物联网综合实训平台之网关和节点的研制

江苏科技大学硕士学位论文大摘要论文题目物联网综合实训平台之网关和节点的研制研究方向物联网学科、专业控制工程研究生姓名王鹏澄导师姓名李众填表时间2014年3月22日物联网综合实训平台之网关和节点的研制物联网是一种通过射频识别装置、无线传感网、终端等信息设备，按照约定协议，把所有设备与互联网相连，进行信息交换和通讯的网络。在物联网环境下人们能够使用任意设备、通过任意网络、在任意时间都可以获得一定质量的服务。它使得不仅个人电脑，而且其它小巧的智能设备也可以连接到网络中，从而方便人们即时地获得信息并采取行动。随着物联网发展得到政府和相关机构的关注以及社会对物联网专业人才的需求，越来越多的院校开设物联网专业，建设物联网实验室。但是，目前市场上针对教学仪器领域的物联网产品还比较少，已有的大部分成熟物联网产品是针对非教学仪器领域。这些产品技术门槛高、设计理念不同于实验仪器。使得学生无法用这些产品进行相关实验，达不到理论与实际相结合的教学目标。本文介绍了物联网网关定义和功能。分析几种常见无线网络传输技术的特点，并从传输速率、覆盖距离、安全性等几个方面对这几种无线通信技术进行了对比。介绍了ZIGBEE各个协议层功能、服务和对外接口。详细介绍了物理层的信道分配机制、ZIGBEE的三种无线通信机制和网络拓扑结构。系统采用双处理器架构（STM32CC2530）进行物联网网关开发，详细给出了物联网网关平台硬件结构图和各部分单元硬件原理图设计。通过分析市场上目前几种ZIGBEE解决方案并且考虑到综合成本因素，最终选择TI公司的CC2530作为本系统的ZIGBEE技术解决方案。随后详细介绍了CC2530芯片和终端节点各部分详细原理图设计。系统软件部分介绍了程序编写所需的软件开发平台和相应的固件库及协议栈。重点分析了系统通信协议组成及协议流程，该协议是通信系统的重要组成部分且贯穿整个软件工程中。其次介绍了系统的通讯框图、实现功能、软件主要任务，结合软件流程图介绍了软件实现思路。最后编写软件代码、对整个系统进行调试，并给出了产品实物图。本课题完成了物联网网关、隔离I/O口输出终端节点、串口输出终端节点和LED驱动输出终端节点四种产品的研发，编写物联网网关和前两种终端节点的软件代码。本文介绍的物联网网关和ZIGBEE节点已经运用到环境信息无线数据采集系统、智能物流信息管理系统、蔬菜大棚温湿度控制综合系统、智能家居系统、智能排队系统、ZSTACK点对点通讯应用、ZSTACK星状网通讯应用、ZSTACK树状网通讯应用、ZSTACKMESH网通讯应用和ZSTACKZIGBEEPRO通讯应用等训练项目中,满足了物联网专业学生的课程教学与实训教学需要。同时集中进行物联网应用展示并提供相关技术研发的软硬件平台，作为一个产学研结合的综合性实训室在高校专业建设中发挥作用，具有重要的经济、社会价值以及相关产业带动作用。关键词物联网；教学仪器；网关；ZIGBEE节点；通信协议THEDESIGNOFGATEWAYANDNODEOFINTEGRATEDTRAININGPLATFORMABOUTINTERNETOFTHINGSTHEINTERNETOFTHINGSIOTISAKINDOFNETWORKBYWHICHALLDEVICESARECONNECTEDTOTHEINTERNETTHROUGHEQUIPMENTSUCHASRADIOFREQUENCYIDENTIFICATIONDEVICE,WIRELESSSENSORNETWORK,THETERMINALEQUIPMENTTOEXCHANGEINFORMATIONANDCOMMUNICATEINACCORDANCEWITHTHECONTRACTAGREEMENTITISSUPPOSEDININTERNETOFTHINGSENVIRONMENTS,SATISFACTORYSERVICESCANBEPROVIDEDTHROUGHANYDEVICESORANYNETWORKS,WHENEVERITISDEMANDEDITMAKESTHATNOTONLYPCDEVICEBUTALSOOTHERSMALLDEVICESWITHINTELLIGENCECANBECONNECTEDTOTHESAMENETWORKASARESULT,ITISMUCHMORECONVENIENTFORPEOPLETOOBTAINREALTIMEINFORMATIONANDTHENTOTAKECORRESPONDINGACTIONSWITHGETTINGTHEMOREATTENTIONOFTHEGOVERNMENTANDRELATEDINSTITUTIONSONTHEDEVELOPMENTOFTHEIOTANDTHESOCIALDEMANDFORPROFESSIONALTALENTS,THEMAJORIOTISSETANDIOTLABISCONSTRUCTEDINMOREANDMORECOLLEGESANDUNIVERSITIESHOWEVER,IOTPRODUCTSFORTHEFIELDOFTEACHINGINSTRUMENTSISRELATIVELYLESSONTHEMARKETCURRENTLY,MOSTOFEXISTINGIOTPRODUCTSAREAIMEDATTHENONTEACHINGINSTRUMENTFIELDTHETECHNOLOGYINCLUDEDBYTHESEPRODUCTSISTOOHARDFORTHESTUDENTSANDTHEDESIGNIDEAISALSODIFFERENTFROMEXPERIMENTALINSTRUMENTSTUDENTSCANTUSETHESEPRODUCTSTODORELEVANTEXPERIMENTSTOREACHTHETEACHINGGOALOFCOMBININGTHEORYWITHPRACTICETHISTHESISINTRODUCESTHEDEFINITIONANDFUNCTIONOFIOTGATEWAY,ANALYZESCHARACTERISTICSOFSEVERALCOMMONWIRELESSNETWORKTRANSMISSIONTECHNOLOGYSEVERALWIRELESSCOMMUNICATIONTECHNOLOGIESARECOMPAREDFROMTHEASPECTSSUCHASTRANSMISSIONRATE,COVERAGE,SECURITYANDSOONTHEFUNCTION,SERVICESANDEXTERNALINTERFACEOFZIGBEEPROTOCOLLAYERAREINTRODUCEDTHESISINTRODUCESTHECHANNELALLOCATIONMECHANISM,THREETYPESOFZIGBEEWIRELESSCOMMUNICATIONMECHANISMANDNETWORKTOPOLOGYDOUBLEPROCESSORSSTRUCTURESTM32CC2530ISADOPTEDTODEVELOPIOTGATEWAYTHEHARDWARESTRUCTUREOFIOTGATEWAYANDTHESCHEMATICDESIGNOFEACHPARTOFTHEUNITAREGIVENINDETAILCC2530ISCHOSENASTHEFINALZIGBEETECHNOLOGYSOLUTIONOFTHISSYSTEMBYTHEANALYSISOFSEVERALZIGBEESOLUTIONONTHEMARKETANDCONSIDERINGTHEFACTORSOFCOMPREHENSIVECOSTTHENCC2530CHARACTERISTICSANDSCHEMATICDESIGNOFEACHPARTSOFTHENODEAREGIVENDETAILEDLYINTHEPARTOFSYSTEMSOFTWARE,THETHESISINTRODUCESTHESOFTWAREDEVELOPMENTPLATFORM,THECORRESPONDINGFIRMWARELIBRARYANDPROTOCOLSTACK,FOCUSESONTHESYSTEMCOMMUNICATIONPROTOCOLWHICHISANIMPORTANTPARTOFCOMMUNICATIONSECOND,THESISINTRODUCESTHEIOTGATEWAYCOMMUNICATIONDIAGRAM,FUNCTION,MAINSOFTWARETASKSANDPROCEDURESFORIMPLEMENTATIONIDEASINCOMBINATIONWITHTHESOFTWAREFLOWCHARTATLAST,CODEISWRITTENANDTHEWHOLESYSTEMSAREDEBUGGEDPARTSOFTHEPRODUCTPICTURESAREPRESENTEDTHEDEVELOPMENTOFTHEIOTGATEWAY,THEISOLATEDI/OPORTNODE,THESERIALPORTANDTHELEDDRIVEROUTPUTNODEHASBEENFINISHEDBESIDES,SOFTWARECODEOFIOTGATEWAYANDTHEFIRSTTWONODEAREWRITTENIOTGATEWAYANDZIGBEENODESINTRODUCEDINTHISPAPERHAVEBEENAPPLIEDTOTRAININGPROJECTSSUCHASENVIRONMENTALINFORMATIONWIRELESSDATAACQUISITIONSYSTEM,INTELLIGENTLOGISTICSINFORMATIONMANAGEMENTSYSTEM,GREENHOUSETEMPERATUREANDHUMIDITYCONTROLINTEGRATEDSYSTEM,SMARTHOMESYSTEM,INTELLIGENTQUEUINGSYSTEM,ZSTACKPEERTOPEERCOMMUNICATIONSAPPLICATIONS,ZSTACKSTARCOMMUNICATIONSAPPLICATIONS,ZSTACKTREECOMMUNICATIONSAPPLICATIONS,ZSTACKMESHCOMMUNICATIONSAPPLICATIONS,ZSTACKZIGBEEPROCOMMUNICATIONSAPPLICATIONSTOMEETTHENEEDSOFCOURSESANDPRACTICEFORSTUDENTSMAJORINGINIOTATTHESAMETIME,IOTPRODUCTSWILLBEAPPLIEDANDDISPLAYEDTOGETHERANDTHESOFTWAREANDHARDWAREPLATFORMISPROVIDEDONWHICHYOUCANDOSOMERESEARCHRELATEDWITHRELEVANTTECHNOLOGIESTHISTOPICHASIMPORTANTECONOMICANDSOCIALVALUEANDBRINGSRELATEDINDUSTRIESDEVELOPMENTKEYWORDSIOTTEACHINGINSTRUMENTGATEWAYZIGBEENODECOMMUNICATIONPROTOCOL目录目录摘要IABSTRACTIII第1章绪论111课题背景112研究目的及意义113国内外研究现状114主要工作和研究内容315论文结构3第2章物联网网关和无线传感器网络521物联网网关概述5211物联网网关的定义5212物联网网关的功能522无线传感器网络6221无线传感器网络概述6222无线传感器网络的无线传输技术723本章总结10第3章ZIGBEE通信协议框架及网络拓扑1131ZIGBEE协议结构11311IEEE802154物理层规范11312IEEE802154MAC层规范13313网络层规范13314应用层规范1432ZIGBEE网络构成15321设备分类及功能15322地址分配模式1633ZIGBEE的网络拓扑结构16341星型网络16342树型网络17343网型网络17344本系统的网络拓扑选择1734本章小结17第4章系统硬件架构设计与实现1941系统总体方案1942物联网网关平台硬件设计20421物联网网关平台硬件结构20422器件选型与单元电路设计2043终端节点平台硬件设计26431终端节点平台硬件结构26V江苏科技大学工学硕士学位论文432微控制器选型及介绍27433具有隔离I/O口输出功能的终端节点28434具有串口通讯功能的终端节点30435具有LED驱动功能的终端节点3144系统主要部分PCB版图设计33441物联网网关PCB版图设计33442具有串口通讯和隔离I/O口输出功能节点PCB版图设计34443具有LED驱动功能节点PCB版图设计3545本章小结36第5章软件系统架构设计与实现3851系统软件概述3852开发环境及平台软件介绍38521ARM开发环境及STM32F10X标准外设固件库38522CC2530开发环境4053ZSTACK协议栈及系统通信协议41531ZSTACK协议栈介绍41532通信协议介绍4254物联网网关软件设计43541物联网网关的功能及要求43542物联网网关的软件流程4455终端节点软件设计48551终端节点的功能及要求48552终端节点的工作流程49553I2C总线驱动开发5156软件调试5457系统运行结果56571系统功能测试57572通信距离测试5858系统在教学中的应用5859本章小结59总结与展望61参考文献63附录67附录1物联网网关原理图67附录2隔离I/O口输出节点原理图72附录3串口通讯功能节点原理图73附录4LED驱动节点原理图74致谢81VICONTENTCONTENTABSTACT（CHINESE）IABSTRACT（ENGLISH）IIICHAPTER1INTRODUCTION111BACKGROUND112RESEARCHPURPOSESANDSIGNIFICANCE113RESEARCHSTATUSATHOMEANDABROAD114RESEARCHCONTENTANDMAINASSIGNMENT315STRUCTUREOFTHEPAPER3CHAPTER2IOTGATEWAYANDWIRELESSSENSORNETWORKS521OVERVIEWOFIOTGATEWAY5211DEFINITIONOFIOTGATEWAY5212FUNCTIONOFIOTGATEWAY522WIRELESSSENSORNETWORKS6221SUMMARYOFWIRELESSSENSORNETWORK6222WIRELESSTRANSMISSIONTECHNOLOGYOFWIRELESSSENSORNETWORK723SUMMARYOFTHECHAPTER10CHAPTER3ZIGBEECOMMUNICATIONPROTOCOLFRAMEWORKANDNETWORKTOPOLOGY1131ZIGBEEPROTOCOLSTRUCTURE11311IEEE802154PHYSPECIFICATIONS11312IEEE802154MACSPECIFICATIONS13313NWKSPECIFICATIONS13314APLSPECIFICATIONS1432COMPOSITIONOFZIGBEENETWORK15321EQUIPMENTCLASSIFICATIONANDFUNCTION15322ADDRESSASSIGNMENTMODEL1633ZIGBEENETWORKTOPOLOGY16341STARNETWORK16342TREENETWORK17343MESHNETWORK17344NETWORKTOPOLOGYOFTHISSYSTEM1734SUMMARYOFTHECHAPTER17CHAPTER4DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSYSTEMHARDWAREARCHITECTURE1941OVERALLSCHEMEOFSYSTEM1942HARDWAREDESIGNOFIOTGATEWAY20421HARDWARESTRUCTUREOFIOTGATEWAY20422SELECTIONOFDEVICEANDUNITCIRCUITDESIGN2043HARDWAREDESIGNOFNODE26431HARDWARESTRUCTUREOFNODE26432SELECTIONANDINTRODUCTIONOFMICROCONTROLLER27VII江苏科技大学工学硕士学位论文433NODESHAVINGFUNCTIONOFISOLATEDI/OPORTOUTPUT28434NODESHAVINGFUNCTIONOFSERIALCOMMUNICATION30435NODESHAVINGFUNCTIONOFLEDDRIVER3144DESIGNOFPCBSINTHESYSTEM33441DESIGNOFIOTGATEWAYPCB33442DESIGNOFNODESPCBWITHSERIALPORTCOMMUNICATIONANDISOLATIONI/OPORT34443DESIGNOFNODESPCBWITHLEDDRIVER3545SUMMARYOFTHECHAPTER36CHAPTER5DESIGNANDIMPLEMENTATIONOFSYSTEMSOFTWAREARCHITECTURE3851SUMMARYOFSYSTEMSOFTWARE3852INTRODUCETIONOFDEVELOPMENTENVIRONMENTANDSOFTWAREPLATFORM38521ARMDEVELOPMENTENVIRONMENTANDSTM32F10XSTANDARDPERIPHERALSFIRMWARELIBRARY38522CC2530DEVELOPMENTENVIRONMENT4053ZSTACKPROTOCOLANDSYSTEMCOMMUNICATIONPROTOCOL41531INTRODUCTIONOFZSTACKPROTOCOL41532INTRODUCTIONOFSYSTEMCOMMUNICATIONPROTOCOL4254DESIGNOFIOTGATEWAYSOFTWARE43541FUNCTIONSANDREQUIREMENTSOFIOTGATEWAY43542SOFTWAREPROCESSOFIOTGATEWAY4455DESIGNOFNODESSOFTWARE48551FUNCTIONSANDREQUIREMENTSOFNODES48552SOFTWAREPROCESSOFNODES49553I2CBUSDRIVERDEVELOPMENT5156SOFTWAREDEBUGGING5457SYSTEMOPERATIONRESULTS56571SYSTEMFUNCTIONALTESTING57572COMMUNICATIONDISTANCETESTING5858APPLICATIONOFSYSTEMINTHETEACHING5859SUMMARYOFTHECHAPTER59SUMMARYANDOUTLOOK61REFERENCES63APPENDIX67APPENDIX1SCHEMATICOFGATEWAYOFINTERNETOFTHING67APPENDIX2SCHEMATICOFNODEHAVINGISOLATEDI/OPORTOUTPUT72APPENDIX3SCHEMATICOFNODEHAVINGSERIALCOMMUNICATION73APPENDIX4SCHEMATICOFNODEHAVINGLEDDRIVER74ACKNOWLEDGEMENTS81VIII第1章绪论第1章绪论11课题背景本课题来自常州信息职业技术学院电子与电气工程学院的在研项目，是一个值得探索且与实际紧密联系的课题。随着计算机和互联网技术的发展，物联网技术已从概念进入现实，物联网通过智能感知、识别技术与无线传感网的融合应用，将信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和感知1。被视为继计算机和互联网之后的第三次信息化浪潮。物联网技术将移动设备、家用电器等设备连接到网络，提供随时、随地访问信息的服务。目前，物联网技术已被应用到智能家居、工业控制、森林防灾、交通路灯、对等小型数据共享等领域。随着电子计算机，无线通讯等技术的不断发展，物联网时代也离我们越来越近。近几年来，为了适应市场对专业人才的需求，越来越多的院校开设物联网专业，建设物联网实验室，旨在培养优秀的理论实践复合型人才。但是，目前市场上针对教学仪器领域的物联网配套产品还比较少，已有的成熟物联网产品大都针对非教学仪器领域，如商业住宅，医疗行业等。这些产品技术门槛高、成本高昂、技术细节不公开、设计理念不同于实验仪器。使得学生无法用这些产品进行相关实验，达不到理论与实际相结合的教学目标。12研究目的及意义本课题研究的目的与意义在于满足物联网专业学生的课程教学与实训教学需要，同时集中进行物联网应用展示并提供相关技术研发的软硬件平台，作为一个产学研结合的综合性实训室在常州信息职业技术学院十二五专业建设中发挥作用。具有重要的经济、社会价值以及带动相关产业的作用。13国内外研究现状物联网（THEINTERNETOFTHINGS）是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络2。