研究与开发 ZigBee和蓝牙技术的互补性网关设计及应用 张毅1,2熊鹏 ,李琳。。罗 元。 (1.重庆邮电大学自动化学院重庆400065;2.重庆邮电大学通信学院重庆400065; 3.重庆邮电大学光电工程学院重庆400065) 1 引言 现阶段随着物联网的发展.对短距离无线通信技术的 研究越来越多。2.4 GHz ISM频段上的无线技术越来越多, 各种技术的相互干扰势必存在.然而对各种技术的特点和 通信:利用ZigBee技术可以方便简洁地获取和利用家居 信息。由此可见。随着时代的发展。ZigBee和蓝牙技术在计 算机外设、互动玩具、家庭自动化和工业自动化等应用领 域及在未来的穿戴网络(wearable network)中的互补关系 将逐渐显现。因此本文通过对ZigBee技术和Bluetooth技 互补性却极少研究。在物联网的发展中,短距离无线通信 技术的互补优势会渐渐突显出来.对短距离无线通信技术 的互补性研究对物联息技术极为重要。如在家庭中会 同时存在蓝牙耳机、蓝牙设备和ZigBee家电监控器、环境 监测器等,这就存在两种设备共存的问题。短距离ZigBee 和Bluetooth无线通信技术在家居和工业自动化等领域的 应用中有许多共同之处,但它们却不是完全竞争的技术。 术的研究,基于二者的不同侧重点,在传感器网络和移动 网络接入等方面的不同优势,设计了基于ZigBee和蓝牙 技术的互补性网关。并通过实验验证其能有效地简化 ZigBee传感器网络与互联网之间的信息交互,实现有效的 远程控制,使短距离通信与长距离通信能更好地互联互 通,拓宽短距离无线通信的应用。 在ZigBee和蓝牙技术的关系上。ZigBee联盟认为ZigBee 和蓝牙技术是互为补充,而不是互相竞争_l1。如在家居或社 区服务中,利用蓝牙技术。能够有效地简化移动通信终端 2 ZigBee和蓝牙技术的分析与比较 2.1 ZigBee与蓝牙技术的对比 ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速 设备之间的通信,也能够成功地简化设备与互联网之间的 国家科技部国际科技合作项目基金资助项目(No.2010DFA12160), 国家自然科学基金资助项目(No.51075420,No.60905066) 率、低成本的双向无线通信技术,主要适合于自动控制、传 感、监控和远程控制等领域,可以嵌入各种设备中 。由于 ZigBee具有功耗极低、系统简单、成本低、低等待时间 电信科学J (1atency time)和低数据速率的性质,非常适合于低功耗、 地简化设备与互联网之间的通信,ZigBee技术则在这方面 存在不足。ZigBee技术更适合控制设备、环境监测,它不需 要很高的传输速率,但是要求低功耗、低成本和易使用,可 用于环境监测、遥控、家庭自动化等嘲,其侧重于远程控制 与自动化。由于侧重点不同,这两个技术可能同时都需要, 低数据速率的监视、有大量终端设备的传感网络。其技术 特点倾向于远程控制和自动化f3J。 蓝牙技术是一种支持设备短距离通信(一般10 m内) 的无线电技术,其侧重于面向用户设备的移动性和消除短 距离设备之间的电缆的技术。自蓝牙技术规范发布以来, 它在越来越多的领域得到了应用。利用蓝牙技术,能够有 例如在家庭中会同时存在蓝牙耳机和ZigBee家电监控 器、环境监测等.这就存在两种设备共存的问题。 在性能上。蓝牙技术采用FHSS并将2.4 GHz ISM频 效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简 化设备与互联网之间的通信.从而使数据传输变得更加迅 速高效,为无线通信拓宽道路。 段划分成79个l MHz的信道,蓝牙设备以伪随机码方式 在这79个信道间每秒钟跳1 600次。跳频技术的理论是 根据在多组使用2.4 GHz频带的系统下,这些系统仅在部 直观地比较ZigBee和蓝牙技术,其主要技术及性能 参数如表1所示。 2.2 ZigBee与蓝牙网络共存 分时间才会发生使用频率冲突,其他时间则能在彼此相异 无干扰的频道中运作。