ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò )層的設計與實(shí)現
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Zigbee是一種新興的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，主要用于近距離的無(wú)線(xiàn)通信，由于具有低功耗、低成本、可擴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(xiàn)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Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導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)自我國的華為技術(shù)有限公司和中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所。
2 協(xié)議棧架構
Zigbee協(xié)議棧軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，開(kāi)發(fā)環(huán)境采用AVR Studio4.12，硬件平臺采用的單片機為Atmega128，射頻模塊采用CC2420。采用的標準是ZigBee 1.0規范[5], 整個(gè)協(xié)議棧軟件采用單線(xiàn)程，考慮到Atmega128內部RAM只有4K的空間，因此，各模塊之間采用共享緩沖區進(jìn)行通信。Zigbee協(xié)議棧軟件的架構如圖1所示。
每個(gè)模塊具有一個(gè)執行函數，用于接收來(lái)自底層模塊的數據。在數據接收階段，底層模塊將接收到的數據幀在本層解析后，將需要向上層模塊發(fā)送的數據存放在共享的接收緩沖區，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)；在上層模塊的執行函數中，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)自其它節點(diǎn)的數據，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據放入接收緩沖區，同樣通過(guò)指示原語(yǔ)通知更高層模塊。
圖1 Zigbee協(xié)議棧軟件架構
3 網(wǎng)絡(luò )層的設計與實(shí)現
網(wǎng)絡(luò )層通過(guò)兩個(gè)服務(wù)實(shí)體分別提供兩類(lèi)服務(wù)，它們分別是網(wǎng)絡(luò )層數據服務(wù)和網(wǎng)絡(luò )層管理服務(wù)。1)數據服務(wù)實(shí)體：提供數據服務(wù)，主要負責數據的發(fā)送和接收；2)管理服務(wù)實(shí)體：提供管理服務(wù)，主要負責網(wǎng)絡(luò )層的管理和維護，包括網(wǎng)絡(luò )的發(fā)現和創(chuàng )建，設備的加入和離開(kāi)以及路由的創(chuàng )建與維護。
3.1 數據發(fā)送和接收
網(wǎng)絡(luò )層的數據服務(wù)實(shí)體負責數據的接收和發(fā)送，接收處理模塊負責接收數據，發(fā)送處理模塊負責發(fā)送數據。
數據接收和發(fā)送處理模塊的功能和工作流程如下：
1)數據接收處理模塊
接收處理模塊負責從下層接收數據，解析報文的網(wǎng)絡(luò )層頭部，分情況做相應的處理：如果是重復報文，則丟棄；如果是發(fā)給本節點(diǎn)的數據報文或者廣播報文，則交給上層處理；如果是需要本節點(diǎn)轉發(fā)的報文，則將報文交給發(fā)送處理模塊處理。
2)數據發(fā)送處理模塊
發(fā)送處理模塊負責從上層或者接收處理模塊中接收數據，根據不同的情況做相應的處理：如果報文的剩余跳數不大于0，則視為“死報文”，丟棄之; 否則需要進(jìn)行報文發(fā)送。首先查找路由表，如果找到了到目的節點(diǎn)的有效路由表項，則根據路由信息將報文發(fā)送出去；如果沒(méi)有，則根據報文的路由發(fā)現選項決定是否進(jìn)行路由發(fā)現，以及是通過(guò)樹(shù)型路由發(fā)送報文還是等待路由回復消息到達后再發(fā)送報文，具體的我們將在3.3節的路由發(fā)現和維護中進(jìn)行詳細說(shuō)明。
3.2 網(wǎng)絡(luò )設備管理
ZigBee的網(wǎng)絡(luò )中包括協(xié)調器設備、路由設備和終端節點(diǎn)設備，其中，協(xié)調器設備負責創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )，路由設備可以參與網(wǎng)絡(luò )路由和數據轉發(fā)但是終端節點(diǎn)設備只能作為葉子節點(diǎn)而不能參與路由。設備管理主要包括網(wǎng)絡(luò )的發(fā)現和創(chuàng )建以及節點(diǎn)的加入和離開(kāi)。
節點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信的第一步是由協(xié)調器設備負責創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )。協(xié)調器節點(diǎn)首先進(jìn)行信道掃描來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )發(fā)現，根據掃描結果，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)調器節點(diǎn)創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )后，非協(xié)調器節點(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。如果指定了PANID（Personal Area Network ID,個(gè)域網(wǎng)ID），則發(fā)現相應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）選擇合適的父節點(diǎn)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò )請求。從鄰居節點(diǎn)中選擇合適的節點(diǎn)作為自己的父節點(diǎn)，并向其發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò )的請求。3）加入網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)父節點(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)調器節點(diǎn)創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )或者非協(xié)調器節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )，其實(shí)現的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )發(fā)現。我們通過(guò)設計有限狀態(tài)機的方法來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )發(fā)現，其狀態(tài)轉換如圖2所示。
圖2 網(wǎng)絡(luò )發(fā)現狀態(tài)轉換圖
轉換圖中共有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)現狀態(tài)定義
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