1江苏科技大学工学硕士学位论文物联网是继计算机互联网与移动通信网络后的第3次信息化浪潮3。由于物联网在众多领域具有广阔的应用前景，许多国家已经把物联网列为国家重担扶持产业。比如，2008年4月美国国家情报委员会（NI）将物联网列入“到2025年对美国利益具有重大影响的6项颠覆性民用技术”之一4；2009年，IBM提出了“SMARTPLANET”概念，在医疗、建筑、工业等应用中加入传感器设备，将收集到的数据通过智能处理，达到智慧状态3。物联网网关是实现无线传感网内部各设备与外部设备相互通信的设备。连接物联网网关的两端分别是无线传感网和公共网络包括互联网、有线和无线网络；对于公共网络，就技术而言己经相当成熟。因此研究热点主要集中在无线传感网以及物联网网关如何有效接入公共网络这两方面5。目前，对于无线传感网的研究主要集中在无线接入方向。美国的麻省理工学院、加州大学洛杉矶分校等这些世界著名学府已经就该方向的技术进行了一系列的研究工作。无线传感网潜在的应用价值引起了国际上许多国家和公司的研究兴趣。2003年，美国国家自然科学基金制定了传感器网络研究计划，投资3400万美金与美国部分高校合作研究“嵌入式智能传感器”项目。INTEL、MICROSOFT等世界著名公司也陆续开展无线传感网的研究工作，进行关键技术预研，制定相关网络协议。日本、德国、印度、巴西等国家也对传感网的研究产生浓厚的兴趣，纷纷开展相关领域的研究。随着物联网产业的兴起，无线传感网具有了前所未有的生命力和广阔的应用空间。2003年，国际标准化组织发布了IEEE802154标准，该标准中描述的无线网络具有架构简单、短距离、低功耗、低速率、低成本的特点6。随后，ZIGBEE联盟成立，推出的ZIGBEE协议被广泛的应用到无线传感器网络中。众多国际公司根据此协议推出相关的产品，如飞思卡尔（FREESCALE）公司的MC13192/MC13193，美国德州仪器（TI）公司的CC2430/CC2530等。此外，许多公司推出与芯片配套的协议栈，提供系统解决方案。目前，国内无线传感网的研究还处于起步阶段，但是由于无线传感网与人类未来生活密切相关，得到了当前政府部门的大力推动。从2003年开始，国家自然科学基金设立于不少于20个无线传感器网络关键技术相关的研究课题和重点项目，带来无线传感网技术的研究热潮。2005年国家发改委启动项目，将无线传感网列入下一代互联网络实验与应用当中，国家重大专项、中科院先导专项中很多涉及有关无线传感网的课题7。在推动无线传感网络的自主知识产权方面，很多大学和科研机构都取得了一定的成果。目前，市场已经存在着许多基于无线传感网技术的产品，它们中间很多已经被应用到军事侦察、工业控制、智能家居、医疗领域、自动化农业等领域。随着电子技术和通信技术的不断发展，无线传感网将不断产生新的应用模式，从各方面给我们的生活带来深远的影响8。2第1章绪论14主要工作和研究内容确定课题后，作者首先查阅大量资料，了解物联网网关的功能，基本组成部分，技术实现思路；掌握了ZIGBEE常用基本术语，如何利用ZIGBEE协议栈构建无线网络，节点间如何相互通讯等基本知识。本文主要工作和研究内容如下（1）在详细了解物联网网关和ZIGBEE节点的功能及整体架构之后，结合教学仪器的产品特点，列出系统软硬件整体架构；（2）硬件方面，作者首先确定元器件型号，选择产品外壳。然后设计了物联网网关、隔离I/O口终端节点、串口输出终端节点和15路PWM输出终端节点四种产品的原理图；根据原理图并结合产品外壳尺寸进行PCB布局、布线。最后焊接元器件，对样品进行硬件调试；（3）软件方面，作者首先学习LWIP精简版TCP/IP协议，如何将LWIP协议移植到STM32平台中，如何利用LWIP创建TCP、UPD服务器并且与客户端进行通讯。其次，重点研究了ZIGBEE协议栈部分功能，掌握了如何利用协议栈创建无线网络，串口通讯，在应用层进行应用软件的开发等基本操作；在协议栈平台下开发了IIC总线驱动。最后，制定系统通信协议，编写、调试各个模块的软件代码；（4）进行系统软硬件联调，减少软件中的BUG和逻辑错误，对软件代码进行优化。证明设计方案的可行性。根据此次硬件调试过程中的问题，对下一版本硬件做出相应改进。15论文结构本文各章节具体安排如下第一章绪论阐述课题的研究背景，研究目的与意义，国内外研究现状和主要工作以及研究内容。第二章物联网网关和无线传感器网络介绍了物联网网关的定义和功能；简要介绍了无线传感网的概念并对几种无线通讯进行比较。第三章ZIGBEE通信协议框架及网络拓扑概述了ZIGBEE各个协议层的基本功能；介绍了ZIGBEE无线网的三种网络拓扑结构。第四章系统硬件架构设计与实现进行元器件选型；以模块化思路设计系统硬件；并介绍PCBLAYOUT过程中需要注意的事项；为后续的软件开发做好准备。第五章系统软件架构设计与实现介绍系统开发环境，系统通信协议和ZIGBEE3江苏科技大学工学硕士学位论文协议栈以及ST公司的固件库，对物联网网关和终端节点分别进行软件设计。第六章总结与展望总结在系统调试过程中遇到的设计缺陷，并介绍本课题的后续工作。4第2章物联网网关和无线传感器网络第2章物联网网关和无线传感器网络21物联网网关概述211物联网网关的定义物联网网关是连接无线传感器网络与传统通信网络的纽带。传统通信网络主要包括以太网、GPRS、3G等技术。无线传感器网络包括ZIGBEE、蓝牙、WLAN等技术。