?ZigBee工業(yè)以太網網關設計?是一種將ZigBee網絡與工業(yè)以太網進行透明接入的解決方案，主要用于工業(yè)現(xiàn)場的短距離無線控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。這種設計通過內嵌嵌入式WebServer，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)。

設計原理和應用場景

ZigBee工業(yè)以太網網關設計通過ZigBee協(xié)議實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的短距離無線控制、監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸。網關內嵌的WebServer使得用戶可以通過瀏覽器直接訪問或修改儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控、遠程診斷等功能。當網關接入GPRS或互聯(lián)網后，用戶可以隨時隨地訪問工業(yè)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，進行遠程組態(tài)、診斷和操作?1。

硬件組成和功能

ZigBee工業(yè)以太網網關的硬件設計通常包括以下部分：

?核心處理器?：如AT91SAM9260，這是一款高性能ARM9處理器，主頻可達200MHz，帶有以太網MAC，適用于擴展以太網功能?1。

?ZigBee射頻模塊?：用于與ZigBee設備進行無線通信?2。

?以太網接口單元電路?：實現(xiàn)與以太網的連接和數(shù)據(jù)傳輸?2。

實際應用案例

在實際應用中，ZigBee工業(yè)以太網網關可以廣泛應用于各種工業(yè)現(xiàn)場，如工廠內的傳感器網絡、儀表監(jiān)控等。通過該網關，可以實現(xiàn)設備的遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)交互和故障診斷，極大地提高了工業(yè)生產的效率和可靠性?1。

工業(yè)無線通訊技術是繼工業(yè)以太網、工業(yè)現(xiàn)場總線技術之后工業(yè)自動化領域又一個行業(yè)研究熱點。目前多標準多協(xié)議共存的場合應用增多，而充當協(xié)議轉換橋梁作用的網關起到了關鍵作用當前比較流行的兩個本地無線技術無疑是Wi-Fi 和藍牙，但是，對于低功耗、低帶寬的控制類應用，諸如工廠內的傳感器網絡，ZigBee 或許是個更好的選擇。配備一個功能強大的處理器后，ZigBee 可以在低功耗、低帶寬的限制下高效完成很多復雜的應用。

ZigBee 因其低成本、低功耗、組網靈活等眾多優(yōu)勢，成為工業(yè)無線通信技術中備受關注的技術之一。ZigBee 是一種低速網絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，多樣的互聯(lián)方式使得組網方式靈活而穩(wěn)健。

文章介紹一種基于AT91SAM9260 的ZigBee 工業(yè)以太網網關設計，實現(xiàn)ZigBee 與工業(yè)以太網的一種透明接入，上層采用ZigBee 協(xié)議，應用于工業(yè)現(xiàn)場短距離的無線控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊囊蕴W協(xié)議轉換，并內嵌嵌入式WebServer 實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)應用框圖如圖1 所示用戶可通過ZigBee 以太網網關內嵌得WebServer 直接訪問或修改儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程監(jiān)控、遠程診斷等當網關接入GPRS 或因特網后，無論你身處何地都可隨時訪問工業(yè)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程組態(tài)、遠程診斷以及遠程操作等功能，使世界范圍內的不同傳感監(jiān)測網絡可以信息共享。

1 硬件設計

網關硬件如圖2，系統(tǒng)以AT91SAM9260 為核心，AT91SAM9260 為ATMEL公司高性能ARM9 處理器，主頻可達200M，帶有以太網MAC，擴展了以太網PHY 模塊、 ZigBee無線通信模塊、Nand FLASH和SDRAM。圖中K9F2G08 為256M的Nand FLASH，HY57V64162為64M SDRAM，與AT91SAM9260 的地址線、數(shù)據(jù)線、片選線、讀寫線直接無譯碼相連接。