ZigBee系统是非跳频系统,所以蓝 通过对ZigBee与蓝牙技术的对比分析可知,ZigBee与 蓝牙技术都属于无线个域网络(WPAN)标准,且都工作于 2.4 GHz频段,有相同点又有区别。在二者的共存环境下势 牙技术在79次通信中才有1次会和ZigBee的通信频率产 生重叠,且将会迅速跳至另一个频率。在大多数情况下,蓝 牙技术不会对ZigBee产生严重威胁.而ZigBee对蓝牙系 统的影响可以忽略不计 。参考文献[4】和[5】对两者共存以 及相互干扰的特性的研究。证明两者互联工作的方案切实 可行。 必会存在信号的相互干扰的问题。 应用上,蓝牙技术主要面向话音和更高的数据传输速 率。适合于话音和手机设备等,是侧重于用户设备的移动 性和消除短距离设备之间的电缆的技术。用蓝牙技术,能 因此结合两种技术在应用方面不一样的侧重点, 够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够成功 ZigBee适用于传感网络,而蓝牙技术能够简化移动通信终 表1 ZigBee和蓝牙的主要技术及性能参数 研究与评发 图1 ZigBee与蓝牙模块的硬件连接 端设备之间的通信,也能够简化设备与互联网之间的通 信,因此设计了选择蓝牙技术作为ZigBee传感器网络与 移动网络/互联网的链接和接人媒介的网关.有效地解决 ZigBee网络与互联网/移动网络的互联互通。 连接如图1所示。 3.2 ZigBee、蓝牙设备之fB-I信息的数据域格式的设计 在ZigBee协调节点将终端节点上传的数据帧格式依 次进行网络层、MAC层和PHY层的帧头和帧尾进行解封, 3基于蓝牙和ZigBee的信息交换的协议 栈设计 通过对ZigBee和蓝牙技术的分析与比较。从性能 和应用上讨论了ZigBee与蓝牙技术二者共存的可行 获得终端节点的数据。然后将数据发送至蓝牙设备,蓝牙 设备对数据添加L2CAP头的蓝牙分组、物理层头的蓝牙 分组并发送至蓝牙设备(智能手机) 。 本设计将对信息的数据域格式进行如下规定:定义 1 byte的数据命令域,2 byte的节点地址信息域和数据有 效载荷域,如图2所示。 性。并依据二者的优势和互补特性设计了信息交换的 协议栈。 3.1 ZigBee与蓝牙模块的硬件连接 命令域Il 信息域 l 数据有效载荷域 伺 戳 l ZigBee模块采用无线龙公司的CC2430模块,集成符 合IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机和 高性能、低功耗的8051微控制器内核,具有优良的无线接 图2数据域格式 规定数据命令域包括1 bit的数据方向位和7 bit的 数据控制命令位。 收灵敏度和强大的抗干扰性能,其电压范围为1.8—3.6 Vt+J。 ZigBee的外围设备由4个按键和RS.232接13等组成。蓝 牙设备主要采用CSR BC03MM External芯片的BC417蓝 牙模块。其集成了蓝牙V2.0的协议规范,内置16位立体 数据命令域的最高比特位为数据传输方向位,分为上 下行数据传输。当最高比特位为1时,为下行数据传输。最 高比特位为O时。为上行数据传输。本设计中的上行数据 传输为数据由ZigBee终端节点传至ZigBee协调节点,再 传至蓝牙,蓝牙传至上层设备。下行数据传输为数据由上 层设备传至蓝牙,蓝牙传至ZigBee协调节点,再传至 ZigBee终端节点。 声编解码器和DSP,DAC信噪比达80 dB。内部DSP结合 CVC软件,可实现免提消回音功能。该模块可方便应用于 多种蓝牙产品,且具有PIO、AIO、UART、USB、PCM、SPK OUT(L、R1、MIC IN等多种应用接13,供电电压为1.8—3-3 V。 两个芯片之间的通信通过RS232串El通信,其中 CC2430是这个系统中关键的部分,因为两设备之间的所 有管理程序都写在CC2430芯片当中。同时,因为蓝牙芯 片和ZigBee芯片的供电电压(1.8—3.3 V)都是一样的,所以 在连接两个设备时,只要接13配置好了,中间就不需要另 加电平转换模块,只要把它们直接相连就行了。两设备的 数据命令域的低7位为数据的控制命令,用户可以设 置27个数据命令,对下层终端设备进行控制。