Z-STACK協(xié)議棧應(yīng)用開發(fā)分析

引言

Z-STACK是TI公司推出的符合Zigbee2006規(guī)范且可支持多種平臺(tái)（包括CC2430/1）的協(xié)議棧。因其采用分布式尋址方案及簡(jiǎn)化的AODV路由，故能適應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，并能在有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)、鏈路失效和丟包的環(huán)境下工作。為了方便任務(wù)管理，Z-STACK協(xié)議棧定義了完全構(gòu)建在應(yīng)用層上的OS-AL層（OperationSystemAbstractionLayer,操作系統(tǒng)抽象層），該層可以隔離Z-STACK協(xié)議棧和特定硬件系統(tǒng),并采用輪詢及優(yōu)先級(jí)控制方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度,也支持IAR交互式及命令行編譯配置。其強(qiáng)大的協(xié)議棧功能使Z-STACK在競(jìng)爭(zhēng)激烈的ZigBee領(lǐng)域占有很重要的地位，但Z-STACK協(xié)議棧相對(duì)復(fù)雜、開發(fā)周期較長(zhǎng)。本文主要介紹Z-STACK協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)、任務(wù)調(diào)度流程，同時(shí)結(jié)合具體案例分析了基于Z-STACK協(xié)議棧的應(yīng)用開發(fā)流程。

1  Z-STACK協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)

Z-STACK協(xié)議?？傮w上由硬件抽象層（HAL）,操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）和ZigBee協(xié)議各層組成"。HAL層提供Timer,I/O.UART等資源的API；OSAL層負(fù)責(zé)任務(wù)管理，它采用輪詢機(jī)制，并且引入了優(yōu)先級(jí)控制，可以隔離協(xié)議棧和特定硬件系統(tǒng)，因而用戶無須過多了解具體平臺(tái)的底層，就可以利用OSAL提供的豐富工具實(shí)現(xiàn)各種功能，包括任務(wù)注冊(cè)、初始化和啟動(dòng)，同步任務(wù)，多任務(wù)間的消息傳遞，中斷處理，定時(shí)器控制，內(nèi)存定位等^：2：;ZigBee協(xié)議各層集成有任務(wù)事件。從程序執(zhí)行角度看,一般主要接觸的是HAL層和OSAL層。

2  Z-STACK協(xié)議棧的任務(wù)調(diào)度流程

Z-STACK的任務(wù)管理主要由OSAL層完成。在OSAL中判斷事件發(fā)生是通過tasksEvents[idx]任務(wù)事件數(shù)組來進(jìn)行的在OSAL初始化時(shí)，tasksEvents[]數(shù)組被初始化為零，一旦系統(tǒng)中有事件發(fā)生，就用osal_set_event（）函數(shù)把tasksEvents[taskID]賦值為對(duì)應(yīng)的事件。不同的任務(wù)有不同的taskID,這樣，任務(wù)事件數(shù)組tasksEvents中就會(huì)表示系統(tǒng)中哪些任務(wù)存在沒有處理的事件,然后調(diào)用各任務(wù)處理對(duì)應(yīng)的事件。

3  基于Z-STACK協(xié)議棧的應(yīng)用開發(fā)流程

3.1  初始化應(yīng)用服務(wù)變量及分配任務(wù)ID

以Z-STACK自帶的OSAL_GenericApp.c文件為例,tasksArr[]和osallnit Tasks()主要完成應(yīng)用服務(wù)變量的初始化及任務(wù)ID的分配。

tasksArr[]數(shù)組里存放了所有任務(wù)事件處理函數(shù)的指針(默認(rèn)有6個(gè)任務(wù))，可標(biāo)識(shí)與其對(duì)應(yīng)的任務(wù)。tasksArr[]定義如下：

constpTaskEventHandlerFntasksArr[]={

...

ZDApp_event_loop,};

osallnitTasks()是OSAL的任務(wù)初始化函數(shù)，所有任務(wù)的初始化工作都在這里面完成,并且自動(dòng)給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)ID。osallnitTasks()的定義如下：

void osallnitTasks(void){uint8taskID=0； 

tasksEvents=(uintl6*)osal  mem  alloc(sizeof(uintl6)*tasksCnt)；

osal_memset(tasksEvents,0,(sizeof(uintl6)*task-sCnt))；

...

