基于Zstack的點(diǎn)對點(diǎn)通信研究

劉順勇，溫 懷，趙 麗

(重慶郵電大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400065)

Zigbee技術(shù)是一種無線通信技術(shù)。Zigbee采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，利用2.4GHz波段進(jìn)行通信，具有低功耗、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)。ZigBee的目標(biāo)市場主要有PC外設(shè)(鼠標(biāo)、鍵盤、游戲操控桿)、消費(fèi)類電子設(shè)備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設(shè)備上的遙控裝置)、家庭內(nèi)智能控制(照明、煤氣計(jì)量控制及報(bào)警等)、玩具(電子寵物)、醫(yī)護(hù)(監(jiān)視器和傳感器)、工控(監(jiān)視器、傳感器和自動(dòng)控制設(shè)備)等非常廣闊的領(lǐng)域。本文通過對Zigbee協(xié)議的解析，介紹基于zigbee協(xié)議棧(Zstack)的點(diǎn)對點(diǎn)通信，并通過硬件和軟件設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)Zstack的點(diǎn)對點(diǎn)通信。

1 相關(guān)概念

ZigBee協(xié)議棧(Zstack)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入層和物理層。

圖1 zigbee協(xié)議棧

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備按功能劃分為三類邏輯模型：協(xié)調(diào)器(Coordinator)，路由器(Router)，終端設(shè)備(End Device)。這三種設(shè)備類型可以在編譯器IAR EW中進(jìn)行相應(yīng)選擇，程序下載到相應(yīng)的設(shè)備中即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)備類型[1]。

1.1 協(xié)調(diào)器(Coordinator)

協(xié)調(diào)器主要功能是啟動(dòng)和配置IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的角色主要涉及網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和配置，一旦這些都完成后，協(xié)調(diào)器的工作就像一個(gè)路由器，由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)本身的分布特性，因此接下來整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的操作就不再依賴協(xié)調(diào)器是否存在。

1.2 路由器(Router)

路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，將自己關(guān)聯(lián)至協(xié)調(diào)器或者已在網(wǎng)絡(luò)的其他路由器，同時(shí)允許另外的路由器和終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。主要功能是加入已存在的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，為ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信提供中繼和路由。通常，路由器希望是一直處于正常的工作狀態(tài)，因此它必須使用主電源供電，但是當(dāng)使用樹群這種網(wǎng)絡(luò)模式時(shí)，允許路由器間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電。

1.3 終端設(shè)備(End Device)

終端設(shè)備執(zhí)行具體的任務(wù)，如信息采集等，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互。終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個(gè)電池供電設(shè)備。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可分為三類：周期性數(shù)據(jù)，例如傳感器網(wǎng)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)不同的應(yīng)用而確定；間歇性數(shù)據(jù)，例如電燈開關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)應(yīng)用或者外部激勵(lì)而確定；反復(fù)性的、反應(yīng)時(shí)間低的數(shù)據(jù)，例如無線鼠標(biāo)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率是根據(jù)時(shí)隙分配而確定的。為了降低ZigBee節(jié)點(diǎn)的平均功耗，ZigBee節(jié)點(diǎn)有激活和睡眠兩種狀態(tài)，只有當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都處于激活狀態(tài)才能完成數(shù)據(jù)的傳輸。在有信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)點(diǎn)通過定期地廣播信標(biāo)為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供同步；在無信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)定期睡眠，定期醒來，除終端節(jié)點(diǎn)以外的節(jié)點(diǎn)要保證始終處于激活狀態(tài)，終端節(jié)點(diǎn)醒來后會(huì)主動(dòng)詢問它的協(xié)調(diào)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給它。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)點(diǎn)負(fù)責(zé)緩存要發(fā)送給正在睡眠的節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包。

如圖2所示，點(diǎn)對點(diǎn)的通信實(shí)質(zhì)上就是協(xié)調(diào)器和一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)之間的通信。

圖2 點(diǎn)對點(diǎn)通信拓?fù)鋱D

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

Zigbee無線通信主要由協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備3種節(jié)點(diǎn)組成。在網(wǎng)絡(luò)建立之初，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)的設(shè)定、信息的管理及維護(hù)功能，也可用來協(xié)助建立安全層和應(yīng)用層的綁定[2]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、電源管理模塊及其各外部接口等組成[3]。協(xié)調(diào)器主要硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 協(xié)調(diào)器各功能模塊介紹

(1)處理器模塊。我們采用CC2530作為處理器，它是用于2.4GHz IEEE802.15.4，Zigbee應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程，其中之一版本CC2530F256就結(jié)合了zigbee協(xié)議棧，提供了一個(gè)強(qiáng)大和完整的zigbee解決方案。