主要考虑到 控制命令是由上层设备对下层设备的操作,因此本设计的 命令主要是针对下行数据而言。也可设计ZigBee网络节 点之间的控制命令,本设计中先不考虑。 节点地址域为ZigBee终端设备16 bit的网络地址,是 传输数据的源地址和命令数据的目的地址。 电储辩 数据有效载荷域为传输的有效数据。 为了减小蓝牙设备对ZigBee设备的干扰,在ZigBee 协议栈中设置每次数据发送后返回确认帧.在有效的重发 次数(3次)内实现数据的传送,若在重发次数内无法实现 数据的有效传输,则丢弃该帧,发送下一帧数据。 3.3应用层数据处理设计与分析 输成功。若终端节点没有收到返回的确认帧,则重发。 (3)ZigBee协调节点提取信息帧中的源地址(主要是 指网络节点的16 bit网络地址),然后依次去除信息帧中 的网络层帧头和帧尾,MAC层的帧头和帧尾。物理层的帧 头和帧尾,获取有效的数据载荷。 (4)根据判断的数据帧格式的最高位来控制数据的传 蓝牙与ZigBee之间数据传输的一般过程如下。 对从ZigBee设备发送到上层蓝牙设备(如智能手机) 输方向,若最高位为0,则将所得的数据信息由串口发送 至蓝牙设备。蓝牙设备将数据经蓝牙协议栈封装后发送至 的数据来说,在蓝牙与ZigBee之间它需经过以下处理: ZigBee协调节点从ZigBee设备接收到的数据。去掉物理层 头的ZigBee分组,去掉MAC层头的ZigBee分组,再去掉 网络层头的ZigBee分组,通过应用层解析获得传输的实 时数据,再由ZigBee协调节点对数据进行规定数据格式 帧封装后由串口发送至蓝牙缓存区.之后通过处理器对从 串口收到的数据添加L2CAP头的蓝牙分组,添加物理层 头的蓝牙分组,发送至具有蓝牙的设备。 对从蓝牙设备发送到ZigBee的数据来说。它需要经 过以下处理:从蓝牙设备接收到的数据,去掉物理层头的 蓝牙分组,去掉L2CAP头的蓝牙分组,再由串口发送至 ZigBee串口接收的缓存区,ZigBee根据获得的数据按照规 定的数据帧的格式进行封装向下转发。然后添加网络层头 的ZigBee分组,添加MAC头的ZigBee分组.再添加物理 层头的ZigBee分组。 通过ZigBee与蓝牙应用层对数据的解析/封装后经射 频模块发送至各自网络终端节点。根据所设计的ZigBee、 蓝牙设备之间信息转换的数据帧格式.ZigBee应用层实现 的具体过程如下。 (1)ZigBee网络的终端节点将采集的数据信息经 ZigBee协议栈的应用层,根据设计的数据帧格式进行装 载。设置数据域的高8位为0f不考虑ZigBee网络节点之 间的控制命令);接下来的16 bit装载采集数据的源地址 信息;采集所得信息装载到地址信息后面。数据信息的第 1个字节为采集的信息类型(如温度、湿度、血压、脉搏等), 其后面的n个字节(n小于87.因为MAC数据分组的最大 长度为127 byte,MAC层同步分组头长度为25 byte.考虑 到ZigBee的同步分组头为15 byte。可用于传输有用信息 负载的空间就剩下87 byte了【3 I)为实时采集的数据。 (2)应用层将终端节点采集的数据信息封装完成后,发 送至网络中的路由转发至ZigBee协调节点。ZigBee协调节 点收到信息帧后,发送确认信息帧,告知终端节点。数据传 带有蓝牙适配器的智能手机上.提取数据的信息(信息的 源地址、数据的类型和实时数据等)。 (5)同样,上层蓝牙设备向ZigBee网络发送控制信息 和数据,是根据设计的数据帧的格式.通过对蓝牙 手机的软件开发来实现的。依次设置数据域的最高位为 1、7 bit的控制命令信息、16 bit的目的地址信息和有效 的数据信息(该有效数据域可为0)。封装完成后,发送至 蓝牙设备。 (6)蓝牙设备收到上层设备的信息后,依次去掉蓝牙 物理层的分组和L2CAP头的分组,将信息发送至ZigBee 协调节点。 (7)ZigBee协调器根据判断的信息的最高位来控制数 据的传输方向。若最高位为1,则提取数据命令域后的目 的地址信息,将所得的数据命令信息由射频模块发送至指 定的网络终端。 