ZigBee的msstatePAN協(xié)議棧移植
1 ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)
在ZigBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來(lái)量化它的各個(gè)簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過(guò)所定義的邏輯鏈路來(lái)提供服務(wù)。ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層、網(wǎng)絡(luò)／安全層以及應(yīng)用框架層構(gòu)成，其各層的分布如圖1所示。
2 ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備(Full Funetion Device，F(xiàn)FD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(Re—dueed Function Device，RFD)。與RFD相比，F(xiàn)FD在硬件功能上比較完備。在通信能力方面，F(xiàn)FD可以與所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD進(jìn)行通信。與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱(chēng)為該RFD的“協(xié)調(diào)器(Coordinator)”。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，有一個(gè)FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)。除直接參與應(yīng)用外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還需要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。
本文移植的協(xié)議棧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的一種——樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò)。在樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò)中大部分沒(méi)備為FFD，RFD只能作為樹(shù)枝末尾處的葉節(jié)點(diǎn)，這主要是由于RFD一次只能連接一個(gè)FFD。任何一個(gè)FFD都可以作為主協(xié)調(diào)器，并為其他從設(shè)備或主設(shè)備提供同步服務(wù)。在整個(gè)PAN中，只要該設(shè)備相對(duì)于PAN巾其他設(shè)備具有更多資源，這樣的設(shè)備都可以成為該P(yáng)AN的主協(xié)調(diào)器。
在建立一個(gè)PAN時(shí)，首先，PAN主協(xié)調(diào)器將其自身設(shè)置為一個(gè)簇標(biāo)識(shí)符(CID)為O的簇頭(CLH)。然后，選擇一個(gè)沒(méi)有使用的PAN標(biāo)識(shí)符，并向鄰近的其他設(shè)備以廣播的方式發(fā)送信標(biāo)幀，從而形成第一簇網(wǎng)絡(luò)。接收到信標(biāo)幀的候選設(shè)備可以在簇頭中請(qǐng)求加入該網(wǎng)絡(luò)，如果PAN主協(xié)調(diào)器允許該設(shè)備加入，該設(shè)備就將主協(xié)調(diào)器作為它的父節(jié)點(diǎn)加到它的鄰近表中，成為該網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)從設(shè)備；同樣，其他設(shè)備都按照同樣的方式，請(qǐng)求加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果候選設(shè)備不能加入到該網(wǎng)絡(luò)中，那么它將尋找其他的父節(jié)點(diǎn)。在樹(shù)簇網(wǎng)絡(luò)中，最簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是只有一個(gè)簇的網(wǎng)絡(luò)，但是多數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由多個(gè)相鄰的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。一旦第一簇網(wǎng)絡(luò)滿(mǎn)足預(yù)定的應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)需求，PAN主協(xié)調(diào)器將會(huì)指定一個(gè)從設(shè)備為另一個(gè)簇的簇頭，使得該從設(shè)備成為一個(gè)主協(xié)調(diào)器。隨后其他的從設(shè)備將逐個(gè)加入，形成一個(gè)多簇網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
本文移植的目標(biāo)板是自行設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊。其中，處理器模塊采用Atreel公司的AT—megal28L，無(wú)線通信模塊采用TI公司的CC2420，電源模塊使用NCPl402芯片將2節(jié)電池進(jìn)行DC—DC變換后得到，傳感器模塊采用DSl8820。
