBee协议层与层之间是通过原语进行信息的交换和应答的。大多数层都向上层提供数据和管理两种效劳接口。数据效劳接口的目标是向上层提供所需的常规数据效劳，管理效劳接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。2.2.3 原语的概念OSI开放模型采用分层结构来简化和隔离各层的功能。每一层的效劳是建立在它下层的效劳之上，来为它的上层或者子层里的用户提供效劳的。N层是效劳提供者，N+1层是效劳用户N+1层和N层之间的信息流是由一些离散的、瞬间的事件模拟的，每个事件都是通过传递效劳原语来实现的，通过SAP将效劳原语从一层传递到另一层。 效劳原语是个抽象的概

42、念，我们可以通过描述效劳原语和其特征参数来制定某个效劳。一个效劳可能包含一个或者多个相关的原语，这些原语组成了与特定效劳相关的行为，每个效劳原语可能包含零个或者多个参数，这些参数带有要求提供效劳的信息。 ZigBee标准的各种不同的任务在不同的层次上执行，上层通过下层提供的功能完成所要执行的任务。因此对于一个特定的层来说要完成两方面的功能，向上层提供效劳以及从下层调用效劳。ZigBee上下层间的交互就是通过效劳原语来实现的。 ZigBee标准使用了四种类型的原语，它们是请求原语Request，指示原 语Indication，响应原语Response以及确认原语Confirm： Request：

43、请求原语是从N+1层传递到N层，用以请求发起效劳； Indication：指示原语是从N+1层传递到N层，用以指示一个内部N层事件对于N+1层有重要意义。该事件可能与远端效劳请求逻辑相关，或者它是由N层内部时间引起的； Response：响应原语是从N+1层传递到N层，用以完成指示原语先前调用的程序； Confirm：确认原语是从N层传递到N+1层，用以传递一个或多个先前相关的效劳请求的结果。 2.2.4 ZigBee与其它无线技术比拟将ZigBee、GPRS/GSM、Wi-Fi、Bluetooth几种无线通讯的技术指标汇总成图2-4。与其他几种无线通讯技术相比而言，ZigBee具有低功耗、低

44、价格、低数据传输速率、传输范围小和支持网络节点多的特点，较适合用于具有以下特点的工控领域：(1)产品设备要求本钱较低，传输的数据量较小；(2)设备体积较小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；(3)没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；(4)需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备很多，但仅仅需要监测或控制。只要符合上面的一条，就可以考虑使用ZigBee技术。市场名称标准ZigBeeGPRS/GSMIXRTT/CDMAWi-FiBluetooth应用焦点监控广域网语言及数据传输互联网、电邮、视频传输取代接线系统资源需求4KB-32KB16MB+1MB+250KB+电池寿命天100-1000+1-

45、71-7网络规模接近无限1327频宽KB/s20-25064-128+11000+720传输距离(公尺)1-100+1000+1-1001-10+成功因素高可靠性，低本钱、低功耗高覆盖、高质量高速瓶、富弹性低本钱、方便性图2-4 无线网络标准技术指标汇总比拟2.3 TI Z-Stack协议栈2007年1月，TI公司宣布推出ZigBee协议栈Z-Stack，并于2007年4月提供免费下载版本V。Z-Stack到达ZigBee测试机构德国莱茵集团TUV Rheinland评定的ZigBee联盟参考平台Golden Unit水平，目前已为全球众多ZigBee开发商所广泛采用。Z-Stack符合Zig

46、Bee 2006标准，支持多种平台，其中包括面向IEEE 802.15.4/ZigBee的CC2430片上系统解决方案、基于CC2420收发器的新平台以及TI公司的MSP430超低功耗微控制器MCU。TI Z-Stack是TI公司的ZigBee协议实现，由ZigBee联盟鉴定符合ZigBee协议的平台。它主要包括以下几个方面：1) HAL(硬件描述层)2) OSAL(操作系统描述层)3) ZigBeestaek+IEEE804) 用户应用层5) MT(支持通过串口与PC机进行通信)ZigBee协议栈运行在一个称为OSAL的操作系统层上，所以要进行ZigBee开发必须熟悉OSAL。OSAL 操作

