基于ZigBee的温度检测智能网关的研究

唐莉莉

摘要：物联网网关是对异构网络的整合。物联网网关由传感器网络和公共传输网络两部分组成。对于物联网网关，目前研究的热点问题是传感器网络和网关如何接入公共网络。本文着重研究的是以嵌入式技术为应用平台，利用Zigbee的无线传感器网络良好性能与优势并借助传统的Internet基础应用技术设计的一个在室内环境下实现温度监测的智能网关。

关键词：ZigBee；无线传感器网络；嵌入式系统

本文研究设计的物联网网关要通过串口处理来自WSN节点的数据，这就决定了实现物联网网关的硬件平台必须可以提供足够强大的网络支持，而且还需要支持TCP/IP协议。

一、网关设计基本要求

网关是广域网和外部网络中间的一个节点，作为入口节点的它，一方面，要能接受允许客户的远程访问，即要支持TCP/IP协议议并能提供WEB服务。另一方面，从用户体验角度来看，用户要能通过远端PC对整个网络进行控制。在本文网关设计中，硬件平台是ARM微处理器，它对外就是把以太网接入公共网络，对内就是把无线传感器节点组成无线传感器网络连成一体。通俗的说就是网关不仅要具有他本身应有的功能，还应具有服务器的功能。

二、网关软件总体构架

物联网网关处于物联网体系结构中的汇聚层，其两端连接的分别是传感网络和公共传输网络。在本设计中，采用RS-232/485与Wi-Fi接入的方式实现传感网络的通信，公共网络端采用的是基于以太网接入的方式。

ZigBee内部连通就是一个星形拓扑结构，这个拓扑结构由一个负责分配ID和地址、并对其他网络节点传送的信息进行数据封装的协调器（PAN）构成，其他节点也只能通过这个协调器来和外部网络进行信息交换。ZigBee网络与网关的通信主要是通过串口，当协调器收到来自链路节点的数据时，就把信息传送到应用层，应用层再调用串口API传送到网关，网络主要就是根据内部协议转换机制把该数据转换成可以接受的数据，然后再发送到互联网。网关到互联网通信机制是双向的，所以完成其中一步的通信即可。它们的通信用串口就可以实现，互联网的数据通过串口发送到协调器，数据封装后，根据ZigBee的短地址（MAC地址与物理地址）发送出去。

三、网关硬件总体构架

无线传感器网络（WSN）是由许多在监测区域内分布的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，它使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况并进行相应的数据采集与处理，最终将其报告给用户。

对于WSN的应用来说，综合考虑实现时软硬件的各个方面，通信协议的选取就显得尤为重要。WSN通信协议特点如下：

1、节点的通信协议要求简单。避免受到如传感器节点的能源储备、计算与处理能力、存储量、通信能力等限制。

2、通信协议应具有对应的处理体系。防止拓扑结构随着外界环境变化而变化。

3、采用模块化设计。为了使传感器网络的通信协议针对不同的应用有不同的配置。

目前，在WSN的应用中，ZigBee技术应用最为广泛。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协定，它主要优势是低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。

ZigBee协议栈由层模块组成。每一层都执行一组特定的服务：如数据实体提供数据传输，管理实体提供所有其他的服务。

每个SAP都能支持多种服务原语来实现要求的功能，而这个SAP则是由上一层提供的接口。

四、核心技术

核心支撑技术就是建立在通信协议的基础之上的一个具有具体应用环境的网络系统，并且通过操作协议的应用层服务接口来封装对底层的操作。WSN的核心支撑技术如下：

（1）拓扑控制。路由协议的基础，网络的生产时间受其影响比较大。为了有效的减少通信间的通信干扰，必须选择符合要求的拓扑结构与功率。

（2）节点定位。原理是根据一定的算法在已知节点基础上定位未知节点。节点定位在有些场合是比较重要的，如森林火灾。

（3）时间同步。节点间时间的必须是同步的，因为WSN中是分布式协同工作。

（4）数据管理与融合。为更好地管理传感器网络数据，需要将用户屏蔽在技术之外且能够友好地控制WSN，使物理网络逻辑化。

五、嵌入式系统

目前，应用最广泛的专用电子系统非嵌入式系统莫属。随着应用范围的扩展与延伸，对技术广度和深度的要求也越来越苛刻，主要体现在智能控制的应用与处理信息的能力，以及对设备的成本的高低、性能好坏、开发周期长短和可靠性高低等的關注。

1、嵌入式处理器

在功能上，物联网网关既要作为无线传感器网络的控制中心，又要实现一个嵌入式WEB服务器，即既要满足到远程控制的需要，又要考虑到室内近程控制的便捷性。故硬件电路中应包含以下的功能电路：能实现通信、控制和管理，能实现网络连接，能执行射频模块的无线收发信息，能实现近程控制的基本输入输出。

嵌入式处理器核心是嵌入式系统，纵观整个嵌入式处理器应用市场，单片机的成功案例虽然尤为显著，而单纯的单片机或微控制器技术显然已经无法满足需求。而ARM芯片凭借处理能力强和功耗低等优势一举抢占市场先机，并逐步渗透到我们生活的各个领域。基于ARM芯片的优势考虑，本设计选取了Cortex-A8系列中的互联型产品S5PV210作为总控制芯片。因为它的片内外设非常丰富，大可不必再对存储器再扩展，从而开发成本也减少了，开发难度也降低了。

2、嵌入式 TCP/IP

在Internet上所使用的TCP/IP协议是一个分层设计的协议集合，每一层有每一层的功能。在嵌入式系统中的TCP/IP具有其显著的特点：

（1）存储使用量减少。为了不影响到系统性能和成本，在实现嵌入式系统中应该想尽办法减少存储空间的使用量。

（2）高度可裁剪性。为满足不同应用的需求，在协议栈的实现必须高度模块化，以方便更好地实现对目标系统的可栽剪。通常可裁剪程度同代码实现的模块化程度成正比。

（3）可移植性强。嵌入式系统硬件平台虽然很多，但我们平时在设计时应注意在实现的过程中应避免语言的不协调性。同时为了提高代码的复用率，在硬件驱动层我们必须进行高精度的抽象和封装，使协议独立于平台。

综上所述，本文对物联网服务网关的结构与它在物联网应用中的功能作了深入分析，根据需求设计出系统总体方案，并分析了实现该设计系统所需要的核心技术，即无线传感器网络和嵌入式系统。