CC2420利用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。ATmegal28L通過(guò)CC2420的SPI接口(CSn、SO、SI、SCK)與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令，利用RSTn引腳復(fù)位芯片；并且利用VREG_EN引腳使能CC2420的電壓調(diào)整器，使其產(chǎn)生CC2420所需要的1．8 V電壓，從而使CC2420進(jìn)入正常工作的狀態(tài)。CC2420通過(guò)單極天線或PCB天線進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)總體框圖如圖4所示。
4 zigBee協(xié)議棧的移植
4．1 msstatePAN協(xié)議棧的移植
msstatePAN協(xié)議棧是由密西西比大學(xué)的R．Reese教授為廣大無(wú)線技術(shù)愛(ài)好者開(kāi)發(fā)的精簡(jiǎn)版ZigBee協(xié)議棧，基于標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫(xiě)，基本具備了ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的功能，最新版本為V0．2．6，該版本支持多種開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括PICDEM Z、CC2430評(píng)估板、MSP430+CC2420(Tmote)以及WIN32虛擬平臺(tái)。由于該協(xié)議棧的上述特點(diǎn)以及源代碼的開(kāi)放性，本文選擇它作為學(xué)習(xí)和移植的
對(duì)象。
移植是將msstatePAN協(xié)議棧在PICDEM Z平臺(tái)下的代碼移植到上面設(shè)計(jì)的目標(biāo)板中，采用winavr20070525作為編譯器，并通過(guò)JTAG接口將程序下載到目標(biāo)板中。下面介紹一下移植過(guò)程。
(1)編寫(xiě)makefile文件
winavr 20070525采用GCC編譯器，要編寫(xiě)makefile文件以完成程序的編譯。指定MCU為ATmegal28，定義CPU工作頻率F_CPU為8 000 000 Hz；定義編譯后生成的文件類(lèi)型FORMAT為ihex；將TARGET改為項(xiàng)目主文件的文件名，由于后面測(cè)試用ing_pong．c這個(gè)文件，此處將TARGET定義為ping_pong；最后定義SRC，在SRC中應(yīng)包含整個(gè)項(xiàng)目中的所有文件，并且各個(gè)文件名之間要用空格格開(kāi)。協(xié)議棧為規(guī)定當(dāng)前編譯器編譯的是協(xié)調(diào)器代碼、IEEE 64位長(zhǎng)地址等，要用到LRWPAN_COORDINATOR等宏定義，因此要在makefile文件中加入相應(yīng)的宏定義代碼。
(2)替換與編譯器相關(guān)的定義
本移植用的是GCC編譯器，所以要將與PIC編譯器相關(guān)的代碼進(jìn)行替換，為此修改compiler．h頭文件及特定編譯器的數(shù)據(jù)定義。例如對(duì)ROM數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行替換，或者直接刪除該數(shù)據(jù)類(lèi)型。
(3)移植與硬件平臺(tái)相關(guān)的部分
該部分代碼涉及的都是最底層的東西，通過(guò)對(duì)協(xié)議棧的透徹理解，總結(jié)出要修改的文件有halStack．c、hal．h、halHeepSpace．h、cc2420．c／．h、evboard．c／．h、evbRadio．h、evbConfig．h等。其中halStack．c和evboard．c兩個(gè)文件改動(dòng)很大。這兩個(gè)文件中包括硬件接口定義、串口定義、LED燈定義、硬件系統(tǒng)初始化定義，以及中斷處理函數(shù)和協(xié)議棧時(shí)鐘函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。首先移植中斷處理函數(shù)，注意采用下降沿觸發(fā)中斷。其次，移植協(xié)議棧時(shí)鐘，目標(biāo)板用ATmegal28L的定時(shí)器1作為協(xié)議棧的運(yùn)行時(shí)鐘。由于單片機(jī)采用8 MHz晶振，當(dāng)定時(shí)器使用64分頻時(shí)(At—megal28L定時(shí)器1沒(méi)有128分頻)，此時(shí)定時(shí)器計(jì)數(shù)一次所需要的時(shí)間為8μs，而在協(xié)議棧中每傳輸一個(gè)符號(hào)(symbo1)所需要的時(shí)間為16μs，故將定時(shí)器計(jì)數(shù)2次定義為一個(gè)symbol時(shí)間。所以在設(shè)計(jì)中，要修改hal—MacTicksToUs函數(shù)及SYMBOLS_TO_MACTICKS(x)和MSECS_TO_MACTICKS(x)宏定義。
(4)對(duì)協(xié)議棧內(nèi)部各層進(jìn)行適當(dāng)修改
這部分的移植工作與第3步相比簡(jiǎn)單些，一些與硬件聯(lián)系緊密的MAC層和PHY層相關(guān)的函數(shù)都放在ev—board．c和halStack．c文件中。具體分析如下：
①根據(jù)自己的需求修改協(xié)議棧需要的堆棧，協(xié)議中默認(rèn)為l 024字節(jié)，可以根據(jù)實(shí)際情況做些調(diào)整。
