基于精簡(jiǎn)協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究

引言

　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee在整個(gè)協(xié)議棧中處于網(wǎng)絡(luò)層的位置，其下是由IEEE 802.15.4規(guī)范實(shí)現(xiàn)PHY（物理層）和MAC（媒體訪問控制層），對(duì)上ZigBee提供了應(yīng)用層接口。

　　ZigBee可以組成星形、網(wǎng)狀、樹形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，可用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的組網(wǎng)以及其他無(wú)線應(yīng)用。ZigBee工作于2.4 GHz的免執(zhí)照頻段，可以容納高達(dá)65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)的功耗很低，單靠2節(jié)5號(hào)電池就可以維持工作6~24個(gè)月。除此之外，它還具有很高的可靠性和安全性。這些優(yōu)點(diǎn)使基于ZigBee的WSN廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫(yī)用設(shè)備控制等。

　　ZigBee協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，是ZigBee的核心。目前國(guó)外帶有ZigBee協(xié)議棧的全功能開發(fā)系統(tǒng)的價(jià)格非常高昂，而且ZigBee/802.15.4協(xié)議棧全部只提供二進(jìn)制/不可修改的目標(biāo)代碼庫(kù)供用戶使用。本文研究的ZigBee精簡(jiǎn)版協(xié)議棧代碼開放，在某些應(yīng)用中可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)版協(xié)議棧的效果，但是費(fèi)用卻低很多，因此具有較高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

1  ZigBee精簡(jiǎn)協(xié)議棧簡(jiǎn)介

　　美國(guó)密西西比州立大學(xué)的Robert Reese教授出于教學(xué)、科研目的開發(fā)出一套精簡(jiǎn)版（subset）ZigBee協(xié)議棧。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧和精簡(jiǎn)協(xié)議棧的功能對(duì)比如表1所列，可以看出，精簡(jiǎn)協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了ZigBee的主要功能。國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)在此精簡(jiǎn)協(xié)議上進(jìn)行擴(kuò)充，實(shí)現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。

　　這里再補(bǔ)充一些術(shù)語(yǔ)概念，這有助于理解協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)。

　　IEEE Address節(jié)點(diǎn)的8位802.15.4網(wǎng)絡(luò)地址，也稱為長(zhǎng)地址。
　　Network Address節(jié)點(diǎn)的2位網(wǎng)絡(luò)地址，也稱短地址。
　　PAN個(gè)人局域網(wǎng)。
　　PAN ID個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符。
　　HAL協(xié)議棧物理抽象層。
　　PHY協(xié)議棧物理層。
　　MAC協(xié)議棧媒體訪問控制層。
　　NWK協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層。
　　APS協(xié)議棧應(yīng)用支持層。
　　APL協(xié)議棧應(yīng)用層。
　　精簡(jiǎn)協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)如表2所列。

表1
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表2
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2  ZigBee協(xié)議編程

　　對(duì)于實(shí)際應(yīng)用來(lái)說(shuō)，最重要的是協(xié)議棧的APL函數(shù)。協(xié)議棧的每一層都有自己的有限狀態(tài)機(jī)(FSM)以追蹤要進(jìn)行的操作。頂層的狀態(tài)機(jī)函數(shù)為apsFSM()，這個(gè)函數(shù)需要最早被調(diào)用以使協(xié)議棧運(yùn)行，這與標(biāo)準(zhǔn)棧中的APLTask()函數(shù)等價(jià)。所有的應(yīng)用層函數(shù)都以apl或者aps開頭，這些函數(shù)被分為兩類： 一類是對(duì)棧內(nèi)數(shù)據(jù)的存取函數(shù)，一類是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程觸發(fā)一系列事件的服務(wù)函數(shù)(調(diào)用)。這里需要說(shuō)明的是服務(wù)調(diào)用不能重疊，這可以通過(guò)調(diào)用apsBusy()函數(shù)進(jìn)行判斷。

2.1  節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

　　如果節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器(coordinator)，那么需要定義LRWPAN_COORDINATOR；而如果節(jié)點(diǎn)作為路由器(router)則需要定義LRWPAN_ROUTER；如果兩者都沒有定義，將作為RFD節(jié)點(diǎn)。
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò)，然后進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)并調(diào)用apsFSM()運(yùn)行協(xié)議棧。調(diào)用aplFormNetwork()服務(wù)后調(diào)用函數(shù)aplGetStatus()，如果返回了LRWPAN_SUCCESS則表示服務(wù)調(diào)用成功。代碼如下：

main() {
　　halInit();//初始化HAL 層
　　evbInit();//初始化評(píng)估板
　　aplInit();//初始化協(xié)議棧
　　ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//開中斷
　　aplFormNetwork();//形成網(wǎng)絡(luò)
　　while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
　　while(1) {apsFSM();}//運(yùn)行協(xié)議棧棧
　　}

　　路由器節(jié)點(diǎn)通過(guò)調(diào)用aplJoinNetwork()運(yùn)行協(xié)議棧。代碼如下：

main() {
　　halInit();//初始化HAL 層
　　evbInit();//初始化評(píng)估板
　　aplInit();//初始化協(xié)議棧
　　ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//開中斷嘗試接入網(wǎng)絡(luò)直至成功
　　do { aplJoinNetwork(); //接入網(wǎng)絡(luò)
　　　　while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
　　}while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS);
　　while(1) {apsFSM();}//運(yùn)行協(xié)議棧
}

