【正文】 gBee技術的無線網關設計有機地把ZigBee技術與互聯(lián)網連接起來，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)從現(xiàn)場到互聯(lián)網的整個傳輸過程，反之也可以把互聯(lián)網上的控制信號通過網絡發(fā)送到現(xiàn)場，實現(xiàn)對現(xiàn)場設備的遠程控制，使數(shù)據(jù)能夠雙向通信。它可滿足局部區(qū)域短距離通信的接入需求，實現(xiàn)與公共網絡的連接，同時完成轉發(fā)、控制、信令交換和編解碼等功能，而終端管理、安全認證等功能保證了物聯(lián)網業(yè)務的質量和安全。 課題的研究意義和內容物聯(lián)網的提出突破了將物理設備和信息傳送分開的傳統(tǒng)思維，實現(xiàn)了物與物的交流，體現(xiàn)了大融合理念，具有很大的戰(zhàn)略意義。為了推動物聯(lián)網和ZigBee技術的發(fā)展，業(yè)界紛紛將ZigBee網絡與現(xiàn)有的網絡（如計算機網絡、移動互聯(lián)網）進行互聯(lián)，來延伸ZigBee網絡的使用范圍。ZigBee聯(lián)盟主要關注：制定網絡層，安全層、應用層；提供不同產品的協(xié)調性及一致性測試規(guī)格；拓展ZigBee品牌的全球市場。目前已擁有從材料、技術、器件、系統(tǒng)到網絡的完整產業(yè)鏈?？偠灾?，我國物聯(lián)網技術己經初步掌握其核心技術，自行制定的行業(yè)標準紛紛被世界各國所采納，享有話語權。在傳感網發(fā)展中，要早一點謀劃未來，早一點攻破核心技術。美國總統(tǒng)奧巴馬極其重視物聯(lián)網這種高新技術的開發(fā)，并將其視為與開發(fā)綠色能源技術同等重要的國家戰(zhàn)略。隨著Zighee無線網絡技術的廣泛應用，如何通過現(xiàn)有網絡基礎設施(如Internett)對其進行遠程管理、控制，逐漸成為該領域的重要研究課題。將無線網絡和有線網絡相互連接，組成一個更大的網絡，可以進一步發(fā)揮無線網絡和有線網絡的優(yōu)勢，提高信息傳輸效率和質量。這些優(yōu)點使得Zighee和無線傳感器網絡完美地結合在一起。無線傳感器網絡是當前在國際上備受關注的、涉及多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現(xiàn)代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會三元世界的連通。隨著信息技術、網絡技術的快速發(fā)展，物聯(lián)網時代即將到來。物聯(lián)網被稱為信息產業(yè)的第三次浪潮。無線傳感器網絡并不需要較高的傳輸帶寬，但卻需要較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列。目前，基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的研究和開發(fā)己得到越來越多的關注。無線傳感器網絡和現(xiàn)有網絡的融合將帶來新的應用。現(xiàn)如今因特網普及全球，如果能把ZigBee網絡同因特網連接起來，那么在世界各個角落都可以對某個ZigBee網絡中的設備進行控制，有利于ZigBee技術的進一步發(fā)展，因此網關的設計就如一座橋梁緊密地聯(lián)系著ZigBee網絡與因特網。去年年底，世界IT巨頭IBM公司首席執(zhí)行官彭明盛首次拋出“智慧的地球”這一概念時，其戰(zhàn)略核心就是物聯(lián)網?！眹夜I(yè)和信息化部正在制定我國的“物聯(lián)網”標準，相關負責人表示，我國物聯(lián)網標準體系己形成初步框架，向國際標準化組織提交的多項標準提案均被采納。我國擁有自主知識產權的“唐芯一號”已經問世，突破了我國射頻電路、模數(shù)混合電路、超低功耗等集成電路設計、驗證和測試技術，對于我國物聯(lián)網產業(yè)的發(fā)展和應用，爭取自主知識產權和占領物聯(lián)網國際制高點，意義重大。在世界傳感網領域，中國與德國、美國、韓國一起，成為國際標準制定的主導國之一。