基于CC2530F256芯片和WiFi协议栈实现双模无线网关的设计方案
基于ieee802.15.4标准的zigbee协议具有自组织、稳定性好、抗干扰性强、功耗低等优点，主要应用于农业、工业检测、军事和医疗等方面。但其控制中心多是pc，不能适应野外等特殊环境。wifi作为一种越来越普及的无线通信技术，凭借覆盖范围广、无需布线等优点，广泛存在于人们的生产生活中。以此提出一种适应于复杂环境的双模无线网关设计方案，具有良好的应用性和前瞻性。
1 系统总体结构
系统由zigbee模块、开发板模块和wifi模块组成。zigbee模块中，coordinator作为zigbee网络的中心节点，负责控制和监测zigbee路由节点，每一个路由节点携带一个传感器，负责把传感器采集的数据发送给coordinator。开发板模块作为协议转换的枢纽，用于解析 coordinator传输的数据。wifi模块，将开发板解析的数据封装成wifi帧。这样就实现双模无线网关的转换，系统结构如图1所示。
图1 系统总体结构
2 无线网关的设计
2.1 zigbee数据流分析
zb253002模块是基于cc2530f256芯片，执行zigbee2007/pro协议的 zigbee模块，它具有zigbee协议的全部特点。其主要的特点：
①自动组网。所有的模块通电即自动组网，协调器（coordinator）自动给所有的节点分配地址，不需要用户手动分配地址，网络加入、应答等专业zigbee组网流程。
②简单数据传输。zb253002模块可以理解为“无线的 rs232 连接”，通过串行端口即可在任意节点间进行数据传输。zigbee模块有两种数据的传输方式：数据透明传输，只要传送的第一个字节不是0xfe、0xfd 或0xfc，则自动进入数据透明传输方式；点对点的数据传输方式，数据传输的格式为0xfd（数据传输命令）+ 0x0a（数据长度）+（目标地址）+（数据）。由协调节点传输给开发板的数据添加以0xfe开头的15字节的节点信息，用来提供给 ti sensor monitor，观察网络结构。
zigbee模块设置命令表如表1所列。
表1 zigbee模块设置命令表
2.2 通信协调器的设计
coordinator是整个网关转换和无线传感器网络建立的中心，是数据传输的中心枢纽。因此，coordinator的设计关系到整个系统的稳定性和可靠性。coordinator cc2530采用zigbee2007协议栈。zstack是ti公司提供的一种轮询式操作系统，借助于z-stack，coordinator上电后，首先进行硬件和网络初始化，然后创建3个任务：①zigbee网络任务，该任务通过coordinator与其子节点的“绑定”完成。其绑定的过程，协调器建立网络，创建绑定表，并设定允许绑定模式，子节点发送绑定请求，coordinator更新绑定表并响应子节点。②串口协议解析任务，该任务用于解析来自开发板和子节点的数据，并将解析后的数据传输给子节点任务或发送给开发板。③子节点任务，该任务主要用于接收子节点返回的数据，并将数据传输给串口协议解析任务。这样zigbee协议帧的解析就转到开发板端，由linux操作系统完成，linux解析完成后，将有效的数据放入指定的共享内存。当 boa收到外部web请求，调用相应的cgi获取共享内存中的数据，并经由无线网卡以wifi的形式传送给用户。
2.3 传输协议的实现
本设计经由linux操作系统完成zigbee协议的解析和wifi协议帧的形成，主要的重点在于coordinator与linux串口传输协议的设计。串口传输协议自定义帧格式如下：
串口传输协议自定义帧格式
自定义帧的格式由帧头、功能号、有效数据长度、有效数据和fcs校验5部分组成。帧头定义为0x02；功能号因获取的数据类型不同而异，有关帧格式功能码定义如表2所列；有效数据长度用于标识读取有效数据的长度范围，最大值为255；有效数据存放zigbee协议帧；fcs校验用于数据段的校验。
表2 协议帧功能码
根据设计中的自定义帧格式，报文中的有效数据被封装成固定格式，通过串口进行传送。开发板和coordinator通过监听串口数据分别对收到得数据包进行解析。解析流程（以coordinator为例）如图2所示，具体解析过程如下。
step1：coordinator监听串口（以中断的方式），直到串口有数据。
step2：读取一个字节，判定是否为自定义帧头。若不是，丢弃数据，回到step1。
step3：读取两个字节，匹配功能码。匹配失败，置错误标志位，丢弃数据，回到step1。
step4：读取一个字节，若该字节数据为0，则直接跳到step6。
step5：若读到的数据值为n（0 step6：读取两个自己数据，对step1~5读到得数据fcs校验，若无差错，发送n个字节的有效数据给z-stack协议栈，由zstack协议栈发送给子节点。回到step1。
step7：若fcs校验错误，置错误标志位，丢弃已读数据，回到step1。
图2 串口协议解析流程图
3 系统软件设计
3.1 系统软件架构
无线网关软件采用模块化设计，如图3所示，由硬件驱动层、操作系统、网络协议层和应用程序组成。硬件驱动层主要描述网关节点中zigbee模块、 wifi模块以及其他外设的一些驱动；操作系统层移植arm linux，添加无线网卡驱动模块；网络协议层主要包括zigbee协议栈和wifi协议栈；应用程序层主要移植了嵌入式web服务器（boa）、嵌入式数据库（sqlite）、cgic库和图形化用户界面（qt）。
图3 系统软件架构图
3.2 系统软件流程
根据系统软件架构图，系统软件数据流详细设计如图4所示。
图4 系统数据流图
以zigbee终端节点发送至异地终端浏览器的数据为例，介绍数据传送的整个过程。当zigbee协调器接收到来自zigbee终端节点的数据后，封装成自定义帧的格式经由串口传送给linux传输协议，经协议解析，将有效数据写入共享内存。当收到外部web请求时，web服务器通过cgi实时获取共享内存中的数据，并动态更新网页，经由wifi无线网卡以无线的形式传送至终端浏览器。
3.3 测试与验证
利用嵌入式技术对两种协议进行解析，完成协议转换，最终利用手机通过wifi远程访问web页面，读取zigbee终端传感器数据，并对zigbee终端的小灯开关进行远程控制，实现双模网关的基本功能。实验结果如图5所示。
图5 实验结果图
结语
本文通过分析zigbee与wifi协议栈的特点，提出了一种双模无线网关转换的方案，该方案可以很好地完成zigbee组网、远程数据采集和远程控制等任务。实验结果表明，基于zigbee和wifi的双模网关切实可行，可以实现全无线网络的组建，为网络通信从有线向无线过渡提供了一种解决方案。
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图1 系统总体结构
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①自动组网。所有的模块通电即自动组网，协调器（coordinator）自动给所有的节点分配地址，不需要用户手动分配地址，网络加入、应答等专业zigbee组网流程。
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表2 协议帧功能码
根据设计中的自定义帧格式，报文中的有效数据被封装成固定格式，通过串口进行传送。开发板和coordinator通过监听串口数据分别对收到得数据包进行解析。解析流程（以coordinator为例）如图2所示，具体解析过程如下。
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step3：读取两个字节，匹配功能码。匹配失败，置错误标志位，丢弃数据，回到step1。
step4：读取一个字节，若该字节数据为0，则直接跳到step6。
step5：若读到的数据值为n（0 step6：读取两个自己数据，对step1~5读到得数据fcs校验，若无差错，发送n个字节的有效数据给z-stack协议栈，由zstack协议栈发送给子节点。回到step1。
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图5 实验结果图
结语
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