ZDApp_Init(taskID++)；}

添加新任務(wù)GenericApp時(shí)，首先需將事件處理函數(shù)GenericApp ProcessEvent的指針加入task-sArr[],然后在osallnitTasks()中調(diào)用此任務(wù)的初始化函數(shù)GenericApp Init(tasked)^；。 應(yīng)當(dāng)注意的是,TaskArr[]里各任務(wù)函數(shù)的排列順序要與osalln-itTasks()函數(shù)中調(diào)用各任務(wù)初始化的函數(shù)相一致，以保證各任務(wù)能通過初始化函數(shù)接收到正確的任務(wù)ID。

在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，OSAL如何將事件分配給任務(wù)osallnitTasks()中使用的全局變量tasksCnt保存有當(dāng)前的任務(wù)個(gè)數(shù)，tasksEvents是一個(gè)指向數(shù)組的指針，此數(shù)組保存了當(dāng)前任務(wù)的狀態(tài)。由此可以看出,osallnitTasks()中將所有任務(wù)的狀態(tài)都被初始化為0,這代表了當(dāng)前任務(wù)沒有需要響應(yīng)的事件。之后，在main。函數(shù)中調(diào)用死循環(huán)函數(shù)osal_start_sys-tem()，再通過代碼do(if(tasksEvents[idx])break；}while(十十idxVtasksCnt)；完成所有的事件分配。若tasksEvents[]這個(gè)數(shù)組中的某個(gè)元素不為0,即代表此任務(wù)有事件需要響應(yīng)，事件類型取決于這個(gè)元素的值。這個(gè)do-while循環(huán)會(huì)選出當(dāng)前優(yōu)先級(jí)最高的需要響應(yīng)的任務(wù)，events=(tasksArr[idx])(idx,events);語句將調(diào)用tasksArr[]數(shù)組里面相應(yīng)的事件處理函數(shù)來響應(yīng)事件。如果新添加的任務(wù)有了需要響應(yīng)的事件，那么此任務(wù)的事件處理程序就會(huì)被調(diào)用。這樣,OSAL就會(huì)將需要響應(yīng)的事件傳遞給了對(duì)應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)進(jìn)行處理。

3.2  在AF層中注冊(cè)應(yīng)用服務(wù)

要將ZigBee節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通常需要在任務(wù)中做以下兩件事情

其一是定義此任務(wù)為ZigBee應(yīng)用服務(wù)對(duì)象所需要的信息。其二是將這些信息注冊(cè)到應(yīng)用程序框架之中。通過在AF層注冊(cè)應(yīng)用對(duì)象的信息，可以告知系統(tǒng)afAddr_Type_t地址類型數(shù)據(jù)包的路由端點(diǎn)。通過填入endPointDesc_t數(shù)據(jù)格式的EndPoint變量，便可調(diào)用afRegister()在AF層注冊(cè)EndPoint應(yīng)用對(duì)象(afRegister(&-GenericApp  MANAGE  epDesc)；)。

3.3  注冊(cè)相應(yīng)的OSAL或HAL系統(tǒng)服務(wù)

由于任何Z-STACK任務(wù)均不自行注冊(cè)系統(tǒng)服務(wù)，因此，包括串口活動(dòng)響應(yīng)在內(nèi)的任何任務(wù)都需要由應(yīng)用程序注冊(cè)官。例如，應(yīng)用程序中需要使任務(wù)能夠接收到按鍵消息，因而必須在應(yīng)用程序框架中進(jìn)行注冊(cè)，告訴應(yīng)用程序框架，如有按鍵消息即請(qǐng)傳遞過來。可通過代碼RegisterForKeys(GenericApp  MANAGE_TaskID)在GenericApp_MANAGE_Init函數(shù)中注冊(cè)系統(tǒng)服務(wù)。

3.4  處理任務(wù)事件

Z-STACK通過創(chuàng)建ApplicationName  Pro-cessEvent()函數(shù)來處理任務(wù)事件。一個(gè)OSAL任務(wù)除了強(qiáng)制事件(MandatoryEvents)之外，還可以定義包括ZDO_STATE_CHANGE在內(nèi)的15個(gè)事件。當(dāng)一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)成功加入網(wǎng)絡(luò)以后，ZDO就會(huì)給所有已經(jīng)在應(yīng)用程序框架中注冊(cè)過的任務(wù)發(fā)送一個(gè)ZDO_STATE_CHANGE消息，消息的狀態(tài)指示了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)登?？梢酝ㄟ^處理此消息完成應(yīng)用功能。以TIDEMO提供的鍵控LED燈為例，當(dāng)一個(gè)消息被發(fā)送給任務(wù)時(shí),SYS_EVENT_MSG事件會(huì)被傳遞給任務(wù)，通知任務(wù)有一個(gè)消息等待處理。所以，必須添加對(duì)于SYS_EVENT_MSG這個(gè)事件的響應(yīng),然后從消息隊(duì)列中取出消息，并判斷此消息是否為ZDO STATE_CHANGE,同時(shí)在處理ZDO_STATE_CHANGE消息時(shí)點(diǎn)亮LED燈。

4  結(jié)語

Z-STACK協(xié)議棧提供有強(qiáng)大的功能，這使得大部分應(yīng)用設(shè)計(jì)都能基于現(xiàn)有的開放式協(xié)議進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。對(duì)于初學(xué)者而言，學(xué)習(xí)Z-STACK的關(guān)鍵是理清Z-STACK的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)以及及基于輪詢及優(yōu)先級(jí)控制的任務(wù)管理方式。文中在簡(jiǎn)要介紹了Z-STACK協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了任務(wù)調(diào)度流程以及基于協(xié)議棧的應(yīng)用開發(fā)流程。