基于精简协议栈的ZigBee网络节点研究

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引言　　Zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。Zigbee在整个协议栈中处于网络层的位置，其下是由IEEE 802.15.4规范实现PHY（物理层）和MAC（媒体访问控制层），对上Zigbee提供了应用层接口。　　Zigbee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（WSN）的组网以及其他无线应用。Zigbee工作于2.4 GHz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作6"24个月。除此之外，它还具有很高的可靠性和安全性。这些优点使基于Zigbee的WSN广泛应用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。　　Zigbee协议由Zigbee联盟制定，是Zigbee的核心。目前国外带有Zigbee协议栈的全功能开发系统的价格非常高昂，而且Zigbee/802.15.4协议栈全部只提供二进制/不可修改的目标代码库供用户使用。本文研究的Zigbee精简版协议栈代码开放，在某些应用中可以达到标准版协议栈的效果，但是费用却低很多，因此具有较高的研究价值和应用价值。1  Zigbee精简协议栈简介　　美国密西西比州立大学的Robert Reese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版（subset）Zigbee协议栈。标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表1所列，可以看出，精简协议栈实现了Zigbee的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充，实现了一些其原本不具备的功能。　　这里再补充一些术语概念，这有助于理解协议栈的代码结构。　　IEEE Address节点的8位802.15.4网络地址，也称为长地址。　　Network Address节点的2位网络地址，也称短地址。　　PAN个人局域网。　　PAN ID个人局域网标识符。　　HAL协议栈物理抽象层。　　PHY协议栈物理层。　　MAC协议栈媒体访问控制层。　　NWK协议栈网络层。　　APS协议栈应用支持层。　　APL协议栈应用层。　　精简协议栈的代码结构如表2所列。表1

表2

2  Zigbee协议编程　　对于实际应用来说，最重要的是协议栈的APL函数。协议栈的每一层都有自己的有限状态机(FSM)以追踪要进行的操作。顶层的状态机函数为apsFSM()，这个函数需要最早被调用以使协议栈运行，这与标准栈中的APLTask()函数等价。所有的应用层函数都以apl或者aps开头，这些函数被分为两类： 一类是对栈内数据的存取函数，一类是数据传输过程触发一系列事件的服务函数(调用)。这里需要说明的是服务调用不能重叠，这可以通过调用apsbusy()函数进行判断。2.1  节点程序设计　　如果节点作为协调器(coordinator)，那么需要定义LRWPAN_COORDINATOR；而如果节点作为路由器(router)则需要定义LRWPAN_ROUTER；如果两者都没有定义，将作为RFD节点。协调器节点形成网络，然后进入一个无限循环并调用apsFSM()运行协议栈。调用aplFormNetwork()服务后调用函数aplGetStatus()，如果返回了LRWPAN_SUCCESS则表示服务调用成功。代码如下：main() { 　　halInit();//初始化HAL 层 　　evbInit();//初始化评估板 　　aplInit();//初始化协议栈 　　ENAbLE_GLObAL_INTERRUPT();//开中断　　aplFormNetwork();//形成网络 　　while(apsbusy)()) {apsFSM();}//等待完成 　　while(1) {apsFSM();}//运行协议栈栈　　}　　路由器节点通过调用aplJoinNetwork()运行协议栈。代码如下：main() { 　　halInit();//初始化HAL 层　　evbInit();//初始化评估板　　aplInit();//初始化协议栈 　　ENAbLE_GLObAL_INTERRUPT();//开中断尝试接入网络直至成功 　　do { aplJoinNetwork(); //接入网络 　　　　while(apsbusy)()) {apsFSM();}//等待完成　　}while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS); 　　while(1) {apsFSM();}//运行协议栈 }2.2  发送消息　　应用程序通过调用aplSendMSG()函数发送消息包。此函数的定义如下：　　aplSendMSG(　　bYTE dstMode,//目标地址的地址模式　　LADDR_UNION * dstADDR, //目的地址的指针　　bYTE dstEP,//目标端点(直接消息方式不用)　　bYTE cluster,//簇号(仅用于直接消息)　　bYTE scrEP,//消息源端点　　bYTE* pload,//用户数据缓冲区指针　　bYTE plen,//缓冲区字节数　　bYTE tsn,//消息的事务队列数　　bYTE reqack//如果非0则要求确认　　)
                          
                       
                          
                                　　消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇，没有指定目标地址)。端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。消息发送以，协议栈会向父节点路由此消息。如果收到APS的ack确认，协议栈就会将消息发送给目标端点。2.3  接收消息　　协议栈使用以下APL访问函数接收数据包。aplGetRxDstEp()返回目的端点aplGetRxCluster()返回簇号aplGetRxSrcEp()返回源端点aplGetRxSADDR()返回源端点的短地址aplGetRxMsgLen()返回消息长度aplGetRxMsgData()返回消息数据的指针aplGetRxRSSI()返回收到消息的信号强度　　而后用户回调函数usrRxPacketCallback()将被调用。这个函数将使用用户数据结构保存数据，设置已收到数据的标志位。此函数结束后消息数据的指针将会被释放，所以在函数结束之前要将数据保存以防止下一个包将数据覆盖掉。2.4  编写用户应用程序　　编写用户应用程序时，要确定端点的连接方式。一种简单的方式是RFD节点周期性地向协调器节点返回数据。这样做比较简单，因为协调器的地址总是0。　　RFD节点间使用直接方式通信比较困难。因为RFD节点的短地址是由其接入网络的顺序和深度决定的，事先并不知道。当然可以在协调器节点上增加程序告知RFD节点它们的地址，但这使复杂程度增加了。比较好的方式是使用非直接消息方式进行RFD节点间通信。RFD节点都将消息发送给协调器节点，协调器节点根据绑定表向正确的节点发送数据。

图1  有限状态机状态转移图　　整个程序的运转是靠一个有限状态机维持的。图1给出了这个状态机的状态转移图。2.5  函数总结　　鉴于APL层函数接口对程序设计的重要性，将这些函数做一个总结。表3  APL服务调用

表4  APL/APS访问和功能函数

　　表3是APL服务，这些函数需要调用apsbusy()确定其是否完成，并且使用aplGetStatus()函数返回状态。表4是APL/APS访问及功能函数。结语　　无线传感器网络具有广阔的应用前景，由Zigbee协议可以方便有效地组建无线传感器网络。在整个应用中，主要硬件设备可由一个51单片机加上2.4 GHz的收发模块组成，采用CC2430是为了更加方便使用，而Zigbee的真正核心是安装在单片机中的协议栈代码。精简版协议栈不论从开发难度到使用成本都具有一定的优势。本文对精简版协议栈尤其是应用层接口、代码实现进行了详细的分析，并以此为基础给出了节点的软、硬件设计。了解协议栈的使用，就可以在其上开发适合我们需要的各种应用。