无线传感网与传统通信网络需在网关的网络层进行协议转换之后才能相互通讯。212物联网网关的功能作为网关设备，物联网网关能够实现不同类型网络之间的协议转换；需要具备设备管理功能，用户可以远程管理网关设备；管理无线传感网内的各环境感知节点，了解各节点的相关信息，与节点进行无线通讯。还需具备公共网络接入能力和安全机制。1广泛的接入能力物联网网关的接入能力实现了内网和公共网络的相互连接。目前，有多种类型的公共网络，如ADSL、3G、CATV和无线通信网络。在网络体系结构中，不同的网络层有不同的特征。因为接入网的特点是灵活多样的，物联网网关必须提供多样的接口以面临各种形式的访问网络目前，大多数接入技术是ADSL、GPRS和局域网，然而，随着科学技术的发展，其他技术如XDSL，EPON，GPON，WIMAX将会逐渐变为主流9。所以家庭网关需要一直维持添加接口类型和协议。2可管理能力任何一个大型网络都必须具备管理功能。管理包括两个方面。首先要对网关进行管理，如网关注册的管理、访问权限的管理、状态监管等10；其次，网关能够对内网节点进行管理，如获取节点的标识、短地址、连接质量指示、能量等，通过远程实现唤醒、控制、收集信息、诊断、升级和维护等。由于内网的技术标准不同，协议的复杂性不同，所以网关具有的管理能力不同。而物联网网关采用基于模块化方式来管理不同的无线传感器网络、不同的应用，可以保证使用统一的管理接口技术对内网节点进行统一管理。3协议转换能力物联网网关作为整个网络的数据交换中心和管理中心，需要对不同的无线传感器网络和接入网络之间进行协议转换，将下层标准格式的数据统一封装、保证不同的无线传感器网络的协议能够变成统一的数据和信令；将上层下发的数据包解析成感知层5江苏科技大学工学硕士学位论文协议可以识别的信令和控制指令。4可靠的安全功能网络安全是一个非常重要的问题。首先，物联网网关必须具备防御网络攻击的能力，为内网提供了一个相对安全的环境。网关防火墙需要提供访问控制功能、信息过滤功能、DOS攻击功能、防止端口扫描功能、抵制非法攻击功能等。在这些安全措施的基础上，物联网网关应确保操作管理和远程控制物联网网关带来的潜在安全性问题，避免错误配置网关情况的发生。同时，物联网网关应该有明确的远程网络管理机制，例如，支持访问身份验证、支持验证账户管理和修改权限、系统日志管理和安全日志管理消息传输安全机制等，以保证安全的远程管理。22无线传感器网络221无线传感器网络概述无线传感器网络WIRELESSSENSORNETWORKS，WSNS是近年来获得了全球的普遍关注、知识高度综合的热门研究领域。微电子机械系统、传感器技术和低功耗无线电系统等技术的进步，推动了无线传感器网络的产生和发展11。无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起12，在未来生活中为人们提供“随时、随地、实时”的服务。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素13。无线传感器网络体系结构如图21所示，其中通常包括终端节点SENSORNODE、路由节点SINKNODE、协调器节点和用户终端。一定数量的路由节点和终端节点按照一定方式部署在指定区域内，由协调器按照星形、网形或者树形结构创建网络。终端节点获取的环境数据以无线方式进行传输，在传输过程中一个或者多个路由节点会对传输数据进行中继转发，经过多跳后路由到协调器节点。最后网关将接收到的数据通过外部网络传输给用户终端。超级管理员可以通过用户终端发送指令实现对无线传感器网的配置和管理，或发布监测任务并收集传感器网络监测到的数据12。6第2章物联网网关和无线传感器网络路由节点GPRS/3G终端用户图21无线传感器网络体系结构FIG21WIRELESSSENSORNETWORKARCHITECTURE终端节点和路由节点通常是配备了微处理器、无线电传输系统、供电系统和一个或者多个传感器的低功耗微型嵌入式设备。节点根据不同的传感器类型来采集相应的环境信息1415，将采集到的环境信息经过数据处理之后以无线方式发送给协调器。路由节点除了进行环境信息采集和数据处理外，还要对其它节点发来的数据进行寻址、转发等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务13。222无线传感器网络的无线传输技术无线方式种类繁多，实现方式多种多样，所以实际运用中可供选择的方案也很多，这些无线技术各有自身的特点，选用哪种无线方法，要根据产品的需要和未来市场的前景来决定，下面对几种主流无线技术作简要介绍和对比。1WLAN无线技术无线局域网WIRELESSLOCALAREANETWORK,WLAN技术始于20世纪80年代中期，美国联邦通信委员会FCCFEDERALCOMMUNICATIONSCOMMISSION规定了WLAN可使用的频带以及各频带使用的功率。目前，WLAN主流实用标准是IEEE80211标准的B,A,G版本。而下一代IEEE80211N标准在之前的版本上进行了多处改进，性能得到大幅度提升采用正交频分复用技术和多入多处（MIMO）技术，使它的理论最低传输速率为108MBPS，最高传输速率达到320MBPS；采用可以动态调整波束的智能天线技术，提高了信号稳定性和抗干扰性，从而使得覆盖范围扩大到好几平方公里；不但与IEEE80211A，IEEE80211B，IEEE80211G版本兼容，还可以结合无线广域网16。