圖4 CC2530功能引腳圖

(2)接口模塊。通常情況下，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接口主要包括串行接口、電源接口及JTAG接口，也可增加USB接口。當(dāng)硬件設(shè)備外接電源無效時(shí)，也可采用干電池為硬件系統(tǒng)供電，以保證系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。

(3)無線設(shè)備。CC2530具有一個(gè)IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器[4]。RF內(nèi)核控制模擬無線模塊。另外，它提供了MCU和無線設(shè)備之間的一個(gè)接口，這使得其可以發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動(dòng)操作和確定無線設(shè)備事件的順序。無線設(shè)備還包括一個(gè)數(shù)據(jù)包過濾和地址識(shí)別模塊。

(4)電源管理模塊。本系統(tǒng)采用外接電源供電，保證系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

對于Zigbee協(xié)議棧的點(diǎn)對點(diǎn)通信，主要由網(wǎng)絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)，zigbee網(wǎng)絡(luò)層主要為新加入的節(jié)點(diǎn)分配地址并提供路由發(fā)現(xiàn)及路由維護(hù)等[5]。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立及參數(shù)配置，該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded WorkBench，采用的協(xié)議棧是TI Zstack。

組建網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)步驟主要是網(wǎng)絡(luò)初始化及節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)[6]。網(wǎng)絡(luò)初始化首先要確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過主動(dòng)掃描發(fā)送信標(biāo)請求命令來檢測該網(wǎng)絡(luò)中是否有協(xié)調(diào)器。如果在掃描期限內(nèi)沒有檢測到信標(biāo)，則將自己作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，并不斷地產(chǎn)生信標(biāo)并廣播出去，然后進(jìn)行信道掃描，對指定的信道或默認(rèn)的信道進(jìn)行能量檢測以避免可能的干擾，并將那些能量值超過了允許水平的信道丟棄，而后對剩余信道進(jìn)行主動(dòng)掃描，以檢查區(qū)域內(nèi)有沒有其他Zigbee網(wǎng)絡(luò)存在；完成主動(dòng)掃描后，即可獲得設(shè)備所在區(qū)域內(nèi)已有的各Zigbee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，至此，網(wǎng)絡(luò)初始化基本完成。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)可通過兩種方式完成：一是由子節(jié)點(diǎn)發(fā)起的通過關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)；二是由父節(jié)點(diǎn)發(fā)起的通過已有父節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器或路由器)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先會(huì)進(jìn)行信道掃描來收索周圍是否存在協(xié)調(diào)器。若在掃描期限內(nèi)檢測到協(xié)調(diào)器，則向其發(fā)送關(guān)聯(lián)請求。協(xié)調(diào)器收到請求后會(huì)回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀(ACK)。并向其上層發(fā)送連接指示原語。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器的回復(fù)幀后，節(jié)點(diǎn)的MAC層將等待一段時(shí)間，以便接收協(xié)調(diào)器發(fā)出連接響應(yīng)。如果協(xié)調(diào)器的地址資源足夠，它就會(huì)給節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，并產(chǎn)生包含新連接和連接狀態(tài)的響應(yīng)命令。至此，節(jié)點(diǎn)將可以成功的和協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接，并可以開始通信了。這一系列的過程都是通過協(xié)議棧各層間原語通信實(shí)現(xiàn)的。

4 實(shí)例

步驟一：將相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)代碼程序載到相應(yīng)的硬件元件上，然后通電。

步驟二：打開終端設(shè)備時(shí)屏幕會(huì)顯示 Texas Instruments XXX，這時(shí)將下載了協(xié)調(diào)器程序的Zigbee射頻板打開，這時(shí)會(huì)觀察到屏幕也先顯示 Texas Instruments XXX，同時(shí)相應(yīng)的LED燈閃爍，當(dāng)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立好之后屏幕會(huì)顯示ZigBee Coord Network ID: 2222, LED燈由閃爍變?yōu)橐恢绷痢４藭r(shí)另外作為終端設(shè)備的協(xié)調(diào)器，LCD屏幕會(huì)出現(xiàn)：EndDevice:DFF Parent:0并且與之相關(guān)的的LED燈也一直亮。表明兩者在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中了，如圖6所示。

圖6

步驟三：使用終端設(shè)備的U1開關(guān)向右撥打一次，撥打完之后會(huì)發(fā)現(xiàn)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備到的LED燈都點(diǎn)亮了，說明綁定成功了，之后便可以收到Hello World rcvd 其效果如圖7所示。

圖7

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