管理技術演進。目前ZigBee網絡與以太網互通主要采取兩種方案：ZigBee內置IP協(xié)議和網關方式?，F(xiàn)有的通信主要是人與人的通信,目前全球的通信用戶已經接近于飽和，發(fā)展空間有限。物聯(lián)網網關在未來的物聯(lián)網時代將會扮演著非常重要的角色，可以實現(xiàn)感知延伸網絡與接入網絡之間的協(xié)議轉換，既可以實現(xiàn)廣域互聯(lián)，也可以實現(xiàn)局域互聯(lián)，將廣泛應用于智能家居、智能社區(qū)、數(shù)字醫(yī)院、智能交通等各行各業(yè)。讓ZigBee技術在各個領域的應用也更加廣泛、發(fā)展前景更加廣闊。這些數(shù)據(jù)可以通過無線網關傳送到因特網上，人們就可以在辦公室里甚至在任何地方通過網絡來控制農田的基本情況。 本文針對奧爾斯物聯(lián)網創(chuàng)新實驗系統(tǒng)IOVT2530的研究和學習，通過嵌入式網關Cortex A8DB開發(fā)板實現(xiàn)了無線傳感器網絡與互聯(lián)網的連接和信息交互，使互聯(lián)網相關設施對現(xiàn)場設備的遠程控制成為可能。業(yè)務運營管理系統(tǒng)面向物聯(lián)網范圍內的耗能設施，包括了應用系統(tǒng)和業(yè)務管理支撐系統(tǒng)。它綜合了傳感器、嵌入式計算、現(xiàn)代網絡及無線通信和分布式信息處理等技術，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)同完成對各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息的實時監(jiān)測、感知和采集，這些信息通過無線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)物理世界、計算世界以及人類社會這三元世界的連通。傳感器網絡節(jié)點間一般采用多跳的無線通信方式進行通信。基于ZigBee技術的無線傳感器網絡應用在ZigBee聯(lián)盟和IEEE ，結合其他無線技術可以實現(xiàn)無所不在的網絡。Bluetooth雖然成本低，成熟度高，具有多種規(guī)范，但是其傳輸距離有限，僅為10米，只能組成最多8個節(jié)點的星狀網，電池也僅能維持數(shù)周。 基于ZigBee的無線組網技術簡介 ZigBee網絡體系ZigBee網絡中存在兩種功能類型的設備，三種節(jié)點類型，三種拓撲結構及兩種工作模式。全功能器件可以與精簡功能器件或其他的全功能器件通信，而精簡功能器件只能與全功能器件通信，精簡功能器件之間不能直接通信。路由器：主要實現(xiàn)擴展網絡及路由消息的功能?！?拓撲結構ZigBee網絡支持星狀網（Star Network），樹狀網（Cluster tree Network）和網狀網（Mesh Network）三種網絡拓撲結構如圖21所示，依次是星狀網絡，樹狀網絡和網狀網絡，在圖22中的C表示PAN協(xié)調器，F(xiàn)表示全功能設備，R表示精簡功能設備。星型網絡拓撲的最大優(yōu)點是結構簡單，無需其他路由信息，一切數(shù)據(jù)包均通過ZigBee協(xié)調器。不同星型網絡之間的設備通過設置專門的網關完成相互通信。ZigBee 協(xié)調器比網絡中的其它路由器具有更強人的處理能力和存儲空間。如果以終端設備的身份與網絡連接，則ZigBee協(xié)調器分配一個唯一的16位網絡地址；如果以路由器的身份與網絡連接，則協(xié)調器會為它分配一個地址塊（包含有若干16位短地址）。但它們中也有一個會被推薦為ZigBee協(xié)調器?！?工作模式ZigBee網絡的工作模式可以分為信標模式和非信標模式兩種。網絡中所有的父節(jié)點需要為自己的ZE子節(jié)點緩存數(shù)據(jù)幀，所有ZE子節(jié)點的大多數(shù)時間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點握手以確認自己仍處于網絡中，并向父節(jié)點提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉入數(shù)據(jù)傳輸模式一般只需要15ms。