DM9161 為以太網PHY 芯片，10M/100M 兼容，實現(xiàn)以太網物理層CC2520 是TI 公司的第二代的ZigBee/ IEEE 802.15.4 RF 收發(fā)器，具有當今業(yè)界最佳的選擇性/共存性及優(yōu)異的鏈路預算功能特點，目標滿足各種應用中ZigBee/IEEE 802.15.4 同專有無線系統(tǒng)的要求，而且提供了廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認證、空閑通道評估、鏈接質量指示以及數(shù)據(jù)包計時信息等，與AT91SAM9260之間通過SPI 進行數(shù)據(jù)通訊與控制。

2 軟件設計

網關軟件采用內嵌Linux-2.6.28 內核，在上層應用添加ZigBee 服務，實現(xiàn)ZigBee 與以太網協(xié)議的轉換。以太網數(shù)據(jù)報文通過 UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過串口發(fā)給CC2520，封裝為 ZigBee 報文發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)的ZigBee 報文由CC2520轉為串口數(shù)據(jù)接收，去掉ZigBee 短地址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網口轉發(fā)。軟件設計架構如圖3 所示。

軟件執(zhí)行流程圖如圖4 所示，底層的硬件初始化包括時鐘的設置、GPIO 的管理、串口的配置、以太網接口MII 的配置以及PHY 芯片的設置等，然后CC2520 的初始化配置無線通信模塊符合ZigBee 協(xié)議標準，CC2520 初始化設置后，模塊即可以實現(xiàn)透明串口傳輸，與ARM 處理器進行數(shù)據(jù)交互。為適應短幀實時和確定性通信發(fā)展趨勢，以太網通信采用UDP/IP 協(xié)議啟動linux 內核多任務調度管理，進行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)、UDP 的接收與發(fā)送以及嵌入式WebServer 等任務。

3 ZigBee與以太網協(xié)議轉換軟件設計

TCP/IP 協(xié)議使用MAC 地址進行硬件地址的識別并使用ARP 協(xié)議進行硬件地址到IP 地址的解析因此必須完成ZigBee 到ARP 地址的轉換，才能保證正常通訊ZigBee 中每個節(jié)點都有自己的MAC 地址，格式由64 位長地址和16 位短地址組成文章設計實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議中適配層和ARP，完成ZigBee 中MAC 地址到以太網IP 地址的映射工作流程圖如圖5 所示當網關接收到一個正常發(fā)往本地IP 的以太網數(shù)據(jù)包后，經過協(xié)議判斷送往上層UDP(TCP)處理，最后到網關的應用程序處理網關應用程序經過分析判斷，確定需要轉發(fā)給ZigBee 網絡中的哪個節(jié)點，經過ZigBee 端的ARP 地址解析出對應的ZigBee 中的節(jié)點MAC地址，將相應的數(shù)據(jù)包送至該節(jié)點，完成一次數(shù)據(jù)通訊。

同理，當ZigBee 端收到數(shù)據(jù)包后，通過同樣的解析將數(shù)據(jù)包送至對應節(jié)點或設備通過內嵌的WebServer 用戶可實現(xiàn)ZigBee 節(jié)點的實時訪問、修改、組態(tài)等。

文章以AT91SAM9260 處理器為基礎設計開發(fā)的嵌入式ZigBee 以太網網關，應用于無線通訊場合的壓力、溫度、流量等物理量的監(jiān)測與控制等，具有以太網接入功能，在網關中內嵌WebServer，可通過以太網隨時訪問或修改現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程控制，遠程診斷等該產品有效的解決了工業(yè)現(xiàn)場短距離ZigBee 無線通訊連接以太網的問題，以全新的方式向物聯(lián)網靠攏，為將來更復雜的無線應用奠定了基礎現(xiàn)場應用表明，基于AT91SAM9260的ZigBee 以太網網關產品性能可靠，符合當前市場需求，是工業(yè)現(xiàn)場短距離ZigBee 通訊的很好的創(chuàng)新，滿足客戶要求，應用前景廣闊。