47、系统描述层基于任务调度机制，它是通过对任务的事件触发来实现任务调度。每个任务都包含假设干个事件，每个事件都对应一个事件号。当一个事件产生时，对应任务的Event中该事件的标志位就被设置，这样事件调度就会调用相应的任务处理程序。OSAL中的任务可以通过任务API将其添加到系统中，可以实现多任务机制。2021年5月推出的Z-Stack 软件可与奥尔斯电子的 OURS-IOTV2平台协同工作，该平台基于TI的CC2530片上系统。该软件提供了其所支持的应用范例库，其中包括智能能源、家庭自动化以及无线下载 (OAD) 等功能。 TI Z-Stack 软件架构事实上，TI Z-Stack协议栈是基于一个

48、轮转查询式操作系统的。 Z-Stack的main函数在ZMain.c中，总体上来说，它一共做了两件工作，一个是系统初始化，即由启动代码来初始化硬件系统和软件构架需要的各个模块，另外一个就是开始执行操作系统实体，如图2-5所示。 图 2-5 协议栈主要流程系统初始化系统启动代码需要完成初始化硬件平台和软件架构所需的要的各个模块，微操作系统的运行做好准备工作，主要分为初始化系统时钟，检测芯片工作电压，初始化堆栈，初始化各个硬件模块，初始化FLASH存储，形成芯片MAC地址，初始化非易失变量，初始化MAC层协议，初始化应用帧层协议，初始化操作系统等十余局部。 操作系统的执行启动代码为操作系统的执行做

49、好准备工作以后，就开始执行操作系统入口程序，并由此彻底将控制权交给操作系统，完成新老更替，自己那么荣耀地退出舞台。其实，操作系统实体只有一行代码： Osal_start_system()； /no return from here 可以看到这句代码有句注释，意思是本函数不会返回，也就是说他是一个死循环，永远不可能执行完。即操作系统从启动代码接到程序的控制权之后，就大全在握，不肯再把这个权利拱手相让给别人了。这个函数就是轮转查询式操作系统的主体局部，他所做的就是不断地查询每个任务是否有事件发生，如果发生，执行相应的函数，如果没有发生，就查询下一个任务。 2.4 ZigBee开发根底IEEE 80

50、2.15.4协议栈的结构基于开放式系统互联(OSI)的七层模型，每一层实现一局部通信功能，并向高层提供效劳。ZigBee协议栈是开发802.15.4/ZigBee技术必须的关键。本文采用TI免费协议栈，工具采用IAR Embedded Workbench for软件8051，在TI免费协议栈的根底上，通过修改其应用层来实现不同的功能。对于不同的工程来说，大局部的代码都是相同的，只是在用户应用层，添加了不同的任务及事件处理函数。无需改动Z-Stack核心代码，大大增加了工程的通用性和易移植性。；Osal_SampleApp.c。前面讲述了TI Z-Stack的软件架构，为了能进一步地利用Z-St

51、ack协议栈开发实际的Zigbee工程，下面将介绍一些Zigbee的相关概念。 设备类型在Zigbee网络中存在三种逻辑设备类型：协调器coordinator，路由器router和终端设备end-device。Zigbee网络由一个协调器以及多个路由器和多个中断设备组成。协调器是整个网络的核心，他最主要的作用是i启动网络，其方法是选择一个相对的空闲的信道，形成一个PADIN。他也会协助建立网络中的平安层及处理应用层的绑定。当整个网络启动和配置完成之后，它的功能退化为一个普通的路由器。 路由器的主要功能是提供接力作用，能扩展信号的传输范围，因此一般情况下他应该一直处于活动状态，不应休眠。终端设备

52、可以睡眠或者唤醒，因此用电池来供电。 信道2.4Ghz的射频频段被分为16个独立的信道。每一个设备都有一个DFFAULTCHANLIST的默认信道集。协调器扫描自己的默认信道集并选择噪声最小的信道作为自己所建的网络信道。终端节点和路由器也要扫描默认信道集并选择一个信道上已经存在的网络参加。 PANIDPANID指网络编号，用于区分不同的ZigBee网络设备的PANID值与ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值的设置有关。如果协调器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置为0xffff，那么协调器将产生一个随机的PANID，如果路由器和终端节点的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置为

