ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言
Zigbee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離的無(wú)線通信，由于具有低功耗、低成本、可擴(kuò)展以及良好的互操作能力等特性，在工業(yè)自動(dòng)化、建筑自動(dòng)化以及工業(yè)無(wú)線領(lǐng)域占有重要地位[1][2][3]。
ZigBee聯(lián)盟[4]成立于2001年8月，2002年下半年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等四大公司加盟ZigBee聯(lián)盟，這一事件成為ZigBee技術(shù)的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)涵蓋IT領(lǐng)域以及其它行業(yè)的200多家企業(yè)，其中還包括來(lái)自我國(guó)的華為技術(shù)有限公司和中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所。
2 協(xié)議棧架構(gòu)
Zigbee協(xié)議棧軟件采用C語(yǔ)言編寫，開發(fā)環(huán)境采用AVR Studio4.12，硬件平臺(tái)采用的單片機(jī)為Atmega128，射頻模塊采用CC2420。采用的標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee 1.0規(guī)范[5], 整個(gè)協(xié)議棧軟件采用單線程，考慮到Atmega128內(nèi)部RAM只有4K的空間，因此，各模塊之間采用共享緩沖區(qū)進(jìn)行通信。Zigbee協(xié)議棧軟件的架構(gòu)如圖1所示。
每個(gè)模塊具有一個(gè)執(zhí)行函數(shù)，用于接收來(lái)自底層模塊的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收階段，底層模塊將接收到的數(shù)據(jù)幀在本層解析后，將需要向上層模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在共享的接收緩沖區(qū)，同時(shí)通過(guò)全局變量的形式向上層模塊提供指示原語(yǔ)；在上層模塊的執(zhí)行函數(shù)中，首先通過(guò)判斷來(lái)自底層模塊的指示原語(yǔ)確定是否存在來(lái)自其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如果存在則解析并處理，同時(shí)將需要傳遞給更高模塊的數(shù)據(jù)放入接收緩沖區(qū)，同樣通過(guò)指示原語(yǔ)通知更高層模塊。
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圖1 Zigbee協(xié)議棧軟件架構(gòu)
3 網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)兩個(gè)服務(wù)實(shí)體分別提供兩類服務(wù)，它們分別是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)。1) 數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體：提供數(shù)據(jù)服務(wù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；2) 管理服務(wù)實(shí)體：提供管理服務(wù)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層的管理和維護(hù)，包括網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建，設(shè)備的加入和離開以及路由的創(chuàng)建與維護(hù)。
3.1 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收
網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收處理模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，發(fā)送處理模塊負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理模塊的功能和工作流程如下：
1) 數(shù)據(jù)接收處理模塊
接收處理模塊負(fù)責(zé)從下層接收數(shù)據(jù)，解析報(bào)文的網(wǎng)絡(luò)層頭部，分情況做相應(yīng)的處理：如果是重復(fù)報(bào)文，則丟棄；如果是發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文或者廣播報(bào)文，則交給上層處理；如果是需要本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的報(bào)文，則將報(bào)文交給發(fā)送處理模塊處理。
2) 數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊
發(fā)送處理模塊負(fù)責(zé)從上層或者接收處理模塊中接收數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的情況做相應(yīng)的處理：如果報(bào)文的剩余跳數(shù)不大于0，則視為“死報(bào)文”，丟棄之; 否則需要進(jìn)行報(bào)文發(fā)送。首先查找路由表，如果找到了到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由表項(xiàng)，則根據(jù)路由信息將報(bào)文發(fā)送出去；如果沒(méi)有，則根據(jù)報(bào)文的路由發(fā)現(xiàn)選項(xiàng)決定是否進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，以及是通過(guò)樹型路由發(fā)送報(bào)文還是等待路由回復(fù)消息到達(dá)后再發(fā)送報(bào)文，具體的我們將在3.3節(jié)的路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)中進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理
 ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中包括協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其中，協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，路由設(shè)備可以參與網(wǎng)絡(luò)路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)但是終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備只能作為葉子節(jié)點(diǎn)而不能參與路由。設(shè)備管理主要包括網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建以及節(jié)點(diǎn)的加入和離開。