ZigBee技術的整體協(xié)議架構如圖23所示。 MAC層使用CSMACA沖突避免機制對無線信道訪問進行控制，負責物理相鄰設備問的可靠鏈接，支持關聯(lián)（Association）和退出關聯(lián)（Disassociation）以及MAC層安全。NWK層從概念上包括兩個服務實體：數(shù)據(jù)服務實體和管理服務實體。ZigBee的應用框架（AF）為各個用戶自定義的應用對象提供了模板式的活動空間，并提供了鍵值對（KVP）服務和報文（MSG）服務供應用對象的數(shù)據(jù)傳輸使用。安全服務提供者SSP（Security Service Provider）向NWK層和APS層提供安全服務。 原語的概念OSI開放模型采用分層結構來簡化和隔離各層的功能。一個服務可能包含一個或者多個相關的原語，這些原語組成了與特定服務相關的行為，每個服務原語可能包含零個或者多個參數(shù)，這些參數(shù)帶有要求提供服務的信息。 ZigBee規(guī)范使用了四種類型的原語，它們是請求原語（Request），指示原 語（Indication），響應原語（Response）以及確認原語（Confirm）：① Request：請求原語是從N+1層傳遞到N層，用以請求發(fā)起服務；② Indication：指示原語是從N+1層傳遞到N層，用以指示一個內部N層事件對于N+1層有重要意義。只要符合上面的一條，就可以考慮使用ZigBee技術。TI ZStack是TI公司的ZigBee協(xié)議實現(xiàn)，由ZigBee聯(lián)盟鑒定符合ZigBee協(xié)議的平臺。當一個事件產生時，對應任務的Event中該事件的標志位就被設置，這樣事件調度就會調用相應的任務處理程序?！?TI ZStack 軟件架構事實上，TI ZStack協(xié)議棧是基于一個輪轉查詢式操作系統(tǒng)的。其實，操作系統(tǒng)實體只有一行代碼： Osal_start_system()； //no return from here 可以看到這句代碼有句注釋，意思是本函數(shù)不會返回，也就是說他是一個死循環(huán)，永遠不可能執(zhí)行完。用戶只需外加三個文件就可以完成一個項目?！?設備類型在Zigbee網絡中存在三種邏輯設備類型：協(xié)調器（coordinator），路由器（router）和終端設備（enddevice）。當整個網絡啟動和配置完成之后，它的功能退化為一個普通的路由器。每一個設備都有一個DFFAULTCHANLIST的默認信道集。如果協(xié)調器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設置為0xffff，則協(xié)調器將產生一個隨機的PANID，如果路由器和終端節(jié)點的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設置為0xFFFF，路由器和終端節(jié)點將會在自己的默認信道上隨機的選擇一個網絡加入，網絡協(xié)調器的PANID即為自己的PANID。描述服包含節(jié)描述符，電源描述符和默認用戶描述符等。要具備數(shù)據(jù)儲備能力，能夠在需要時保留終端節(jié)點的位置、路由、認證、其他數(shù)據(jù)信息等?？傊?，嵌入式網關是以太網數(shù)據(jù)與ZigBee無線網絡數(shù)據(jù)交換的中轉站。以ARM微處理器為中心建立網關硬件平臺，對外通過以太網接入公共網絡，對內將無線傳感器節(jié)點組成的無線傳感器網絡連成一體，用戶通過遠端PC就可以對整個網絡進行控制。網關將網絡發(fā)送來的數(shù)據(jù)通過串口交給協(xié)調器，協(xié)調器再將數(shù)據(jù)封裝，加上ZigBee的短地址發(fā)送出去。主控模塊為整個網關的核心模塊，負責Zigbee網絡及以太網數(shù)據(jù)的收發(fā)、網間協(xié)議轉換、網間地址解析等。圖33 嵌入式網關硬件結構 嵌入式網關的軟件設計嵌入式網關軟件主要由硬件設備底層驅動、。