基于Zigbee技术的家用无线网关的设计

　　1 引言

　　网关对于使用过网络的人也许都不陌生，如家中或者办公室中的连接个人电脑与国际互联网的路由器。这里讨论的网关，它的作用不是连接你的个人电脑到互联网上遨游，而是将你家中大大小小的家用电器连接到你的个人电脑上，进而不需要你走进家中就能通过PC机控制家用网关来获取家电信息和控制它们。因为采用了Zigbee无线技术，所以又称为家用无线网关。

　　2 Zigbee技术的体系结构和拓扑结构

　　在Zigbee技术中，其体系结构通常是通过“层”来量化它的各个简化标准的，每一层负责完成为其所规定的任务，并向上层提供服务。Zigbee技术的体系结构自下往上主要由物理(PHY)层、媒体接入控制(MAC)层、网络/安全层以及应用框架层构成。

　　Zigbee技术网络有2种拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构(如图1所示)。其中定义了两种设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。FFD在硬件功能上比较完备，可以与所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和与其关联的FFD进行通信。与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的“协调器”。在整个网络中，有一个FFD充当网络协调器。除直接参与应用外，网络协调器还需要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

　　3 家用网关结构及其软硬件组成

　　结合本课题中家用网关和家用电器的主从关系，本文采用基于星型拓扑结构的Zigbee网络。因为Zigbee无线网关需要将基于TCP协议的信息转发给Zigbee网络其它的节点，故它必须为一个FFD设备，同时它在整个Zigbee网络还要管理其它节点的一些信息，故其又实现为一个协调器。

　　根据课题要求，选择的系统硬件组成：采用S3C4480嵌入式开发板，该开发自带2M FLASH和8M RAM。网络芯片采用RTL8019 10M网络芯片，Zigbee通信模块采用TI的CC2420芯片(两片)。

　　选用的系统软件组成：uCOS-Ⅱ+基本功能Zigbee协议栈+LWIP TCP/IP协议栈。

　　Zigbee无线网关基本功能为将基于TCP协议的网络与基于Zigbee协议栈的数据进行转换，从而可以将基于常用的以太网的数据发送到Zigbee网络中，也可以将Zigbee网络中的数据发送到以太网中。开启Zigbee无线网关，其它的RFD节点通过与其通信，加入到该无线网络中。这样Zigbee无线网关就可以管理所有节点。

　　这里涉及两个主要协议栈：Zigbee协议栈和TCP/IP协议栈。

　　TCE/IP协议栈这里选择适合嵌入式应用的LWIP协议栈，具有良好的移植性并且开放源代码。

　　考虑到目前还没有完全可以用的Zigbee协议栈，在这里定义并实现了—个基本功能的Zigbee协议栈。其基本结构为：