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1 引言：
伴随着zigbee技术在无线传感器网络的广泛应用和td-cdma在我国的蓬勃发展，监控中心如何利用td-scdma网络对zigbee构成的网络进行远程管理，控制感测环境中的各种传感器装置，逐渐成为该领域的一个重要课题。但由于zigbee和td-scdma的协议不同，以至于数据在这两个网络之间无法进行透明传输。在这里我们设计了zigbee/td-scdma网关用于解决上述问题，使得zigbee节点采集的数据能够通过td-scdma网络远程及时地发送出去，同时监控中心也可以向zigbee节点发送控制命令。
2 网关系统概述
网关是建立在传输层以上的协议转换器，通常连接两个或多个不同的网络，每接收一种协议的数据包，利用用户编写的应用程序，在转发之前，将该数据包转换成另一种协议的格式，我们设计的网关协议模型如图1所示[7]：
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图 1 网关协议模型
2.1 硬件设计思想
该网关采用ARM处理器作为网关的主系统，CC2430以zigbee协议为基础，在网关与zigbee路由节点和终端节点之间接收数据通信，TD-SCDMA模块用于将zigbee节点的数据发送到控制中心以及从控制中心接收命令，系统硬件的总体结构如图2所示[5]：
图 2 网关硬件框架图
如图所示，ZigBee /TD-SCDMA网关由若干硬件单元构成。ARM处理器是ZigBee /TD-SCDMA网关的控制核心，ARM处理器（LPC2214）与ZigBee 模块（CC2430）通过串口相连，如图3[2]所示，ZigBee 模块通过射频接口与天线相连，天线用于收发无线信号。RAM通过地址数据总线与ARM处理器相连，Flash通过地址数据总线与ARM处理器相连，用于存储数据信息。ARM处理器的另一端通过串口与TD-SCDMA模块相连，同时，TD-SCDMA模块连接TD-SCDMA天线，用于收发无线信号。ZigBee 模块与ZigBee节点通过无线方式通信；TD-SCDMA模块与TD-SCDMA网络通过无线方式通信。
图 3 CC2430与LPC2214关键引脚连接图
如图3所示，zigbee模块与LPC2214通过串口进行数据的传输，其中zigbee模块与LPC2214通过RXD和TXD两个引脚进行连接，由于LPC2214没有RTS和CTS两个引脚，所以在进行数据传输之前，要通过AT指令将zigbee模块设置成无流控的形式，然后就可以进行数据的传输。
2.2 zigbee/td-scdma网关的工作过程：
如图2，在网关内部，当没有ZigBee节点接入时，TD-SCDMA模块与服务器断开连接；当有ZigBee节点需要接入时，网关先建立ZigBee节点与ZigBee模块之间的连接，再建立TD-SCDMA模块与TD-SCDMA服务器之间的连接。
ZigBee模块建立连接时，ZigBee节点先通过ZAO查询网关的服务信息，再通过ZDO发出连接要求，APS负责上层应用程式物件与下层网络层的协调，NWK负责找寻并维护节点间的绕径路线并传送封装包到目标节点[4]；TD-SCDMA模块建立连接时，通过AT指令控制连接TD-SCDMA网络（包括PHY层、MAC层、RLC层、PDCP层等），之后通过PPP协议与服务器进行连接，获取IP地址等参数。
2.3、ZigBee /TD-SCDMA的处理过程：
网关中的zigbee模块可以是两种设备类型：协调器、路由器。在该网关中，zigbee模块设计为协调器。网关将提取ZigBee节点发送过来的有效数据，并将其使用TCP/IP封装后再通过TD-SCDMA模块发送到终端客户；同时，网关也将提取终端客户发送过来的通过TCP/IP协议封装的有效数据，并将这些有效数据封装到ZigBee协议中，然后通过ZigBee模块发送给ZigBee节点。
