伴隨無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展，Zigbee技術(shù)作為最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術(shù)，以其低功耗、自組織、安全可靠、支持大量節(jié)點(diǎn)等優(yōu)勢，被業(yè)界
認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場合的無線方式。到目前為止，節(jié)點(diǎn)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、智能家庭、安全醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，具有很大的發(fā)展空間。
Zigbee協(xié)議棧(Z-STACK)作為Zigbee技術(shù)的核心，是開發(fā)802.15.4/Zigbee必須掌握的關(guān)鍵技術(shù)。協(xié)議棧發(fā)展至今已有四種版
本(見表1)，盡管實(shí)現(xiàn)功能越發(fā)完善，但是并未移植標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)統(tǒng)一任務(wù)調(diào)度，嵌套相當(dāng)復(fù)雜，而顯得源代碼的可讀性和可操作性較差，開發(fā)者在理解和實(shí)現(xiàn)
協(xié)議的過程中仍會(huì)遇到很多困難。本文通過對最典型的、起到承上啟下作用的Zigbee-2006協(xié)議棧的解讀，對協(xié)議程序的運(yùn)行過程提供一種準(zhǔn)確的解釋分
析，降低開發(fā)者的閱讀難度和工作量，為協(xié)議棧自身的發(fā)展、Zigbee設(shè)備的開發(fā)及應(yīng)用的推廣提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
1 協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)及規(guī)范
Zigbee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]，
協(xié)議棧的層與層之間通過服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)進(jìn)行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接
口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)；管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的服務(wù)[2]。
1.1 物理層服務(wù)規(guī)范
物理層通過射頻固件和硬件提供MAC層與物理無線信道之間的接口。從概念上說，物理層還應(yīng)包括物理層管理實(shí)體(PLME)，以提供調(diào)用物理層管理功能的管
理服務(wù)接口；同時(shí)PLME還負(fù)責(zé)維護(hù)物理層PAN信息庫(PHY
PIB)。物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PD-SAP)提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)；通過物理層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(PLME-SAP)提供物理層管理服務(wù)。
1.2 MAC層服務(wù)規(guī)范
MAC層提供特定服務(wù)會(huì)聚子層(SSCS)和物理層之間的接口。從概念上說，MAC層還應(yīng)包括MAC層管理實(shí)體(MLME)，以提供調(diào)用MAC層管理功能
的管理服務(wù)接口；同時(shí)MLME還負(fù)責(zé)維護(hù)MAC PAN信息庫(MAC
PIB)。MAC層通過MAC公共部分子層(MCPS)的數(shù)據(jù)SAP(MCPS-SAP)提供MAC數(shù)據(jù)服務(wù)；通過MLME-SAP提供MAC管理服務(wù)。
這兩種服務(wù)通過物理層PD-SAP和PLME-SAP提供了SSCS和PHY之間的接口。除了這些外部接口外，MCPS和MLME之間還隱含了一個(gè)內(nèi)部接
口，用于MLME調(diào)用MAC數(shù)據(jù)服務(wù)。
1.3 應(yīng)用層規(guī)范
Zigbee應(yīng)用層包括APS子層、ZDO(包含ZDO管理平臺)和廠商定義的應(yīng)用對象。應(yīng)用支持子層(APS)提供了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層
(APL)之間的接口，功能是通過ZDO和廠商定義的應(yīng)用對象都可以使用的一組服務(wù)來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)和管理實(shí)體分別由APSDE-SAP和APSME-SAP
提供。APSDE提供的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)在同一網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用層PDU；APSME提供設(shè)備發(fā)現(xiàn)和綁定服務(wù)，并維護(hù)管理對象數(shù)據(jù)庫——
APS信息庫(AIB)。
1.4 網(wǎng)絡(luò)層規(guī)范
網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)提供保證IEEE 802.15.4
MAC層正確工作的能力并為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。數(shù)據(jù)和管理實(shí)體分別由NLDE-SAP和NLME-SAP提供。具體來說，NLDE提供的服務(wù)：一
是在應(yīng)用支持子層PDU基礎(chǔ)上添加適當(dāng)?shù)膮f(xié)議頭產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)；二是根據(jù)路由拓?fù)洌袾PDU發(fā)送到通信鏈路的目的地址設(shè)備或通信鏈路
的下一跳。而NLME提供的服務(wù)包括配置新設(shè)備、創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備請求加入/離開網(wǎng)絡(luò)和Zigbee協(xié)調(diào)器或路由器請求設(shè)備離開網(wǎng)絡(luò)、尋址、近鄰發(fā)現(xiàn)、路
由發(fā)現(xiàn)、接收控制等。網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)和管理服務(wù)由MCPS-SAP和MLME-SAP提供了應(yīng)用層和MAC子層之間的接口。除了這些外部接口，在NWK內(nèi)部
NLME和NLDE之間還有一個(gè)同隱含接口，允許NLME使用NWK數(shù)據(jù)服務(wù)。
2 協(xié)議棧程序分析
2.1 運(yùn)行環(huán)境
軟件環(huán)境：IAR 7.20、串口調(diào)試工具、數(shù)據(jù)分析儀以及各硬件驅(qū)動(dòng)軟件等。