2HOMERF无线技术HOMERF是一种专门针对家庭设备的无线网络。HOMERF小组成立于1998年，1999年第一季度发表了共享无线接入协议SWAP，SHAREDWIRELESSACCESSPROTOCOL规范。SWAP可以同时支持语音业务、数据业务。7终端节点路由节点物联网网关INTERNET江苏科技大学工学硕士学位论文HOMERF技术使电脑、手机和其他电子类消费产品无需额外布线就可进行相互通信。HOMERF集成24GHZISM频段内的几种无线通信技术，以此来满足家庭网络对安全、QOS等专门需求。HOMERF使用跳频扩频技术（FREQUENCYHOPPINGSPREADSPRECTRUM），理论上最高速度可达10MBIT/S，网络覆盖范围为50M17。3HIPERLAN无线技术HIPERLAN标准是由欧洲电信标准化协会ETSI的宽带无线电接入网BRAN小组制定的，是IEEE80211标准的欧洲版本。到目前为止，已推出了HIPERLAN/1和HIPERLAN/2两种标准。HIPERLAN/1在1996年发布，与IEEE80211协议层相比，该协议除了物理层和媒体访问控制子层之外，还有增加了一个信道访问控制子层。该层负责处理与访问信道相关的任务。HIPERLAN/1支持语音、视频和数据业务。语音最大传输速率为32KBIT/S，10NS延时，视频最大传输速率为2MBIT/S，100NS延时，数据传输速率最快，为10MBIT/S。HIPERLAN/2工作频段为515535GH。最大数据传输速率54MBIT/S，并能有效对抗多径干扰，与IEEE802LLA具有相同的物理层1820。4蓝牙无线技术蓝牙技术是由蓝牙SIG于1998年发起提出的，SIG最初是由IBM、INTEL、NOKIA、ERICSSION、TOSHIBA等公司组成。目前已经达到两千多家。蓝牙工作在24GHZSIM频段，采用GPSK调制技术和FHSS扩频技术，传输速率为1MBPS。发射功率分别为0DBM、4DBM和20DBM三级，对应的通信距离从10米到100米。蓝牙40版本规定的信道数据传输速率为25MBPS21。在业务支持上，蓝牙规范同时支持数据业务和语音业务的传输。工作模式上，蓝牙设备可以有两种选择，既主设备或从设备。主设备负责设定跳频序列，从设备必须与主设备保持同步。组网方式上，蓝牙规范支持微网和散射网两种模式，但对前者，一个主设备所支持的从设备不超过7个。多个微网可以通过节点桥接的方式构成散射网22。5ZIGBEE无线技术2000年12月EIEE成立了IEEE802154工作组。这个工作组将致力于定义提供一种低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术。ZIGBEE联盟成立于2002年8月，由霍尼韦尔公司、艾默生公司、施耐德公司以及美国德州仪器等公司组成，如今已经吸引了上百家原始设备制造商和终端产品生产商的加入。ZIGBEE技术基于IEEE802154标准，是旨在解决工业和消费市场上低成本、低能耗，用于远程监控、住宅控制以及楼宇自动化的一种无线传感器网络。可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能和识别功能，能较好地抵抗工业现场的各种电磁干扰23。8第2章物联网网关和无线传感器网络ZIGBEE作为一近年来新提出的无线技术有着很多其他技术所不具备的特点，主要有以下8个方面24271数据传输速率低只有20K字节/秒到250K字节/秒，专注于低传输应用。2功耗低两节普通5号干电池可使用6个月到2年。3成本低ZIGBEE数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且免收专利费。4时延短通常时延都在5毫秒至30毫秒之间。5安全ZIGBEE提供了数据完整性检查和身份确认功能，采用AES128加密算法，确保数据传送的安全性。6有效范围小有效覆盖范围30100米之间，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。7工作频段灵活使用频段为24GHZ、868MHZ及915MHZ。表21列出了上述无线传感网技术的几种重要参数。表21无线技术的参数对比TABLE21THEPARAMETERSOFTHEWIRELESSTECHNOLOGYZIGBEE蓝牙HOMERFWIFIHIPERLAN使用频段24GHZ/9L5MHZ/868MHZ24GHZ24GHZ24GHZ25GHZ调制技术BPSK、OQPSKGFSKFSKQPSKCCKOFDM最大传输速率250KBPS25MBPS16MBPS1MBPS54MBPS安全性高高高高高功耗极低中等中等高中等复杂性简单复杂复杂非常复杂复杂覆盖距离100M10M10M50M30150M网络节点数255812750使用成本低中等中等中等中等安装难度简单简单简单简单难ZIGBEE是近几年才发展的一种新兴技术。为了能够让学生接触新技术以便更好地为社会服务以及本课题对无线传感网中的数据传输速率要求较低等因素，课题选用ZIGBEE无线技术方案。选择该方案还因为它有着低成本，低复杂度，超低功率，广阔的市场前景等特点。9江苏科技大学工学硕士学位论文23本章总结本章首先介绍物联网网关定义、功能。