53、0xFFFF，路由器和终端节点将会在自己的默认信道上随机的选择一个网络参加，网络协调器的PANID即为自己的PANID。如果协调器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置为非0xFFFF值，那么协调器根据自身的网络长地址IEEE地址或ZDAPP_CONFIG_PAN_ID随机产生的PANID不同的是如果路由器和终端节点的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值设置为非0xFFFF，那么会以ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值作为PANID。 如果协调器PANID的设置值小于等于0x3FFF的有效值，协调器就会以这个特定的PANID值建立网络，但是如果在默认信道上已经有了该PANID值的

54、网络存在，那么协调器会继续搜寻其他的PANID，直到找到网络不冲突为止，这样就有可能产生一些问题：如果协调器因为在默认信道上发生PANID冲突而更换PANID，而终端节点并不知道协调器已经更换PANID，还是继续参加到PANID为ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值的网络中。 描述符ZigBee网络中的所有设备都有一些描述符，用来描述设备类型和应用方式。描述服包含节描述符，电源描述符和默认用户描述符等。通过改变这些描述符可以定义自己的设备。描述符的定义和创立配置项在文件ZDOConfig.h和ZDOConfig.c中完成。描述符信息可以被网络中的其他设备获取。3 基于ARM微处理器的嵌入式

55、网关总体设计3.1 网关设计的根本要求网关的位置位于无线传感器网络与互联网之间，要具有很好的协作能力，能够具备同一区域不同网关间协作、终端移动过程中的协作管理；要具备移动能力，网关本身在移动过程中能够保持与网络的连接能力；要具备信令处理能力，能够转换无线传感网络与互联网间的交互信令、数据;要具备数据储藏能力，能够在需要时保存终端节点的位置、路由、认证、其他数据信息等。结合ZigBee和以太网的数据传输体系包括ZigBee网络和以太网络两局部。网关是建立在传输层上的协议转换器，连接ZigBee网络和以太网两个相互独立的网络。网关在整个无线网络中具有唯一性，所有无线节点数据均发送给网关，并由其进行

56、地址、协议转换，提取出有效信息数据重新封转成TCP/IP数据包后发送给以太网；反之，以太网数据也需由网关进行地址、协议转换后，才发送给ZigBee网络。总之，嵌入式网关是以太网数据与ZigBee无线网络数据交换的中转站。网关在网络中的位置如图3-1所示：图3-1 ZigBee无线网络与Internet互通的体系结构3.2 网关功能模块的组成网关是整个物联网的核心，是无线传感器网络与互联网之间的一个节点，作为入口节点，它应具有网关和效劳器的功能。网关是整个物联网网络的核心是处于广域网和外部网络中间的一个节点。作为入口节点，它应具有网关和效劳器的功能，一方面，网关要支持TCP/IP协议议并能提供W

57、EB效劳，从而允许客户远程访问它。以ARM微处理器为中心建立网关硬件平台，对外通过以太网接入公共网络，对内将无线传感器节点组成的无线传感器网络连成一体，用户通过远端PC就可以对整个网络进行控制。整个通信系统可以分为三个模块: ZigBee网络内部通信模块，网关的ZigBee网络通信模块，网关的因特网通信模块。ZigBee网络内部通信模块采用星形网络拓扑结构，由一个协调器选择PANID标识符，负责网络的建立和维护，其他设备都必须通过协调器进行数据转发实现互相通信。网关的ZigBee网络通信模块，ZigBee协调器通过串口与网关相连，协调器收到其他ZigBee节点发来的数据后，交给应用层，应用层通

58、过调用串口API发到网关。网关将网络发送来的数据通过串口交给协调器，协调器再将数据封装，加上ZigBee的短地址发送出去。网关的因特网通信模块，采用以太网口，B/S通信模式，将网关设置为效劳器，启动监听任务等待客户端的连接请求。嵌入式网关采用由硬件层、软件层和应用层构成模块化的分层设计方案，总体结构如图3-2所示。图3-2 嵌入式网关的总体结构3.3 嵌入式网关的硬件设计按模块划分网关主要由以太网模块、供电模块、主控模块、存储模块、LCD显示模块和Zigbee模块组成。主控模块为整个网关的核心模块，负责Zigbee网络及以太网数据的收发、网间协议转换、网间地址解析等。选取基于ARM Corte

