基于Zigbee的WSN与IP连接外文翻译资料

 2022-12-18 03:12

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毕业论文（设计）

英文翻译

原文标题 Zigbee Based WSN with IP Connectivity1

译文标题 基于Zigbee的WSN与IP连接

基于Zigbee的WSN与IP连接

Alaparthi Narmada

ECE JNTU

Vignan Institute of Technology and Science,

Deshmukhi, Nalgonda Dt, Andhra Pradesh, INDIA.

Email: a.narmada@ieee.org

摘要：无线传感器网络（WSN）由远程的分布式传感器节点组成，用于测量远程位置的传感器数据。 WSN的每个节点都包含一个与传感器连接的无线微控制器。用户面临使得各种电子设备能够独立工作，如电视，PDA，笔记本电脑等。中间件需要粘合所有这些不同种类的设备。这需要将WSN与IP结合起来满足显示生活中的要求，并使基于IP的WSN的电子设备能够访问相同或不同网络的其他设备。 TCP / IP堆栈不适合移植到WSN节点的内存中。它占用更多内存并导致WSN的更多开销。实现基于IP的WSN有两种基本方法，即基于网关的方法和虚拟网关方法。提出了一种基于无线微控制器的集成IP和WSN的新网络。硬件包括一个协调器，三个路由器，一个集成IP和WSN的手持设备。本文提出了新的寻址机制来创建虚拟IP和WSN地址，作为此集成的一部分。

关键词：WSN; PAN;PANM;IP

  1. 导言

蓝牙，IEEE 802.11 WLAN和IEEE 802.15.4 WSN等无线技术的出现为机器对机器（M2M）通信奠定了基础。 在这方面，需要一种系统，其中设备协作并为人类服务。 具有多个输入和输出单元，提供相干和环绕接口的虚拟设备具有许多优点，包括安全性[1]。 设备可以共享资源，如处理能力，内存，数据，应用程序网络访问点和用户界面。

家中的设备将形成个人区域网络（PAN），其中设备可以在网络中动态地出现和消失。 可以通过使用PAN中间件（PANM）来解决该要求，该PAN中间件能够在PAN上形成虚拟设备，其能够处理设备的动态存在和设备类型的多样性。 本文讨论了PAN中的应用互连，它位于应用层下方和网络层之上。 它隐藏了参与PAN的各个设备，并显示了在设备上运行的应用程序的功能，就好像它们位于一台计算机上一样。中间件还包含一些智能功能，可帮助用户控制PAN并改善人机交互（HCI）。

  1. ZIGBEE 技术

为了实现这一引人注目的概念，并使设备与设备协作，必须建立通信和网络。传统上，PAN被认为是通过蓝牙技术实现的。使用zigbee建立基于IP的PAN是一种自下而上的网络方法，它是一个逐步的过程。 PAN外围设备（zigbee设备）必须与相邻设备建立链路层连接。建立链路连接后，设备可能会继续配置IP网络层并将其状态升级为“zigbee PAN主机”。当建立IP连接[3]时，设备可以继续配置IP网络层以参与网络操作和管理，包括PAN路由协议作为zigbee PAN-Router[4]。网络建立过程从两个设备开始，这两个设备相互发现，协商，相互配对，并在设备发现和链路建立阶段形成初始PAN网络。有两个考虑因素，即。 1.形成家庭网络和人机界面。 2.使用IP连接外部世界。

采用IEEE 802.15.4协议作为低速率无线局域个人局域网（LR-WPAN）的通信标准[2]。 Zigbee是一种无线网络标准，针对远程控制和传感器应用，适用于恶劣无线电环境和隔离场所。 它建立在IEEE标准802.15.4之上，它定义了物理层和MAC层。 Zigbee还定义了应用程序和安全[1]层规范，以实现不同制造商的产品之间的互操作性。 图1显示了Zigbee协议作为IEEE 802.15.4的超集。

许多Zigbee硬件解决方案采用2.4GHz频段。 Zigbee支持网状网络架构，星型拓扑或集群树或混合架构。 群集树拓扑基本上是星形和网格的组合。 图2显示了网状网络和星形网络配置。 该应用中使用的设备最大室内/城市范围为30米，室外范围为100米，工作频率为2.4 GHz，数据速率为250 Kbps