以此来实现蓝牙设备与ZigBee网络的通信。 4网关验证实验 根据ZigBee与蓝牙模块的硬件连接和协议栈的数 据帧格式的定义.本文将在轮椅网络化系统上进行实 验,验证ZigBee/ ̄ 网关的设计可行性。轮椅网络化系 统由家居监测网络、智能轮椅部分和远程监控3部分组 成,家居监测网络主要是完成家居安全状况、家居环境、 用户健康指标3个部分的监测,主要由传感器、ZigBee 终端节点和路由组成:智能轮椅部分主要由网关、控制 器、智能轮椅组成,网关主要实现ZigBee网络与互联网 或移动通信网络的互联互通。控制器主要实现对轮椅的 控制。通过ZigBee/ ̄牙网关的设计。使ZigBee网络与互 联网或移动通信网络的互联互通。用ZigBee/ ̄网关+ 智能手机来取代ZigBee网关+PC机,并以智能手机为中 间媒介进行对轮椅的控制和远程交互。总体设计框图如 图3所示 礤究与释发 ZigBee网络 智能轮椅部分 一j・ I ! 远程设备 ……… I: 堂 ……:图3智能轮椅网络化系统结构 注:ZigBee/Bluetoothl ̄关的应用可以有效地简化ZigBee ̄络和互联网/移动通信网络的连接,能使智能手机替代计算机 控制整个zigBee网络和轮椅 4.1 智能轮椅部分 智能轮椅进行操控;另一方面.通过与家居网络建立的连 接,对家居设备进行控制。 4.4实验结果 智能轮椅部分主要实现ZigBee网络与互联网或移动 通信网络的互联互通,并以智能手机为中间媒介进行对轮 椅等设备的控制和远程交互。智能轮椅作为家居无线网络 系统连接过程,首先开启ZigBee协调节点建立网络, 相应的子节点加人网络。然后开启蓝牙设备,使之与ZigBee 协调节点建立连接后。通过智能手机开启蓝牙适配器与蓝 牙设备进行连接,实现手机与ZigBee网络的通信。 实验结果如图4所示。 中的一个移动终端设备.选用ARM920T为内核的 ¥3C2410 ARM9微处理器,采用Linux操作系统,其上集成 有Ad Hoe网络等协议栈。采用智能手机作为智能轮椅的 小型化控制系统,开发相应的应用程序通过网关连接 ZigBee网络来获取家居监测网络采集到的家电、环境、人 体健康等信息,实现用户与智能轮椅以及家居环境、家电 设备的交互控制,实现家居的无障碍生活。用户与轮椅的交 互控制,主要是智能手机通过Ad Hoc网络操控智能轮椅。 4.2 ZigBee设备 ZigBee设备主要包括传感器、CC2430模块和外围电 路等。传感器主要采集家电、环境(如温度、湿度、烟气等参 数)、人体健康(血压、脉搏、体温等生理参数)信息,通过外 围预处理电路和CC2430模块的A/D采样送人CPU处理 后由射频模块送出。 4.3蓝牙设备 (a)ZigBee网络采集温度数据在手机上显示的波形 蓝牙设备的主要作用是与ZigBee协调器进行数据的 转换,作为家居传感器网络与智能轮椅、移动网络的连接 媒介,通过数据信息的交互,实现与上层蓝牙设备的通信 互联。上层的蓝牙设备为具有蓝牙适配器的智能手机,可 以根据其自身的功能,实现与远程用户或设备交互,另外, 一(b)ZigBee网络采集数据在手机模拟器上显示的部分数据 图4实验结果 方面通过Ad Hoe网络建立与智能轮椅的通信连接,对 ZigBee/ ̄ 网关的实现使ZigBee/ ̄牙网关+智能手 机取代了ZigBee网关+PC机.可以有效地简化ZigBee网 络与互联网或移动通信网络的互联互通,同时也增加了用 参考文献 1金纯,蒋小字,罗祖秋.ZigBee与蓝牙的分析与比较.信息技术 与标准化.2004(6):17~2O 2成都无线龙通讯科技有限公司.ZigBee协议栈中文使用手册 户对ZigBee传感器网络检测和监控的灵活性。 5 结束语 V6.00,2009 系统充分考虑了蓝牙技术采用无线接口来代替有 3金纯.罗祖秋.罗凤等.ZigBee技术基础及案例分析.北京:国 线电缆连接。具有很强的移植性。且适用于快速移动的 防工业出版社.2008 4李蛟.杨仁锟.肖峻.2.4 GHz无线技术标准及ZigBee抗干扰 端点,具有高效、快速、可靠的通信能力和ZigBee协议组 性能.