節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的第一步是由協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行信道掃描來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)掃描結(jié)果，選擇一個(gè)最佳的空閑信道并在該信道上創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后，非協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就可以加入網(wǎng)絡(luò)了。具體的步驟如下：1）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。如果指定了PANID（Personal Area Network ID,個(gè)域網(wǎng)ID），則發(fā)現(xiàn)相應(yīng)ID的個(gè)域網(wǎng)才進(jìn)行加入，否則，加入到最先掃描到的網(wǎng)絡(luò)。2）選擇合適的父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求。從鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，并向其發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求。3）加入網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并獲得一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)層地址。
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)或者非協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。我們通過(guò)設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)的方法來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。
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圖2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

轉(zhuǎn)換圖中共有5個(gè)狀態(tài)，各個(gè)狀態(tài)定義如表1所示：
表1網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)定義
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節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)發(fā)送LEAVE_REQUEST請(qǐng)求原語(yǔ)離開網(wǎng)絡(luò)，也可以通過(guò)發(fā)送LEAVE_REQUEST請(qǐng)求原語(yǔ)讓別的節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到LEAVE_REQUEST請(qǐng)求（來(lái)自本節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用層或者來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)）時(shí)，執(zhí)行離開網(wǎng)絡(luò)操作：首先，節(jié)點(diǎn)發(fā)送離開指示報(bào)文LEAVE_INDICATION給所有的鄰居節(jié)點(diǎn)；然后，鄰居節(jié)點(diǎn)收到LEAVE_INDICATION后,將該節(jié)點(diǎn)從鄰居表和路由表等信息中移除；最后，清空本節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)層信息，離開網(wǎng)絡(luò)。

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圖3 收到路由請(qǐng)求命令報(bào)文后的處理流程
3.3 路由
路由，作為網(wǎng)絡(luò)層的核心功能之一， 它的設(shè)計(jì)與開發(fā)直接影響著網(wǎng)絡(luò)的性能，這也是整個(gè)協(xié)議開發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。下面我們將對(duì)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)，路由發(fā)現(xiàn)以及維護(hù)分別進(jìn)行介紹。
當(dāng)且僅當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要單播發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文但是當(dāng)前路由表中沒(méi)有到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由時(shí)，節(jié)點(diǎn)向外廣播發(fā)送路由請(qǐng)求報(bào)文RREQ(Route Request)進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)收到路由請(qǐng)求報(bào)文后的詳細(xì)處理流程如圖3所示。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到路由回復(fù)報(bào)文時(shí)，首先查找路由表和路由發(fā)現(xiàn)表看是否有對(duì)應(yīng)的項(xiàng)，如果有則更新路由表和路由發(fā)現(xiàn)表。如果該節(jié)點(diǎn)地址不等于路由回復(fù)報(bào)文命令負(fù)載中的發(fā)起節(jié)點(diǎn)地址，則需要繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該路由回復(fù)。節(jié)點(diǎn)收到路由回復(fù)報(bào)文后的詳細(xì)處理流程如圖4所示。
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圖4 收到路由回復(fù)命令報(bào)文后的處理流程
4 結(jié)論
根據(jù)ZigBee協(xié)議國(guó)際規(guī)范，設(shè)計(jì)和開發(fā)了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的ZigBee協(xié)議棧。本文，我們針對(duì)Atmega128閃存空間有限的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了合適的協(xié)議棧軟件架構(gòu)；并且重點(diǎn)對(duì)協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，主要包括服務(wù)實(shí)體的定義和劃分、網(wǎng)絡(luò)層的功能描述和實(shí)現(xiàn)（如數(shù)據(jù)收發(fā)、設(shè)備管理以及路由發(fā)現(xiàn)與維護(hù)）。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：為了在有限存儲(chǔ)空間上實(shí)現(xiàn)ZigBee規(guī)范定義的諸多功能，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了共享緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)；針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的鏈路特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了適用于工業(yè)環(huán)境的無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，在進(jìn)行路徑選擇的時(shí)候充分考慮鏈路質(zhì)量因素，提高了選路的可靠性。