然后简要地介绍了目前市场上几种比较主流的无线通信技术，并从传输速率、覆盖距离、安全性等几个方面对这几种无线通信技术进行了对比。结合本课题的应用领域选择了ZIGBEE无线技术方案。10第3章ZIGBEE通信协议框架及网络拓扑第3章ZIGBEE通信协议框架及网络拓扑31ZIGBEE协议结构ZIGBEE无线网络协议层如图31所示，ZIGBEE无线网络协议层基于国际标准组织（ISO）的开放体系基本互连（OSI）参考模型。OSI参考模型有七层，但ZIGBEE无线网络协议层仅包含了OSI中的两层物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）。这两层的具体功能和特性在IEEE802154标准中定义，是实现低功耗、低速率无线网络所必须的两层，。网络层和应用层由ZIGBEE联盟组织发布的标准定义。在两个标准中都有定义安全机制。每一层通过服务访问点（SAPS）与相邻层进行通讯。SAP是一个概念位置，当前协议层通过服务访问点可以响应另一层的服务请求。图31ZIGBEE网络协议层FIG31ZIGBEENETWORKPROTOCOLLAYER311IEEE802154物理层规范IEEE802154定义了物理层的功能、与MAC层的接口，还定义了一些硬件参数如接收敏感度、传输器输出功率等。该层主要负责对当前频道进行能量检测、载波监听、链路质量指示、回收空闲信道，激活用来发送或者接受数据包的无线收发器，选择信道并确保该信道不被其他网络中的设备使用等任务28。11江苏科技大学工学硕士学位论文IEEE802154规定信道频率由信道号和信道页共同确定。每个信道页中最多可含有27个信道。表31解释了IEEE802154标准中的信道分配。其中，24GHZ为全球统一无需申请的ISM频段，868MHZ是欧洲的ISM频段，915MHZ是美国的ISM频段。表31信道分配TABLE31CHANNELASSIGNMENT信道页信道号描述00868MHZBANDBPSK110915MHZBANDBPSK112624GHZBANDOQPSK10868MHZBANDASK110915MHZBANDASK1126RESERVED20868MHZBANDOQPSK110915MHZBANDOQPSK1126RESERVED331RESERVED信道页02通常适用于868/915MHZ和24GHZ频段，信道页331保留。每个信道都由一个信道号唯一标示，在信道页02中，第一个信道号被分配给了868MHZ频段，其中心频率为8683MHZ。对于其他频段，最小信道号为1，该最小信道号分配给了该频段中频率最低的信道。结合图32，信道中心频率定义可由式（31）、（32）、（33）表示，其中K是信道号2930。图32信道频率FIG32CHANNELFREQUENCYFC8683MHZ,K0FC9062K1MHZ,K1,2,3,10FC24055K11MHZ,K11,12,2631323312第3章ZIGBEE通信协议框架及网络拓扑312IEEE802154MAC层规范MAC层主要完成对所有设备访问物理无线信道的过程管理。具体操作包括产生网络信标帧（仅限协调器）、产生同步信标帧、协助PAN入网和离网、对发送或接受的空中无线信号加解密、采用CSMACA机制进行空闲信道扫描、处理和维持同步时隙机制、在两个对等的MAC实体间提供可靠的链路连接31。如图33所示，MAC层提供两种类型服务MAC数据服务和MAC管理服务。MAC数据服务为传输数据到网络层提供相应机制。MAC管理服务为网络层控制通信、无线电、网络功能参数提供相应机制。网络层数据实体（NLDE）可通过MAC公共子层访问点（MCPSSAP）调用MAC数据服务，通过MLMESAP调用MAC层的管理服务32。313网络层规范图33MAC层参考模型FIG33MACREFERENCEMODEL网络层位于MAC层和应用层之间，主要负责建立无线网络和路由选择。路由选择是一个选择通信路径的过程，信息通过选定的路径以中继的方式送达目标设备。ZIGBEE中的协调器和路由器负责建立和维护网络中的路由表。ZIGBEE网络中的终端节点不具备执行路由选择的功能33，只有协调器或者路由器具备该功能。一个网络中有且只有一个协调器，它负责无线网络的建立，确定网络拓扑结构（树形结构、星型结构和网状结构），分配无线网络内的短地址，该短地址全网唯一。网络层提供两种服务数据服务和管理服务。如图34所示，网络层数据实体（NLDE）负责数据的传输，应用层通过NLDESAP调用网络层数据服务。网络层管理实体（MLME）负责网络的管理任务，如维护网络信息数据库（NIB）等。应用层或者更高层可以通过MLMESAP调用管理服务34。13江苏科技大学工学硕士学位论文图34ZIGBEE网络层与APL和MAC层接口FIG34THEZIGBEENETWORKLAYERINTERFACINGWITHTHEMACANDAPL网络层还提供了三种通信机制广播，多播和单播。如图35所示，在广播通讯中，网络中的任意设备都可以接收到某一节点发出的消息；在多播通讯中，同一组（非整个网络）的所有节点都可以接收到消息；而单播则是仅将消息发送至特定的一个节点，属于点对点通讯。314应用层规范图35A广播，B多播，C单播通信机制FIG35ABROADCAST,BMULTICAST,C