軟件平臺參考模型如圖34所示。10級NEON媒體流水線，專用的L2緩存，帶有可編程的等待狀態(tài)，支持多項與L3存儲器之間的未完成事務，以充分利用CPU。圖41嵌入式網關（CORTEX A8DB 開發(fā)板）圖42 網關核心板其參數(shù)如下表所示：嵌入式網關(CortexA8小型化開發(fā)板，7寸液晶屏)CPUARM CortexA8 600M以上DDR 256MFLASH 256M以太網100M Ethernet controller SD cardSD 卡控制器USB HOST 4個USB CLIENT1個RS232接口 3路液晶屏7 寸 TFT LCD（包含觸摸屏和有機玻璃外殼） 16：9 顯示，分辨率：800 480音頻AC97 標準音頻觸摸屏電阻式觸摸屏LED顯示9 個 LED 工作狀態(tài)指示按鍵4個功能按鍵 無線廣域接入模塊GPRS/3G● TI OMAP3530應用處理器TI推出的新一代移動應用處理器OMAP3530，是專門為智能手機、GPS 系統(tǒng)和筆記本電腦等低功耗便攜式應用而設計。該款最新OMAP3530處理器采用720MHz ARM CortexA8內核與520MHz TMS320C64x+ DSP，可幫助用戶加速訪問數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)手冊、演示文檔、電子郵件、音視頻附件、Web瀏覽以及視頻會議應用。該產品提供515針PBGA 封裝(CBB后綴)、515針PBGA 封裝(CBC后綴)和423針PBGA 封裝(CUS后綴)等多種版本，支持的操作系統(tǒng)包括Windows CE，Symbian OS，Linux，Palm OS等。它第一次為低費用、高容量的產品帶來了臺式機級別的性能。該處理器配置了先進的超標量體系結構流水線，能夠同時執(zhí)行多條指令，并且提供超過 DMIPS/MHz 的性能。在使用小于4 mm2 的硅片及低功耗的65nm工藝的情況下，CortexA8 處理器的運行頻率將高于 600MHz(不包括NEON追蹤技術和二級高速緩沖存儲器)。 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇標準(1)內核的大小與性能 內核大小是衡量嵌入式操作系統(tǒng)的重要性能指標之一，一般只有幾十KB到幾KB，微內核是一種較好的機制與策略分離的開放式內核模式。 提供的裁減粒度越小，用戶對嵌入式操作系統(tǒng)配置的靈活性則越大。支持的嵌入式處理器的種類數(shù)量。 交叉開發(fā)工具的集成性（包括是否提供編輯器、編譯器、鏈接器、調試器、仿真器、工程管理器等）與開放性。第二，Linux的源代碼隨處可得，注釋豐富，文檔齊全，易于解決各種問題。第五，Linux不僅支持x86芯片，還是一個跨平臺的系統(tǒng)。第七，Linux在內核結構的設計中考慮適應系統(tǒng)的可裁減性的要求，WindowsCE在內核結構的設計中并未考慮適應系統(tǒng)的高度可裁減性的要求。WindowsCE提供的功能模塊組件豐富，尤其是在圖形界面接口GUI和多媒體方面具有明顯優(yōu)勢，適用于信息設備。作為桌面操作系統(tǒng) Windows 的繼承者，WindowsCE 繼承了它的操作簡易性，其友好的界面使用慣了 Windows 的用戶可以很快的上手，這個一直是 WindowsCE 系列的一大優(yōu)勢。 WindowsCE在嵌入式領域的應用在這里所指的嵌入式領域一般包括儀器、工業(yè)自動化控制、醫(yī)療、信息終端等。 目前， 程序開發(fā)人員已經可以利用Visual ，開發(fā)基于Windows CE 的患者監(jiān)護儀、影像設備、遠程和本地醫(yī)療診斷設備等嵌入式產品，在提高醫(yī)院工作效率的同時，極大地方便了患者和醫(yī)生。超級終端輸出啟動打印信息，按[SPACE]進入EBOOT菜單。（5） 拔除SD卡，后重新啟動系統(tǒng)。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標準增強8051MCU內核，支持一般的低功耗無線通信，CC2530還可