59、x-A8内核的TI公司新一代移动应用处理器OMAP3530，运行频率为412MHz，配置256 M SDRAM和256 M NAND Flash,以太网网卡提供100 M传输速率；LCD显示模块选用液晶触摸屏。Zigbee模块的射频收发芯片选用CC2530，TI标准的射频收发器，能够实现点对多点的快速组网。嵌入式网关硬件结构如图3-3所示。图3-3 嵌入式网关硬件结构3.4 嵌入式网关的软件设计嵌入式网关软件主要由硬件设备底层驱动、Wince6.0操作系统与协议栈的裁剪与移植和网关应用程序三大局部构成。通过系统的软件设计可以完成系统控制及Zigbee网络和以太网通信等。硬件设备底层驱动是对物理

60、硬件设备功能的软件封装，提供软件接口给Wince6.0操作系统内核调用。网关驱动主要由以太网网卡驱动、串口驱动、外部存储器驱动、LCD驱动和板载初始化等构成。软件平台参考模型如图3-4所示。图3-4 软件平台参考模型4 物联网嵌入式网关Cortex A8DB概述4.1 嵌入式网关Cortex A8DB开发板简介作为物联网创新实验系统IOV-T-2530中的嵌入式网关，CORTEX A8DB开发板采用TI公司新一代移动应用处理器OMAP3530，该处理器在单一的芯片上集成了600-MHz ARM Cortex-A8 Core、412MHz TMS320C64x+ DSP Core、图形引擎、视频

61、加速器以及丰富的多媒体外设。Cortex-A8内核基于ARMv7指令架构，是ARM公司有史以来性能最强劲的一款处理器，适用于复杂操作系统及用户应用，运行速度可以达600MHz至1GHz，功耗在300mW以下，而性能却高达2000MIPS。Cortex-A8处理器复杂的流水线架构基于双对称的，顺序发射的，13级流水线，带有先进的动态分支预测，可实现2.0 DMIPS/MHz。10级NEON媒体流水线，专用的L2缓存，带有可编程的等待状态，支持多项与L3存储器之间的未完成事务，以充分利用CPU。 CORTEX A8DB开发板CORTEX A8DB开发板采用核心板外加底板的模式，提供了7寸TFT 2

62、4位液晶触摸屏，接口资源丰富，扩展了通用的存储器、通讯接口。在很小的体积下构成了高性能、低功耗的嵌入式最小系统，成为下一代智能 、GPS系统、媒体播放器以及全新便携式设备等嵌入式应用的最正确选择。嵌入式网关CORTEX A8DB 开发板及核心板如图4-1、4-2所示。图4-1嵌入式网关CORTEX A8DB 开发板图4-2 网关核心板其参数如下表所示：嵌入式网关(Cortex-A8小型化开发板，7寸液晶屏)CPUARM Cortex-A8 600M以上DDR 256MFLASH 256M以太网100M Ethernet controller SD cardSD 卡控制器USB HOST 4个U

63、SB CLIENT1个RS232接口 3路液晶屏7 寸 TFT LCD包含触摸屏和有机玻璃外壳 16：9 显示，分辨率：800 480音频AC97 标准音频触摸屏电阻式触摸屏LED显示9 个 LED 工作状态指示按键4个功能按键 无线广域接入模块GPRS/3G TI OMAP3530应用处理器TI推出的新一代移动应用处理器OMAP3530，是专门为智能 、GPS 系统和笔记本电脑等低功耗便携式应用而设计。OMAP3530 在单一的芯片上集成了 ARM Cortex-A8内核、TMS320C64x+ DSP 内核、图形引擎、视频加速器以及丰富的多媒体外设，其中Cortex-A8 内核拥有超过当今 300MHz ARM9 器件4倍的处理性能。 OMAP3530应用处理器基于增强型OMAP 3架构，可广泛用于流媒体、2D/3D游戏、视频会议、高分辨率静态图像、3G多媒体 、高性能PDA等应用，它包含高性能移动产品所需的高效电源管理技术。 具有更高速度的OMAP3530应用处理器与评估板(EVM)不但可为设计人员运行最新应用特性提供更高性能，而且还可为添加其自身的IP预留空间。该款最新OMAP3530处理器采用720MHz ARM Cortex-A8内核与520MHz TMS