使用無線網絡分析器調試ＺｉｇＢｅｅ協議系統

摘要：本文詳細探討了使用無線網絡分析器調試ZigBee協議系統的基本方法，從而便于更好地確保網絡的可靠性。

關鍵詞：無線網絡分析器；ZigBee；802.15.4

短距離無線網絡市場正呈爆炸性增長。In-Stat稱，通過ZigBee協議規范和其他專有協議，到2009年IEEE 802.15.4無線個人局域網(PAN)的市場可實現200％的增長，年發貨量將超過1，5000萬單位。

對于無線設計人員而言，目前有許多射頻(RF)收發器和ZigBee協議?？捎脕碓趹弥袑崿FZigBee協議功能。無論選擇了哪種收發器和協議棧，設計工程師都應該查找能夠幫助他們快速評估和開發ZigBee協議應用的設備和工具。若已確定ZigBee協議的復雜度，那么設計人員也需要使用合適的開發工具來幫助他們設計和調試應用程序。

有多個無線網絡分析器或“嗅探器”可供使用。在您首次：開始無線開發時，獲取一個無線網絡分析器是一項關鍵性投資，可為您免去許多麻煩。有些分析器具有圖形界面，而有些分析器則具有更為基于文本的界面。請確保選擇的分析器具有易于閱讀的界面。在以下示例中，我們將使用Microchip的ZENA無線網絡分析器，它采用圖形的格式顯示消息。但是不管您選擇了哪種分析器，能夠快速解密ZigBee協議消息的密鑰部分將有助于您高效地開發和調試系統。

網絡構成

設備加入ZigBee協議網絡時出現的消息會告訴我們許多關于網絡的信息。當設備試圖加入一個網絡時，它會發出一個信標(beacon)請求。鄰近的協調器或路由器通過發出信標作出響應。新設備將選擇一個信標，然后向該設備發送一個關聯請求，請求加入網絡。在一段短暫延時后，新設備發送一個數據請求，請求響應。網絡設備則發送一個關聯響應，指示該新設備是否已被網絡接受。這些消息顯示如圖1。

第一條消息來自于新設備，用于請求信標。后兩條消息是信標。我們可以從這些信標中知道一些關于設備的有用信息。首先，我們可以知道第二條信標來自于協調器，因為其源地址為0x0000且信標有效負載中指定的深度為0。第一條信標來自于路由器，因為其源地址非零。我們也可以知道此路由器會通過該協調器加入網絡，因為它在同一個網絡上(源PAN是相同的)且信標有效負載“深度”為1。我們還可以知道在應用層，這兩個設備都將接受新設備加入網絡，因為超幀規范“Assoc”位被置1。但是，如果我們查看信標有效負載，我們可以看到協調器不能接受任何其他路由器或終端設備加入網絡，因為“RtrCap”和“DevCap”位均為0。同時，路由器仍然可以接受路由器和終端設備。

在第四條消息中，新設備已決定試圖加入網絡。通過檢查關聯請求的目標地址，我們可以知道新設備正試圖加入哪個網絡設備——路由器。關聯請求可告訴我們關于新設備的許多信息。其關鍵元素是“Dev”和“RxOn”位。“Dev”位指示設備正試圖作為終端設備加入。而且，可以知道此設備將總是保持其收發器開啟，因此其父設備不必為其緩沖消息。此位對于以后的通信很重要。如果“RxOn”設置：為關閉，那么其父設備將認為新設備保持其收發器關閉，它將為新設備緩沖消息。如果新設備從未請求消息，那么父設備也從不會發送消息給它!

最后，我們可以看到關聯請求成功?，F在我們在網絡上有了一個新的FFD(全功能設備)終端設備，其短地址為0x1AF9。

應答的發送

ZigBee協議是一個高度應答的協議。有三個應答級別：MAC(介質訪問控制)、APS(應用子層支持)和AF(應用框架)。這不但提高了系統的可靠性，也使我們在發生問題時能夠識別故障所在。在圖2中，設備0x0001正告知設備0x0000來使用應答的所有三種級別將屬性設置為指定值。

第一條消息是發送給設備0x0000、要求設置屬性的命令。接下來是一條短MAC應答，指示接收設備的收發器正確接收消息，通?？捎墒瞻l器自動生成。ZigBee協議指定所有消息必須請求MAC應答。在第一條消息的APS幀控制字段中，有一個位指示是否請求了APS應答。如果該位置1，那么接收方ZigBee協議棧的APS層將自動生成一條APS應答，如第三條消息所示。此應答指示目標設備的協議棧接收到了消息。APS應答還將生成另外一條MAC應答，如第四條消息所示。

查看第一條消息的事務解碼，我們將看到使用了“Set with Acknowledge”命令。這是一條發送給應用層的指示，應用層必須使用“Set Response”命令對該命令進行應答，如第五條消息所示。此應答指示應用層接收到了消息，而且在將屬性設置為請求的值時，發送的錯誤代碼將指示是否存在任何問題。AF應答將生成另外一條MAC應答，如第六條消息所示。此外，發送的AF應答帶有請求的APS應答，這將生成第七和第八條消息。這些多層應答會產生相當大的數據流量；但是如果消息鏈中出現中斷，我們將更容易定位問題，如表1所示。

拓撲問題

當開發了無線網絡系統之后，無線網絡分析器可以幫助進行安裝和拓撲分析。一些無線網絡分析器，如ZENA無線網絡分析器在內，當消息經由網絡的時候都能夠以圖形的方式顯示數據流量。設備以圓形節點表示，而消息則以連接到節點的線表示若裝載了描述物理布局的位圖，則拓撲問題將清楚得多。

假設有一個網絡，它有四個設備、一個協調器、兩個路由器和一個FFD終端設備。盡管所有設備都是全功能設備，還是可以從數據包分析中看出，FFD終端設備和任一路由器之間的消息是通過另一個路由器發送的。如果打開“NetworkConfiguration Display”(網絡配置顯示)窗口，裝載描述性位圖，并將節點拖到描述其物理位置的位圖上的相應位置時，那么可以很快地看出發生了什么。圖3顯示了“Network Configuration Display”窗口，其中網絡流量有問題。我們可以看到有兩個設備彼此都不在對方的射頻范圍內，很有可能是由于建筑物內的隔墻造成的。消息必須經過另一個設備路由才能到達其目標設備。因此，盡管這種情況一開始有點糟糕，但現在可以看出系統行為與預期設想完全一致。

注意，一個“嗅探器”可能無法看到網絡上所有節點。為了觀測所有網絡流量，可能需要獲得來自不同位置的多個消息捕獲，或者使用位于不同位置的多個“嗅探器”。

結論

ZigBee協議比許多無線協議簡單，但是仍然需要使用正確的工具才能高效而有效地開發應用。從確認正在發送正確的數據值到理解網絡超幀，無線網絡分析器是任何人員進行無線網絡開發的基本工具。