基于精簡協議棧的ZigBee網絡節點研究

引言

　　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
　　)