网关实现TCP/IP协议客户端及服务端两种角色。做客户端使用时，网关会利用TCP/IP协议主动连接预先定义的终端客户的IP地址及端口号，完成Socket连接；作为服务端使用时，网关将通过TD-SCDMA模块申请到的IP地址注册到动态域名中，并且会在某个预定义的端口上进行Socket监听，这样，终端客户就可以通过动态域名知道网关的IP地址，并且连接到网关预定义的端口上，完成Socket连接。在客户端或服务端的Socket连接完成之后，就可以在这个Socket与ZigBee协议之间转发数据了。
3 网关软件设计思想
zigbee/td-scdma网关的软件设计主要包括两个方面：CC2430和ARM处理器，下面详细地介绍CC2430和ARM处理器的软件设计。
3.1 CC2430的软件设计
CC2430的软件设计主要依据于z-stack,它分别由zigbee协议栈、zigbee应用、硬件支持包组成。
CC2430在充当接收和发送器的时候，它只负责对数据进行接收和发送，而不对数据进行任何的处理。在网关中，CC2430充当协调器，主要负责将zigbee节点的数据转发到ARM处理器中，同时CC2430还要建立网络和维护网络。在对CC2430进行软件设计的过程中，首先对硬件部分进行初始化，然后建立PAN标识符，广播地址ID等等，并且协调器会保持对网络节点的监控状态，当协调器接收到信号的时候，首先判断这个信号是否来自于一个新节点？如果是一个新节点，并且要加入到网络中，协调器会分配一个16位短地址到这个新节点中；如果不是，协调器就会将这个数据包（信号）通过UART引脚直接传到ARM处理器中。协调器的流程图如图4所示[3]：
图 4 协调器接收数据流程图
协调器在接收与发送数据之前，首先要与ZigBee节点组成ZigBee网络，以便把ZigBee节点采集的数据汇聚起来，组建网络是通过zg_aplFormNetwork()函数来完成的，在组成网络之后，等待其他节点的加入。
网络组建成之后，就要从zigbee节点去接收信号，信号分为两种：一种是要加入网络的信号，一种是zigbee节点采集的数据。当协调器监测到信号时，协调器将接收到的原语传输到网络层，网络层判断该节点是否为已连接的设备，如果是，则通过串口发送数据，否则，给要加入的设备分配短地址。
3.2 ARM处理器的软件设计
ARM处理器是实现zigbee网络与td-scdma网络的透明传输的关键系统，将zigbe协议转换成td-scdma协议，实现数据的远距离传输,同时能够将td-scdma协议转换层zigbee协议，向zigbee节点发送控制命令。
ARM处理器首先初始化硬件，然后打开中断和接收数据包，并且对其分析和处理，流程图如图5所示[1]：
图5 ARM处理器处理数据的流程图
由于打开了中断，所以处理器在处理数据的过程中有时会发生中断或异常中断，在进入中断程序之前，必须保存当前所有的值，而后在进入到中断处理程序中，首先处理器会将中断标志位清零，然后对相关的寄存器进行一系列的设置，当处理完成后返回中断节点处，继续运行。
为了改进系统的实时性、增强实时性能和简化系统的应用程序，我们移植
μC/OS-II 嵌入式操作系统到LPC2214中，LPC2214的整个软件模型如图6所示[6]：
图 6 LPC2214软件模型
LPC2214中的软件模型主要包括2个任务和串口接收中断的子程序，这2个主要任务就是zigbeetask()和td-scdmatask(),这两个任务的主要是对接收到的数据进行处理。当串口在中断的子程序中接收完了所有的数据，根据接收的方向，发送zigbeeqflag或td-scdmaqflag进行激活zigbeetask()或td-scdmatask()任务.