电气工程技术与标准化.2006(3) 网灵活方便的优越性,架构设计合理,系统功能实现较 5王锐华,益晓新,于全.ZigBee与蓝牙的比较及共存分析.测控 好,性能优良、稳定、安全、可靠,具有低复杂度、低功耗、 技术,2005,24(6):50~52 低成本等优点。因此结合两者的优点,设计了基于 6钟永锋.刘永俊.ZigBee无线传感器网络.北京:北京邮电大学 ZigBee技术和蓝牙技术的网关。通过实现智能轮椅的网 出版社.2011 7 闫伟,王卫东.基于智能手机的生理信号传输系统设计.医疗 络化实验,完成了家居短距离通信与移动长距离通信互 卫生装备,2010,31(10) 联互通。从理论和试验两方面证明了ZigBee和蓝牙互联 8杜晓通.无线传感器网络技术与_T程应用.北京:机械工业出 工作的方案是切实可行的。该网关在信息无障碍的应用 版社.2010 中,可以方便地以智能手机作为智能轮椅的控制系统. 【作者简介】张毅,教授,重庆邮电大学博士生导师,主要研 实现了智能轮椅的控制系统小型化。能有效地扩展信息 究方向为智能系统与机器人、网络管理与信息系统应用;熊鹏, 重庆邮电大学硕士研究生,主要研究方向为网络管理与信息系统 无障碍网络的互联,构建老年人和残障人士的无障碍生 应用;李琳,重庆邮电大学硕士研究生,主要研究方向为电路与系 活空间。在物联网技术发展中,可为物物相连提供一种信 统;罗元,重庆邮电大学硕士研究生,主要研究方向为数字图像处 息互补共存技术。 理、微机电系统(MEMS)、智能信号处理。 Design and Application of the ZigBee&Bluetooth Technology Complementary Gateway Zhang Yi ,Xiong Peng2,Li Lin ,Luo Yuan (1.Automation Institute of Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China; 2.School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China;3.School of Optoelectronic Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing 400065,China) Abstract With the development of Internet of Things,the researches on short—range wireless communications technology become more and more,but little of them are about a variety of complementary technologies.In this paper,with the comparative analysis of ZigBee and Bluetooth technology,the data frame format of information conversion between ZigBee and Bluetooth devices based on the ZigBee protocol stack is designed.The Bluetooth device is as the links and access media between ZigBee sensor network and mobile/internet.The gateway based on ZigBee and Bluetooth is designed and experimented.The experiment shows the design of ZigBee and Bluetooth connectivity is practica1. Key words ZigBee,Bluetooth,coexistence (收稿日期:2011—1O一27)