虽然许多技术可以用于形成家庭网络[7]，但是由于家庭中墙壁，家具等的限制，一些无线技术具有距离的限制，例如视线，这可能导致实施无线的问题。连接。 最有希望和最近的技术之一是采用Zigbee协议。 此外，可以有两种解决方案将Zigbee与IP集成，即。 1.采用合适的桥梁2.虚拟桥梁[6]。

  1. 设计方面

作者提出了一个使用Zigbee的无线传感器网络（WSN）的家庭网络，并将其与IP集成。 家庭网络本身是使用Zigbee技术形成的，可以通过具有Zigbee协议的无线微控制器实现。 该系统可以围绕基于IEEE802.15.4标准的无线传感器网络应用的超低功耗，低成本无线微控制器设计（作者使用Jennic无线处理器JN5148）。 建立家庭网络的目的很多，其中一些是：

  1. 通过单个控制器控制任何电气或电子设备，即使它们不在视线范围内
  2. 通过IP远程访问和控制家庭网络中的任何设备。
  3. 任何设备与其他设备共享可用资源。
  4. 使用手持设备分配和控制对家庭网络中的设备中的资源的访问。

网络框图如图3所示

  1. 硬件方面

设计范围是将PDA（或任何带有Wi-Fi的计算机），桌面，灯光，风扇，音频系统，扬声器，门，电视，Zigbee-Mesh网络和中间件的IP连接。 在该网络中，任何设备或其资源可以（无线地）连接到任何其他设备或其任何资源。 一些可能性是：

  1. 电视音频输出可以连接到放置在不同房间的一组扬声器。
  2. 使用手持设备或PDA从PDA打开一扇门
  3. 从网络区域内的任何位置控制任何房间内的任何灯泡，风扇。

为了使用网状结构构建网络[5]，需要使用具有足够内存的无线微控制器来保存802.15.4，Zigbee堆栈，中间件和应用层。 对于每种类型的标准设备，可以向一个或多个应用添加三种类型的应用，即，i）CODEC ii）数字I / O iii）LCD接口。 IP-Zigbee桥接可以使用中间件实现。 Zigbee-CODEC-IR连接到电视接收器的音频系统。 ZIGBEE-DIGITAL-IR连接到继电器板，用于控制灯，风扇，门等。另外一个CODEC-ZIGBEE连接到扬声器。

  1. 将货架堆放到JENNIC处理器上

最初，每个JN-5148都需要加载适当的Zigbee堆栈.JN5148为JN5148设备的无线网络应用开发提供了三种协议选择：

  1. IEEE 802.15.4：这是一种行业标准协议，提供实现无线网络通信的低级功能
  2. JenNet：这是一个专有协议（Jennic Network），它建立在IEEE 802.15.4之上，通过提供网络堆栈层来简化无线网络应用程序的开发。
  3. Zigbee PRO：这是一种基于IEEE 802.15.4的行业标准协议，通过提供支持Mesh网络的网络堆栈层来简化无线网络应用程序开发。

为了将JN5148配置为具有所需堆栈的协调器，路由器或终端设备，开发所需的应用程序模板并将其添加到适当的路径中，构建项目并使用串行端口将.bin文件下载到JN5148无线微控制器。

堆栈的选择取决于所提出的网络的大小和复杂性。 可以在应用程序和IEEE802.15.4层之间插入诸如JenNet或Zigbee PRO的堆栈层，以简化应用程序开发的简化和简化方法

  1. 解决

寻址是建立IP和zigbee之间通信的主要问题之一。 IP遵循Dotted Decimal Format，而Zigbee遵循16位动态地址和64位静态地址。 16位地址可以在网络启动阶段动态改变，但是一旦形成网络就固定。 每个WSN节点都应具有发送命令的节点的地址。 由于WSN节点的混合功能，仅知道Zigbee地址或IP地址是不可行的。 提出了一种新的寻址方案，以便将Zigbee转换为IP地址，反之亦然。 提出了两种方法。

在第一种方法中，“翻译器”通过定义称为devid的设备标识符来使用公共寻址层，以类似的方式识别zigbee节点和IP节点。 它还启动称为转换器的互连节点，以互连zigbee网络（WSN）和公共IP网络。 转换器方法为IP节点生成虚拟zigbee地址，为zigbee节点生成虚拟IP地址，并使用devid跟踪虚拟zigbee地址，IP地址和虚拟IP地址与zigbee地址之间的对应关系。