在这里，特别强调一点，当LPC2214串口接收到的数据长度大于LPC2214串口能够接收到的最大数据长度时，为了便于用中断方式接收处理，在串口初始化的函数中，应该同时打开接收数据（RDA）中断和字符超时指示中断（CTI）。
3.3 传输数据的帧结构
监控中心与采集中心之间的数据交流是以帧的形式传输的。在通信的过程，为了使双方对能够接收到的数据进行及时的传输、解析，整个系统要应用确定的帧格式。
在煤矿定位系统中，为了确保数据能够及时的传输，网关需要设计通信协议的帧格式，包括采集中心发送的数据帧和监控中心发送的命令帧，但由于数据帧和命令帧的数据长度不同，以及能够使网关更能够迅速的处理数据，命令帧和数据帧的帧结构如图7所示[6]：
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帧头
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数据长度
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源地址
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目的地址
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数据类型
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数据
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尾部
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1个 Byte
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1个 Byte
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1~6 Byte
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1~6 Byte
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1 Byte
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1~65Byte
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1 Byte
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图 7 数据帧和命令帧的帧结构
3.4 协议转换软件原理
zigbee/td-scdma网关主要实现zigbee网络与td-scdma网络的双向传输，下面我们简单地介绍一下从zigbee往td-scdma的传输过程。当zigbee/td-scdma网关从zigbee节点中接收到数据时，zigbee模块将接收到的数据传输到ARM处理器，ARM处理器对接收到的数据进行处理，去掉zigbee协议栈头，提取有用的数据载荷，然后加上td-scdma的协议栈头，具体过程如下：去掉zigbee PHY头帧→去掉zigbee MAC头帧→去掉zigbee NWK头帧→添加TCP头帧→添加td-scdma IP头帧→添加td-scdma PPP头帧→添加td-scdma PDCP头帧→添加td-scdma RLC头帧→添加td-scdma MAC头帧→添加td-scdma PHY头帧。从td-scdma向zigbee传输数据的处理的过程想反[1]。对zigbee模块传送过来的数据处理流程图如图8所示：
图 8 对从zigbee网络发送的数据处理流程图
由于从td-scdma网络发送过来的数据处理的原理与其相反。就不在此叙述。
Zigbee/td-scdma网关内部的分组转换图如图9所示[7]：
图 9 网关内部的分组转换图
4 结束语
本论文采用zigbee模块和td-scdma模块为基本的传输模块，以LPC2214为核心设备，设计了无线传感网络网关，它的设计是鉴于zigbee短距离无线通信和td-scdma的远距离传输的各自优点。zigbee/td-scdma网关结合两个网络来完成数据的远程传输，同时我们详细地阐述了网关的硬件设计和软件设计，使得网关能够可靠地运行，能够将需要传输的数据及时地传送出去。
参考文献
[1]刘承龙，凌志浩 基于AT91SAM260的ZigBee
多功能网关设计.自动化仪表，2009年12月,第30卷第12期:31-33
[2]申冬玲
基于zigbee的无线通信模块与串行存储器接口方法的研究.佛山科学技术学院学报，2009年7月,第27卷第4期:32-35
[3]于洋，张东伟，崔建军
基于zigbee技术的井下人员定位系统的设计.煤矿机械，2009年12月，第30卷第12期:19-21
[4]王锐华，于全.浅析ZigBee技术[J].电视技术，2004(6):33-35
[5]Hong jiang He,Zhu qiang Yue,Xiao jie Wang,Design
and Realization of wireless sensor network gateway
based on zigbee and GPRS. Second International
Conference on Information and Computing Science,2009
[6]He zhi Ye,Jiang Peng,Design of wireless gateway
based on zigbee and GPRS technology，2009
[7]Guo zhen Hu, Design and Implementation of
Industrial Wireless Gateway Based on ZigBee
Communication. The Ninth International Conference on
Electronic Measurement & Instruments,684-688，2009
作者简介：
金纯(1966-
)，男，博士，研究方向为数字电视，IPTV,通信及计算机软件；
任涛(1987- ),
男，硕士，重庆邮电大学研究生，研究方向为无线通信
王晓(1966-
)，男，研究方向为短距离无线通讯技术和数字电视技术
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