硬件環(huán)境：PC(.NET 1.1 架構(gòu)， Windows 98以上，1個(gè)串口，1個(gè)USB接口)、CC2430 ZigBee開發(fā)板(至少包括一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和一個(gè)終端設(shè)備，驗(yàn)證階段可省略路由設(shè)備)等。
2.2 程序流程
將各開發(fā)板與PC正確連接，運(yùn)行各軟件，當(dāng)程序燒至開發(fā)板后，啟動(dòng)即調(diào)用主函數(shù)ZSEG int main( void
)。主函數(shù)的主要工作流程如圖2所示。需要注意的是，Zigbee協(xié)議棧的精華在于操作系統(tǒng)OSAL的任務(wù)調(diào)度，因此，在進(jìn)入主循環(huán)處理函數(shù)之前的準(zhǔn)備工
作中，操作系統(tǒng)的初始化尤為重要。osalTaskInit()、osalAddTasks()、osalInitTasks()三個(gè)函數(shù)的調(diào)用構(gòu)成了協(xié)
議棧的七大任務(wù)列表，其具體實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖3。
進(jìn)入主循環(huán)處理函數(shù)以后，始終周期掃描此任務(wù)列表，這7個(gè)任務(wù)由taskID和taskPriority來決定掃描和處理順序。在循環(huán)掃描的過程中，數(shù)據(jù)
的傳輸使用直接存取(DMA)控制器進(jìn)行操作，可以減輕8051CPU核傳送數(shù)據(jù)時(shí)的負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)CC2430在高效利用電源條件下得高性能，其操作流程如
圖4所示。
作為協(xié)調(diào)器，如果程序使用了串口調(diào)試助手，則DMA將上位機(jī)的數(shù)據(jù)按照一個(gè)字節(jié)波特率加一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的形式組裝到cfg->rxBuf中供其他函數(shù)
調(diào)用，并且通過回調(diào)函數(shù)SPIMgr_ProcessZToolData ( uint8 port, uint8 event
)將任務(wù)的ID和強(qiáng)制事件發(fā)送到任務(wù)列表中，供主循環(huán)處理函數(shù)掃描；作為終端節(jié)點(diǎn)和路由設(shè)備，無法使用串口調(diào)試助手，則通過回調(diào)函數(shù)
SPIMgr_ProcessZAppData ( uint8 port, uint8 event )
將任務(wù)的ID和強(qiáng)制事件發(fā)送到任務(wù)列表中。當(dāng)掃描至參數(shù)events=1，則進(jìn)入相應(yīng)層的處理程序進(jìn)行任務(wù)ID和events的約定比對，完成相應(yīng)的功
能，具體流程如圖5所示。
2.3 組網(wǎng)
利用數(shù)據(jù)分析儀[3]記錄監(jiān)控協(xié)調(diào)器與終端設(shè)備的組網(wǎng)過程如圖6所示。
首先，Zigbee協(xié)調(diào)器上電以后，不斷周期發(fā)送空的數(shù)據(jù)包，在允許的通道內(nèi)搜索其他的Zigbee協(xié)調(diào)器，并基于每個(gè)允許通道中所檢測到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號，選擇惟一的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)[4]。
一旦一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)被建立，Zigbee路由器與終端設(shè)備就可以加入到網(wǎng)絡(luò)中了。而終端設(shè)備上電以后，重復(fù)發(fā)送信標(biāo)請求，要求加入到最近的網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)
現(xiàn)終端設(shè)備發(fā)出的信標(biāo)請求，則響應(yīng)一個(gè)超幀結(jié)構(gòu)，用于設(shè)備間的同步，一旦同步成功，則實(shí)現(xiàn)圖5中的關(guān)聯(lián)過程，由終端設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)請求，協(xié)調(diào)器同意
則回應(yīng)終端設(shè)備并自動(dòng)分配16位的短地址，至此，兩者組網(wǎng)成功。
網(wǎng)絡(luò)形成后，可能會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)重疊及PAN
ID沖突的現(xiàn)象。協(xié)調(diào)器可以初始化PAN ID沖突解決程序，改變一個(gè)協(xié)調(diào)器的PAN
ID與信道，同時(shí)相應(yīng)修改其所有的子設(shè)備。通常，Zigbee設(shè)備會(huì)將網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)信息存儲在一個(gè)非易失性的存儲空間——鄰居表中。加電后，若子設(shè)備曾
加入過網(wǎng)絡(luò)，則該設(shè)備會(huì)執(zhí)行孤兒通知程序來鎖定先前加入的網(wǎng)絡(luò)。接收到孤兒通知的設(shè)備檢查它的鄰居表，并確定設(shè)備是否是它的子，若是，設(shè)備會(huì)通知子設(shè)備它
在網(wǎng)絡(luò)中的位置，否則子設(shè)備將作為一個(gè)新設(shè)備來加入網(wǎng)絡(luò)。而后，該子設(shè)備將產(chǎn)生一個(gè)潛在雙親表，并盡量以合適的深度加入到現(xiàn)存的網(wǎng)絡(luò)中[5]。
通常，設(shè)備檢測通道能量所花費(fèi)的時(shí)間與每個(gè)通道可利用的網(wǎng)絡(luò)可通過ScanDuration 掃描持續(xù)參數(shù)來確定，一般設(shè)備要花費(fèi)1
min的時(shí)間來執(zhí)行一個(gè)掃描請求，對于Zigbee路由器與終端設(shè)備來說，只需要執(zhí)行一次掃描即可確定加入的網(wǎng)絡(luò)。而協(xié)調(diào)器則需要掃描兩次，一次采樣通道
能量，另一次則用于確定存在的網(wǎng)絡(luò)。
限于篇幅，本文沒有列出各種幀結(jié)構(gòu)以及消息的處理過程，對于Zigbee協(xié)議的具體應(yīng)用即是對數(shù)據(jù)包的封裝與分解，這些分析、學(xué)習(xí)對于編寫上位機(jī)軟件，開
發(fā)通過Zigbee協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行交互的輕量級的現(xiàn)場設(shè)備,都是有意義的。已經(jīng)據(jù)此以C++開發(fā)出用戶自定義的上位機(jī)程序,實(shí)現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的監(jiān)視和現(xiàn)
場采集、數(shù)據(jù)庫入庫、趨勢圖等功能。
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