2.2  發(fā)送消息

　　應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用aplSendMSG()函數(shù)發(fā)送消息包。此函數(shù)的定義如下：

　　aplSendMSG(
　　BYTE dstMode,//目標(biāo)地址的地址模式
　　LADDR_UNION * dstADDR, //目的地址的指針
　　BYTE dstEP,//目標(biāo)端點(diǎn)(直接消息方式不用)
　　BYTE cluster,//簇號(hào)(僅用于直接消息)
　　BYTE scrEP,//消息源端點(diǎn)
　　BYTE* pload,//用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針
　　BYTE plen,//緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)
　　BYTE tsn,//消息的事務(wù)隊(duì)列數(shù)
　　BYTE reqack//如果非0則要求確認(rèn)
　　)

　　消息從源節(jié)點(diǎn)的源端點(diǎn)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的目標(biāo)端點(diǎn)。消息分直接消息(指定了目標(biāo)地址)和非直接消息(僅定義了源節(jié)點(diǎn)、源端點(diǎn)和簇，沒有指定目標(biāo)地址)。端點(diǎn)號(hào)從1到255由應(yīng)用程序設(shè)置(端點(diǎn)0由棧保留使用)。消息發(fā)送以，協(xié)議棧會(huì)向父節(jié)點(diǎn)路由此消息。如果收到APS的ack確認(rèn)，協(xié)議棧就會(huì)將消息發(fā)送給目標(biāo)端點(diǎn)。

2.3  接收消息

　　協(xié)議棧使用以下APL訪問函數(shù)接收數(shù)據(jù)包。

aplGetRxDstEp()返回目的端點(diǎn)
aplGetRxCluster()返回簇號(hào)
aplGetRxSrcEp()返回源端點(diǎn)
aplGetRxSADDR()返回源端點(diǎn)的短地址
aplGetRxMsgLen()返回消息長(zhǎng)度
aplGetRxMsgData()返回消息數(shù)據(jù)的指針
aplGetRxRSSI()返回收到消息的信號(hào)強(qiáng)度

　　而后用戶回調(diào)函數(shù)usrRxPacketCallback()將被調(diào)用。這個(gè)函數(shù)將使用用戶數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)保存數(shù)據(jù)，設(shè)置已收到數(shù)據(jù)的標(biāo)志位。此函數(shù)結(jié)束后消息數(shù)據(jù)的指針將會(huì)被釋放，所以在函數(shù)結(jié)束之前要將數(shù)據(jù)保存以防止下一個(gè)包將數(shù)據(jù)覆蓋掉。

2.4  編寫用戶應(yīng)用程序

　　編寫用戶應(yīng)用程序時(shí)，要確定端點(diǎn)的連接方式。一種簡(jiǎn)單的方式是RFD節(jié)點(diǎn)周期性地向
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)返回?cái)?shù)據(jù)。這樣做比較簡(jiǎn)單，因?yàn)閰f(xié)調(diào)器的地址總是0。

　　RFD節(jié)點(diǎn)間使用直接方式通信比較困難。因?yàn)镽FD節(jié)點(diǎn)的短地址是由其接入網(wǎng)絡(luò)的順序和深度決定的，事先并不知道。當(dāng)然可以在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上增加程序告知RFD節(jié)點(diǎn)它們的地址，但這使復(fù)雜程度增加了。比較好的方式是使用非直接消息方式進(jìn)行RFD節(jié)點(diǎn)間通信。RFD節(jié)點(diǎn)都將消息發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)根據(jù)綁定表向正確的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

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圖1  有限狀態(tài)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

　　整個(gè)程序的運(yùn)轉(zhuǎn)是靠一個(gè)有限狀態(tài)機(jī)維持的。圖1給出了這個(gè)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

2.5  函數(shù)總結(jié)

　　鑒于APL層函數(shù)接口對(duì)程序設(shè)計(jì)的重要性，將這些函數(shù)做一個(gè)總結(jié)。

表3  APL服務(wù)調(diào)用
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表4  APL/APS訪問和功能函數(shù)
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　　表3是APL服務(wù)，這些函數(shù)需要調(diào)用apsBusy()確定其是否完成，并且使用aplGetStatus()函數(shù)返回狀態(tài)。表4是APL/APS訪問及功能函數(shù)。

結(jié)語(yǔ)

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的應(yīng)用前景，由ZigBee協(xié)議可以方便有效地組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在整個(gè)應(yīng)用中，主要硬件設(shè)備可由一個(gè)51單片機(jī)加上2.4 GHz的收發(fā)模塊組成，采用CC2430是為了更加方便使用，而ZigBee的真正核心是安裝在單片機(jī)中的協(xié)議棧代碼。精簡(jiǎn)版協(xié)議棧不論從開發(fā)難度到使用成本都具有一定的優(yōu)勢(shì)。本文對(duì)精簡(jiǎn)版協(xié)議棧尤其是應(yīng)用層接口、代碼實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并以此為基礎(chǔ)給出了節(jié)點(diǎn)的軟、硬件設(shè)計(jì)。了解協(xié)議棧的使用，就可以在其上開發(fā)適合我們需要的各種應(yīng)用。