基于精簡(jiǎn)協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)研究

引言

　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。ZigBee在整個(gè)協(xié)議棧中處于網(wǎng)絡(luò )層的位置，其下是由IEEE 802.15.4規范實(shí)現PHY（物理層）和MAC（媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層），對上ZigBee提供了應用層接口。

　　ZigBee可以組成星形、網(wǎng)狀、樹(shù)形的網(wǎng)絡(luò )拓撲，可用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )（WSN）的組網(wǎng)以及其他無(wú)線(xiàn)應用。ZigBee工作于2.4 GHz的免執照頻段，可以容納高達65 000個(gè)節點(diǎn)。這些節點(diǎn)的功耗很低，單靠2節5號電池就可以維持工作6~24個(gè)月。除此之外，它還具有很高的可靠性和安全性。這些優(yōu)點(diǎn)使基于ZigBee的WSN廣泛應用于工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車(chē)自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)化、醫用設備控制等。

　　ZigBee協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，是ZigBee的核心。目前國外帶有ZigBee協(xié)議棧的全功能開(kāi)發(fā)系統的價(jià)格非常高昂，而且ZigBee/802.15.4協(xié)議棧全部只提供二進(jìn)制/不可修改的目標代碼庫供用戶(hù)使用。本文研究的ZigBee精簡(jiǎn)版協(xié)議棧代碼開(kāi)放，在某些應用中可以達到標準版協(xié)議棧的效果，但是費用卻低很多，因此具有較高的研究?jì)r(jià)值和應用價(jià)值。

1 ZigBee精簡(jiǎn)協(xié)議棧簡(jiǎn)介

　　美國密西西比州立大學(xué)的Robert Reese教授出于教學(xué)、科研目的開(kāi)發(fā)出一套精簡(jiǎn)版（subset）ZigBee協(xié)議棧。標準協(xié)議棧和精簡(jiǎn)協(xié)議棧的功能對比如表1所列，可以看出，精簡(jiǎn)協(xié)議棧實(shí)現了ZigBee的主要功能。國內一些研究機構在此精簡(jiǎn)協(xié)議上進(jìn)行擴充，實(shí)現了一些其原本不具備的功能。

　　這里再補充一些術(shù)語(yǔ)概念，這有助于理解協(xié)議棧的代碼結構。

　　IEEE Address節點(diǎn)的8位802.15.4網(wǎng)絡(luò )地址，也稱(chēng)為長(cháng)地址。
　　Network Address節點(diǎn)的2位網(wǎng)絡(luò )地址，也稱(chēng)短地址。
　　PAN個(gè)人局域網(wǎng)。
　　PAN ID個(gè)人局域網(wǎng)標識符。
　　HAL協(xié)議棧物理抽象層。
　　PHY協(xié)議棧物理層。
　　MAC協(xié)議棧媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層。
　　NWK協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò )層。
　　APS協(xié)議棧應用支持層。
　　APL協(xié)議棧應用層。
　　精簡(jiǎn)協(xié)議棧的代碼結構如表2所列。

表1

表2

2 ZigBee協(xié)議編程

　　對于實(shí)際應用來(lái)說(shuō)，最重要的是協(xié)議棧的APL函數。協(xié)議棧的每一層都有自己的有限狀態(tài)機(FSM)以追蹤要進(jìn)行的操作。頂層的狀態(tài)機函數為apsFSM()，這個(gè)函數需要最早被調用以使協(xié)議棧運行，這與標準棧中的APLTask()函數等價(jià)。所有的應用層函數都以apl或者aps開(kāi)頭，這些函數被分為兩類(lèi)： 一類(lèi)是對棧內數據的存取函數，一類(lèi)是數據傳輸過(guò)程觸發(fā)一系列事件的服務(wù)函數(調用)。這里需要說(shuō)明的是服務(wù)調用不能重疊，這可以通過(guò)調用apsBusy()函數進(jìn)行判斷。

2.1 節點(diǎn)程序設計

　　如果節點(diǎn)作為協(xié)調器(coordinator)，那么需要定義LRWPAN_COORDINATOR；而如果節點(diǎn)作為路由器(router)則需要定義LRWPAN_ROUTER；如果兩者都沒(méi)有定義，將作為RFD節點(diǎn)。
協(xié)調器節點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò )，然后進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)并調用apsFSM()運行協(xié)議棧。調用aplFormNetwork()服務(wù)后調用函數aplGetStatus()，如果返回了LRWPAN_SUCCESS則表示服務(wù)調用成功。代碼如下：

main() {
　　halInit();//初始化HAL 層
　　evbInit();//初始化評估板
　　aplInit();//初始化協(xié)議棧
　　ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//開(kāi)中斷
　　aplFormNetwork();//形成網(wǎng)絡(luò )
　　while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
　　while(1) {apsFSM();}//運行協(xié)議棧棧
　　}

　　路由器節點(diǎn)通過(guò)調用aplJoinNetwork()運行協(xié)議棧。代碼如下：

main() {
　　halInit();//初始化HAL 層
　　evbInit();//初始化評估板
　　aplInit();//初始化協(xié)議棧
　　ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//開(kāi)中斷嘗試接入網(wǎng)絡(luò )直至成功
　　do { aplJoinNetwork(); //接入網(wǎng)絡(luò )
　　　　while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
　　}while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS);
　　while(1) {apsFSM();}//運行協(xié)議棧
}

2.2 發(fā)送消息

　　應用程序通過(guò)調用aplSendMSG()函數發(fā)送消息包。此函數的定義如下：

　　aplSendMSG(
　　BYTE dstMode,//目標地址的地址模式
　　LADDR_UNION * dstADDR, //目的地址的指針
　　BYTE dstEP,//目標端點(diǎn)(直接消息方式不用)
　　BYTE cluster,//簇號(僅用于直接消息)
　　BYTE scrEP,//消息源端點(diǎn)
　　BYTE* pload,//用戶(hù)數據緩沖區指針
　　BYTE plen,//緩沖區字節數
　　BYTE tsn,//消息的事務(wù)隊列數
　　BYTE reqack//如果非0則要求確認
　　)