基于精簡協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究
引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/188843.htmZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。ZigBee在整個協(xié)議棧中處于網(wǎng)絡(luò)層的位置,其下是由IEEE 802.15.4規(guī)范實(shí)現(xiàn)PHY(物理層)和MAC(媒體訪問控制層),對上ZigBee提供了應(yīng)用層接口。
ZigBee可以組成星形、網(wǎng)狀、樹形的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌捎糜跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的組網(wǎng)以及其他無線應(yīng)用。ZigBee工作于2.4 GHz的免執(zhí)照頻段,可以容納高達(dá)65 000個節(jié)點(diǎn)。這些節(jié)點(diǎn)的功耗很低,單靠2節(jié)5號電池就可以維持工作6~24個月。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(yīng)用于工業(yè)控制、消費(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)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)議棧的全功能開發(fā)系統(tǒng)的價格非常高昂,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(biāo)代碼庫供用戶使用。本文研究的ZigBee精簡版協(xié)議棧代碼開放,在某些應(yīng)用中可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)版協(xié)議棧的效果,但是費(fèi)用卻低很多,因此具有較高的研究價值和應(yīng)用價值。
1 ZigBee精簡協(xié)議棧簡介
美國密西西比州立大學(xué)的Robert Reese教授出于教學(xué)、科研目的開發(fā)出一套精簡版(subset)ZigBee協(xié)議棧。標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧和精簡協(xié)議棧的功能對比如表1所列,可以看出,精簡協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了ZigBee的主要功能。國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)在此精簡協(xié)議上進(jìn)行擴(kuò)充,實(shí)現(xiàn)了一些其原本不具備的功能。
這里再補(bǔ)充一些術(shù)語概念,這有助于理解協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)。
IEEE Address節(jié)點(diǎn)的8位802.15.4網(wǎng)絡(luò)地址,也稱為長地址。
Network Address節(jié)點(diǎn)的2位網(wǎng)絡(luò)地址,也稱短地址。
PAN個人局域網(wǎng)。
PAN ID個人局域網(wǎng)標(biāo)識符。
HAL協(xié)議棧物理抽象層。
PHY協(xié)議棧物理層。
MAC協(xié)議棧媒體訪問控制層。
NWK協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層。
APS協(xié)議棧應(yīng)用支持層。
APL協(xié)議棧應(yīng)用層。
精簡協(xié)議棧的代碼結(jié)構(gòu)如表2所列。
表1
表2
2 ZigBee協(xié)議編程
對于實(shí)際應(yīng)用來說,最重要的是協(xié)議棧的APL函數(shù)。協(xié)議棧的每一層都有自己的有限狀態(tài)機(jī)(FSM)以追蹤要進(jìn)行的操作。頂層的狀態(tài)機(jī)函數(shù)為apsFSM(),這個函數(shù)需要最早被調(diào)用以使協(xié)議棧運(yùn)行,這與標(biāo)準(zhǔn)棧中的APLTask()函數(shù)等價。所有的應(yīng)用層函數(shù)都以apl或者aps開頭,這些函數(shù)被分為兩類: 一類是對棧內(nèi)數(shù)據(jù)的存取函數(shù),一類是數(shù)據(jù)傳輸過程觸發(fā)一系列事件的服務(wù)函數(shù)(調(diào)用)。這里需要說明的是服務(wù)調(diào)用不能重疊,這可以通過調(diào)用apsBusy()函數(shù)進(jìn)行判斷。
2.1 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)
如果節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器(coordinator),那么需要定義LRWPAN_COORDINATOR;而如果節(jié)點(diǎn)作為路由器(router)則需要定義LRWPAN_ROUTER;如果兩者都沒有定義,將作為RFD節(jié)點(diǎn)。
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)形成網(wǎng)絡(luò),然后進(jìn)入一個無限循環(huán)并調(diào)用apsFSM()運(yùn)行協(xié)議棧。調(diào)用aplFormNetwork()服務(wù)后調(diào)用函數(shù)aplGetStatus(),如果返回了LRWPAN_SUCCESS則表示服務(wù)調(diào)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();//開中斷
aplFormNetwork();//形成網(wǎng)絡(luò)
while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
while(1) {apsFSM();}//運(yùn)行協(xié)議棧棧
}
路由器節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用aplJoinNetwork()運(yùn)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(yùn)行協(xié)議棧
}
2.2 發(fā)送消息
應(yīng)用程序通過調(diào)用aplSendMSG()函數(shù)發(fā)送消息包。此函數(shù)的定義如下:
aplSendMSG(
BYTE dstMode,//目標(biāo)地址的地址模式
LADDR_UNION * dstADDR, //目的地址的指針
BYTE dstEP,//目標(biāo)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,//用戶數(shù)據(jù)緩沖區(qū)指針
BYTE plen,//緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)
BYTE tsn,//消息的事務(wù)隊(duì)列數(shù)
BYTE reqack//如果非0則要求確認(rèn)
)
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