物联网ZigBee网关的设计与实现①

计 算 机 系 统 应 用 https://www.360docs.net/doc/9c5236145.html, 2013 年 第22卷 第 6 期

34系统建设 System Construction 物联网ZigBee 网关的设计与实现①

张艺粟1,2, 李鸿彬2, 贾军营2, 于 波2

1(中国科学院大学, 北京 100049)

2

(中国科学院 沈阳计算技术研究所, 沈阳 110168)

摘 要: 物联网中应用广泛的ZigBee 协议与传统的TCP/IP 协议并不兼容, 如何实现两种异构网络的融合是物联网的关键技术所在. 对物联网网关的需求进行了分析, 并基于CC2530开发套件、龙芯1B 开发板、Zstack 协议栈和嵌入式linux 系统, 设计并实现了一个物联网ZigBee 网关的原型系统, 完成了ZigBee 网络的管理、协议转换、数据收发等功能, 并通过实验对各部分功能进行了验证. 关键词: 网关; ZigBee; 物联网; TCP/IP; 嵌入式Linux

Design and Implementation of ZigBee Gateway in the Internet of Things

ZHANG Yi-Su 1,2, LI Hong-Bin 2, JIA Jun-Ying 2, YU Bo 2

1(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

2

(Shenyang Institute of Computing Technology, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110171, China)

Abstract : The most used ZigBee protocol in Internet of Things (IOT) is not compatible with the TCP/IP protocols, so the convergence of these two kinds of networks is the essential technology in IOT. The thesis analyzes the requirement of t he I OT ga teway a t t he be ginning, t hen de signs a nd r ealizes a ZigBee g ateway pr ototype, ba sed on t he C C2530 develop kit, Longson 1B develop board, Zstack and embedded Linux system, achieves functions such as management of the ZigBee network, protocol conversion and data transmission, and then verifies these functions through experiments. Key words : gateway; ZigBee; Internet of Things; TCP/IP; embedded Linux

1 引言

2005年, 国际电信联盟(ITU)在其年报(ITU2005: The I nternet o f Things [1])中提出了物联网的概念. 报告对网络发展的前景进行了大胆的预测: 在未来, 网络将不仅仅是人与人之间信息交互的通道, 人与物甚至物与物之间也能够通过网络互相联络, 人们的生活将变得更加便利和智能化.

物联网的概念是随着近些年来无线传感器网络的发展而提出的. 无线传感器网络中各种传感设备可以极大地延伸和拓展人们的感知领域和范围. 传感器节点一般要求结构简单, 成本低廉, 能够长时间工作而无需频繁更换电池等. 与传统的WiFi 、蓝牙等较为复杂、功耗较高的无线传输技术相比, Z igBee 协议因其简单、低功耗的特点在物联网领域得到广泛的应用. 其PHY 层和MAC 层直接来源于IEEE802.15.4标准,

① 收稿时间:2012-11-30;收到修改稿时间:2013-01-06

网络层、应用层和相应的安全机制则由ZigBee 联盟制定, 主要面向短距离、低功耗、低数据传输率的应用.

互联网的发展极大地改变了人们的生活方式, 而ZigBee 协议与互联网中TCP/IP 协议族并不兼容. 如何将ZigBee 网络接入TCP/IP 网络使得人们能通过互联网对环境进行监控, 对接入节点进行远程管理和控制, 是目前物联网研究领域的热点问题. 而网关作为连接异构网络的设备, 吸引着众多的研究者.

目前网关的实现技术主要有以下几种. 一是通过通道机制, 当接收到无线传感器数据时, 不经过解封装而直接将其作为以太网的载荷, 加上TCP/IP 的包头, 传至IP 网络主机, 然后由该主机完成对数据的解析. 因为无线数据中某些内容, 如跳数, 封包序号等并不是必须的, 所以该方式会造成带宽的浪费. 二是通过远程过程调用RPC(Remote Procedure Call)的方式, 使用表示状态转移