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基于精简协议栈的ZigBee网络节点研究
来源:本站整理  作者:佚名  2009-07-07 10:36:40



引言

  ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee在整个协议栈中处于网络层的位置,其下是由IEEE 802.15.4规范实现PHY(物理层)和MAC(媒体访问控制层),对上ZigBee提供了应用层接口。

  ZigBee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑,可用于无线传感器网络(WSN)的组网以及其他无线应用。ZigBee工作于2.4 GHz的免执照频段,可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低,单靠2节5号电池就可以维持工作6~24个月。除此之外,它还具有很高的可靠性和安全性。这些优点使基于ZigBee的WSN广泛应用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。

  ZigBee协议由ZigBee联盟制定,是ZigBee的核心。目前国外带有ZigBee协议栈的全功能开发系统的价格非常高昂,而且ZigBee/802.15.4协议栈全部只提供二进制/不可修改的目标代码库供用户使用。本文研究的ZigBee精简版协议栈代码开放,在某些应用中可以达到标准版协议栈的效果,但是费用却低很多,因此具有较高的研究价值和应用价值。

1  ZigBee精简协议栈简介

  美国密西西比州立大学的Robert Reese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版(subset)ZigBee协议栈。标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表1所列,可以看出,精简协议栈实现了ZigBee的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充,实现了一些其原本不具备的功能。

  这里再补充一些术语概念,这有助于理解协议栈的代码结构。

  IEEE Address节点的8位802.15.4网络地址,也称为长地址。
  Network Address节点的2位网络地址,也称短地址。
  PAN个人局域网。
  PAN ID个人局域网标识符。
  HAL协议栈物理抽象层。
  PHY协议栈物理层。
  MAC协议栈媒体访问控制层。
  NWK协议栈网络层。
  APS协议栈应用支持层。
  APL协议栈应用层。
  精简协议栈的代码结构如表2所列。

表1
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表2
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2  ZigBee协议编程

  对于实际应用来说,最重要的是协议栈的APL函数。协议栈的每一层都有自己的有限状态机(FSM)以追踪要进行的操作。顶层的状态机函数为apsFSM(),这个函数需要最早被调用以使协议栈运行,这与标准栈中的APLTask()函数等价。所有的应用层函数都以apl或者aps开头,这些函数被分为两类: 一类是对栈内数据的存取函数,一类是数据传输过程触发一系列事件的服务函数(调用)。这里需要说明的是服务调用不能重叠,这可以通过调用apsBusy()函数进行判断。

2.1  节点程序设计

  如果节点作为协调器(coordinator),那么需要定义LRWPAN_COORDINATOR;而如果节点作为路由器(router)则需要定义LRWPAN_ROUTER;如果两者都没有定义,将作为RFD节点。
协调器节点形成网络,然后进入一个无限循环并调用apsFSM()运行协议栈。调用aplFormNetwork()服务后调用函数aplGetStatus(),如果返回了LRWPAN_SUCCESS则表示服务调用成功。代码如下:

main() {
  halInit();//初始化HAL 层
  evbInit();//初始化评估板
  aplInit();//初始化协议栈
  ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//开中断
  aplFormNetwork();//形成网络
  while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
  while(1) {apsFSM();}//运行协议栈栈
  }

  路由器节点通过调用aplJoinNetwork()运行协议栈。代码如下:

main() {
  halInit();//初始化HAL 层
  evbInit();//初始化评估板
  aplInit();//初始化协议栈
  ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT();//开中断尝试接入网络直至成功
  do { aplJoinNetwork(); //接入网络
    while(apsBusy)()) {apsFSM();}//等待完成
  }while(aplGetStatus() !=LRWPAN_SUCCESS);
  while(1) {apsFSM();}//运行协议栈
}

2.2  发送消息

  应用程序通过调用aplSendMSG()函数发送消息包。此函数的定义如下:

  aplSendMSG(
  BYTE dstMode,//目标地址的地址模式
  LADDR_UNION * dstADDR, //目的地址的指针
  BYTE dstEP,//目标端点(直接消息方式不用)
  BYTE cluster,//簇号(仅用于直接消息)
  BYTE scrEP,//消息源端点
  BYTE* pload,//用户数据缓冲区指针
  BYTE plen,//缓冲区字节数
  BYTE tsn,//消息的事务队列数
  BYTE reqack//如果非0则要求确认
  )

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