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采用精简协议栈的ZigBee网络节点分析

2014-08-29 21:22
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  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。