此方法以下列方式为每个WSN设备分配IP地址。每个WSN设备具有唯一的固定64位设备地址，其中最多32位被丢弃，最低有效32位被使用。将这32位的每个字节转换为BCD格式以获得相应的虚拟IP地址。它还为Zigbee地址的最重要的32位部分分配固定的十六进制值。 IP地址由四个字节组成，它将IP地址的每个字节转换为十六进制等效字节。最后，将该32位部分附加到最高有效32位，以形成64位虚拟WSN节点地址。当WSN设备必须与IP节点通信时，它将数据发送到IP节点的虚拟zigbee地址。转换器方法可以拦截数据转换格式并将其转发到实际的IP节点。类似地，当IP必须向WSN设备发送数据时，它将数据发送到zigbee节点的虚拟IP地址，以便转换器将数据转发到实际目的地zigbee节点。

该系统的关键组件是有状态网关，其中

  1. 为ZigBee节点和IP节点分配相应的虚拟IP / ZigBee地址
  2. 存储对（ZigBee地址，IP地址）
  3. 跟踪所有正在进行的通信 并执行所有必要的格式转换操作

在第二种方法中，翻译器根据其几何位置为每个WSN节点分配一个地址。 IP地址的最后两位（LSB）是缩放的几何坐标。 两个MSB数字对于所有WSN节点是通用的。 这形成了四位数的点分十进制IP地址。 对于每个WSN节点，有三种类型的地址。 固定的硬件地址，动态的网络地址和基于几何的IP地址。

当IP节点向WSN设备发送数据时，它会发送到虚拟IP地址，反之亦然。 中间件的地址管理部分/层拦截数据，并在地址和格式转换后将数据发送到相应的WSN节点。 中间件的该地址管理层将嵌入到所有WSN节点中，因为每个节点都必须知道匹配的三元组地址，以便将数据分组路由到相应的WSN或IP节点。

在这些方法中，数据分组可以从WSN隧道传输到IP网络，反之亦然，而不需要网关。 每当新节点被添加到网络中时，三元组数据库将被更新，并且每个节点都应具有更新的三元组。

  1. 网络运营

当IP节点将数据发送到任何WSN节点时，它将发送到与WSN设备相对应的虚拟IP地址。 类似地，当WSN设备向IP节点发送数据时，它将发送到虚拟zigbee节点地址。 在翻译器的帮助下，相应的无线微控制器（图3中所示的Jennic 5148或硅设备）将获得接收方的相应地址，并将数据发送到WSN堆栈的IP堆栈。

音乐文件可以从IP流传输到手持设备，手持设备作为家庭网络和IP之间的网关。 从手持设备，音乐文件（Say MP3格式）通过无线电广播到WSN中的设备。 在图3所示的示例网络中，可以是其上存在MP3播放器的TV可以使用其MP3播放器播放音乐但是可以使用扬声器在单独的房间中收听，该房间具有与Zigbee堆栈相连的编解码器。 可以使用手持设备完成共享资源的这种配置。

在启用IP的系统（PDA / PC）中，GUI窗口向WSN中的任何设备发出命令。 在启用IP的系统中，命令通过无线电传输到手持设备。 在翻译器的帮助下，命令进一步通过无线电发送到电子设备以进行操作。

每个WSN节点都在固件中使用唯一名称构建，用户可通过该名称识别资源。 在手持设备和GUI中，用户被引导这些名称。 每个WSN节点提供的固件还将列出资源并维护这些资源的唯一ID。 每个节点中存在的中间件有助于使用ID及其所需的连接来解释资源。

  1. 结论

建立一个带有一个协调器和三个路由器的无线传感器网络，使用移植到Zigbee堆栈顶部的应用程序模板进行测试，从而实现资源共享。 Internet和Zigbee堆栈的地址机制完全不同，因此还设计了地址管理层，提出了两种新的寻址方案，即状态网关和地址转换器。

致谢

我们衷心感谢科技部赞助这个题为“实现基于IP的无线传感器网络，重点是图像传输和按需路由”的项目。 本文是该项目研究成果的结果。

参考

[1] Rakesh Kumar Jha and Dr

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