采用精簡協議棧的ZigBee網絡節點分析

　　ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數據速率、低成本、低復雜度的無線網絡技術。ZigBee在整個協議棧中處于網絡層的位置，其下是由IEEE 802.15.4規范實現PHY（物理層）和MAC（媒體訪問控制層），對上ZigBee提供了應用層接口。

　　ZigBee可以組成星形、網狀、樹形的網絡拓撲，可用于無線傳感器網絡（WSN）的組網以及其他無線應用。ZigBee工作于2.4 GHz的免執照頻段，可以容納高達65 000個節點。這些節點的功耗很低，單靠2節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。這些優點使基于ZigBee的WSN廣泛應用于工業控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫用設備控制等。

　　ZigBee協議由ZigBee聯盟制定，是ZigBee的核心。目前國外帶有ZigBee協議棧的全功能開發系統的價格非常高昂，而且ZigBee/802.15.4協議棧全部只提供二進制/不可修改的目標代碼庫供用戶使用。本文研究的ZigBee精簡版協議棧代碼開放，在某些應用中可以達到標準版協議棧的效果，但是費用卻低很多，因此具有較高的研究價值和應用價值。

1? ZigBee精簡協議棧簡介

　　美國密西西比州立大學的Robert Reese教授出于教學、科研目的開發出一套精簡版（subset）ZigBee協議棧。標準協議棧和精簡協議棧的功能對比如表1所列，可以看出，精簡協議棧實現了ZigBee的主要功能。國內一些研究機構在此精簡協議上進行擴充，實現了一些其原本不具備的功能。

　　這里再補充一些術語概念，這有助于理解協議棧的代碼結構。

　　IEEE Address節點的8位802.15.4網絡地址，也稱為長地址。
　　Network Address節點的2位網絡地址，也稱短地址。
　　PAN個人局域網。
　　PAN ID個人局域網標識符。
　　HAL協議棧物理抽象層。
　　PHY協議棧物理層。
　　MAC協議棧媒體訪問控制層。
　　NWK協議棧網絡層。
　　APS協議棧應用支持層。
　　APL協議棧應用層。
　　精簡協議棧的代碼結構如表2所列。

表1

表2

2? ZigBee協議編程

　　對于實際應用來說，最重要的是協議棧的APL函數。協議棧的每一層都有自己的有限狀態機(FSM)以追蹤要進行的操作。頂層的狀態機函數為apsFSM()，這個函數需要最早被調用以使協議棧運行，這與標準棧中的APLTask()函數等價。所有的應用層函數都以apl或者aps開頭，這些函數被分為兩類： 一類是對棧內數據的存取函數，一類是數據傳輸過程觸發一系列事件的服務函數(調用)。這里需要說明的是服務調用不能重疊，這可以通過調用apsBusy()函數進行判斷。

2.1? 節點程序設計

　　如果節點作為協調器(coordinator)，那么需要定義LRWPAN_COORDINATOR；而如果節點作為路由器(router)則需要定義LRWPAN_ROUTER；如果兩者都沒有定義，將作為RFD節點。
協調器節點形成網絡，然后進入一個無限循環并調用apsFSM()運行協議棧。調用aplFormNetwork()服務后調用函數aplGetStatus()，如果返回了LRWPAN_SUCCESS則表示服務調用成功。代碼如下：

main() {
　　halInit();//初始化HAL 層
　　evbInit();//初始化評估板
　　aplInit();//初始化協議棧
　　ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//開中斷
　　aplFormNetwork();//形成網絡
　　while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
　　while(1) {apsFSM();}//運行協議棧棧
　　}

　　路由器節點通過調用aplJoinNetwork()運行協議棧。代碼如下：

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

2.2? 發送消息

　　應用程序通過調用aplSendMSG()函數發送消息包。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(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
　　BYTE* pload,//用戶數據緩沖區指針
　　BYTE plen,//緩沖區字節數
　　BYTE tsn,//消息的事務隊列數
　　BYTE reqack//如果非0則要求確認
　　)

　　消息從源節點的源端點發送到目標節點的目標端點。消息分直接消息(指定了目標地址)和非直接消息(僅定義了源節點、源端點和簇，沒有指定目標地址)。端點號從1到255由應用程序設置(端點0由棧保留使用)。消息發送以，協議棧會向父節點路由此消息。如果收到APS的ack確認，協議棧就會將消息發送給目標端點。

2.3? 接收消息

　　協議棧使用以下APL訪問函數接收數據包。

aplGetRxDstEp()返回目的端點
aplGetRxCluster()返回簇號
aplGetRxSrcEp()返回源端點
aplGetRxSADDR()返回源端點的短地址
aplGetRxMsgLen()返回消息長度
aplGetRxMsgData()返回消息數據的指針
aplGetRxRSSI()返回收到消息的信號強度

　　而后用戶回調函數usrRxPacketCallback()將被調用。這個函數將使用用戶數據結構保存數據，設置已收到數據的標志位。此函數結束后消息數據的指針將會被釋放，所以在函數結束之前要將數據保存以防止下一個包將數據覆蓋掉。

2.4? 編寫用戶應用程序

　　編寫用戶應用程序時，要確定端點的連接方式。一種簡單的方式是RFD節點周期性地向
協調器節點返回數據。這樣做比較簡單，因為協調器的地址總是0。

　　RFD節點間使用直接方式通信比較困難。因為RFD節點的短地址是由其接入網絡的順序和深度決定的，事先并不知道。當然可以在協調器節點上增加程序告知RFD節點它們的地址，但這使復雜程度增加了。比較好的方式是使用非直接消息方式進行RFD節點間通信。RFD節點都將消息發送給協調器節點，協調器節點根據綁定表向正確的節點發送數據。

圖1? 有限狀態機狀態轉移圖

　　整個程序的運轉是靠一個有限狀態機維持的。圖1給出了這個狀態機的狀態轉移圖。

2.5? 函數總結

　　鑒于APL層函數接口對程序設計的重要性，將這些函數做一個總結。

表3? APL服務調用

表4? APL/APS訪問和功能函數

　　表3是APL服務，這些函數需要調用apsBusy()確定其是否完成，并且使用aplGetStatus()函數返回狀態。表4是APL/APS訪問及功能函數。

結語

　　無線傳感器網絡具有廣闊的應用前景，由ZigBee協議可以方便有效地組建無線傳感器網絡。在整個應用中，主要硬件設備可由一個51單片機加上2.4 GHz的收發模塊組成，采用CC2430是為了更加方便使用，而ZigBee的真正核心是安裝在單片機中的協議棧代碼。精簡版協議棧不論從開發難度到使用成本都具有一定的優勢。本文對精簡版協議棧尤其是應用層接口、代碼實現進行了詳細的分析，并以此為基礎給出了節點的軟、硬件設計。了解協議棧的使用，就可以在其上開發適合我們需要的各種應用。