②debug．c函數(shù)中的一些定義在運(yùn)行時(shí)需要大量RAM，如果選擇編譯的是協(xié)調(diào)器，則整個(gè)協(xié)議棧需要RAM存儲(chǔ)單元大于6KB，而ATmagal28L內(nèi)部只有4 KB RAM，為此屏蔽了一些調(diào)試顯示信息，以達(dá)到系統(tǒng)要求。
③修改staticbind．h函數(shù)，由于該協(xié)議棧是靜態(tài)分配地址，而該函數(shù)的作用就是定義其地址，所以該函數(shù)在整個(gè)協(xié)議棧運(yùn)行中至關(guān)重要。首先要考慮其地址是不是和makefile中定義的相吻合，如果不吻合應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)修改，否則CC2420地址譯碼就通不過(guò)，以至于無(wú)法建立網(wǎng)絡(luò)。其次，應(yīng)該確定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是按大端模式還是小端模式，如果弄反了，地址就會(huì)不一樣。ATmegal28L是小端模式，這和PIC單片機(jī)是一致的，因此不需要修改，但要修改函數(shù)中的宏定義，讓編譯器選擇相應(yīng)的程序進(jìn)行編譯，生成正確的地址。
(5)編譯下載
通過(guò)上面的移植，程序應(yīng)該能正確進(jìn)行編譯以及鏈接，生成HEX文件；再用AVRStudio4．12軟件將程序下載到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)中，進(jìn)行協(xié)議棧測(cè)試。
4．2 測(cè)試方法
為了測(cè)試協(xié)議棧移植是否成功，采用2個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中，一個(gè)作為協(xié)調(diào)器，另一個(gè)作為RFD設(shè)備節(jié)點(diǎn)。在makefile中設(shè)定協(xié)調(diào)器的IEEE地址為Ox001248000001216F，RFD設(shè)備的IEEE地址為0x0012480000012170，并使用ping_pong．c文件提供的功能進(jìn)行測(cè)試。
首先完成網(wǎng)絡(luò)的建立，協(xié)調(diào)器調(diào)用aplFormNetwork()函數(shù)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)；然后等待RFD設(shè)備的加入，RFD設(shè)備調(diào)用aplJoinNetwork()函數(shù)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)建立成功后執(zhí)行ping_pong過(guò)程，該過(guò)程就像打乒乓球一樣，先是協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給RFD設(shè)備，RFD設(shè)備接收到信息后回發(fā)給協(xié)調(diào)器。如此往返．這也是文件名為ping_pong的原因，具體程序流程如圖5所示。
編譯、鏈接ping_pong．c文件時(shí)務(wù)必注意：如果是協(xié)調(diào)器，—定要加入宏LRWPAN_COORDINATOR，否則編譯的程序?yàn)镽FD設(shè)備的程序。編譯完成后，將生成的文件分別下載至各節(jié)點(diǎn)，并將節(jié)點(diǎn)連接到串口調(diào)試助手，按程序要求設(shè)置串口調(diào)試助手的參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度等。完成這些設(shè)置后，分別打開(kāi)各節(jié)點(diǎn)，首先啟動(dòng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后再啟動(dòng)RFD設(shè)備節(jié)點(diǎn)。圖6是協(xié)凋器連接的串口調(diào)試助手的顯示信息。
從圖6中可以知道，節(jié)點(diǎn)Ox0012480000012170加入到網(wǎng)絡(luò)，其IEEE的長(zhǎng)地址為Ox0012480000012170；協(xié)調(diào)器分配給該節(jié)點(diǎn)的短地址為Oxl699，協(xié)調(diào)器有一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)，2個(gè)節(jié)點(diǎn)之間已經(jīng)開(kāi)始數(shù)據(jù)的傳送。由此可見(jiàn)，移植成功。
結(jié) 語(yǔ)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門(mén)新興的技術(shù)，目前傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)價(jià)格比較昂貴，軟件支持也有不足。如果能移植一個(gè)相對(duì)成熟的協(xié)議棧，將最大限度地降低節(jié)點(diǎn)成本。本文就是從這個(gè)角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出了相應(yīng)的硬件平臺(tái)，并成功移植了msstatePAN協(xié)議棧，從學(xué)習(xí)和科研角度考慮具有借鑒意義。
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