（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的嵌入式无线zigbee网关的设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 z i g b o e 是近年来出现的一种新型无线通信技术，其具有近距离、低复杂度、 低功耗、低数据速率、低成本的特点，在家用系统控制、楼宇自动化、工业监 控领域具有广阔的市场空间。z i g b e e 的物理层和数据链路层由i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组制定，高层( 网络层、数据安全性及互边互通应用) 由z i g b e e 联盟负 主 _ 贝。 随着z i g b e e 技术在工业现场应用，越来越多的z i g b e e 设备终端将出现在 工业现场，这就提出了将这些z i g b e e 设备与传统的以太网连接起来要求，为此 需要设计一个无线的z i g b e e 网关来进行数据转发，因此对z i g b e e 网关的研究 和设计具有重要的意义。 本系统选用基于a r m9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 1 0 作为z i g b e e 网关的主处理器， 并且选用符合8 0 2 1 5 4 标准的c c 2 4 2 0 作为z i g b e e 网关的无线收发器。为了降 低开发成本以及方便程序升级，网关选用开源嵌入式l i n u x 操作系统，基于2 6 内核进行开发。本文主要对网关软件部分进行了深入研究。软件部分主要由2 个程序组成：无线收发器的驱动程序和网关程序。其中网关程序主要包含z i g b e e 协议栈模块和网关通信模块。开发和测试主要语言采用标准c 语言，驱动部分 测试部分采用b a s h 脚本。 本文首先介绍了无线通信的背景知识和z i g b e e 协议栈，然后详细阐述了采 用l i n u x 来进行无线收发器驱动程序设计的关键点，同时对基于l i n u x 的嵌入 式z i g b e e 网关协议栈进行了移植，并且给出了z i g b e e 网关通信程序的设计方 法以及程序的编译、调试和测试方法，实现了将z i g b e e 设备的数据及其状态转 发给上位数据服务器的过程，最后还提出了作者对未来工作方向的一些改进思 路和方法。 关键词：z i g b e e 协议栈：嵌入式l i n u x ；a r t 9 2 0 t ；s p i 驱动： v 上海大学硕士学位论文 a b s t i 认c t z i g b e e i san e wt e c h n o l o g yo fw i r e l e s s t e l e c o m m u n i c a t i o n s ，f o c u s i n go n s t a n d a r d i z i n ga n de n a b l i n gi n t e r o p e r a b i l i t yo fp r o d u c t s ，w h i c hc a nb ea p p l i e dt o h o m ec o n t r o l ，b u i l d i n ga u t o m a t i o na n di n d u s t r i a lm o n i t o t i n g z i g b e ei sb u i l to nt h e p h y s i c a ll a y e r ( p h y ) a n dm e d i u ma c c e s sc o n t r o l ( m a c ) c o m m u n i c a t i o nl a y e r s d e f i n e db yt h ei e e e 8 0 2 15 4s t a n d a r d b a s e do nt h i s ，z i g b e ed e f i n e sm e s h ，s t a ra n d c l u s t e rt r e e n e t w o r k t o p o l o g i e sw i t h d a t a s e c u r i t y f e a t u r e sa n di n t e r o p e r a b l e a p p l i c a t i o np r o f i l e s a st e c h n o l o g yi sa p p l i e di ni n d u s t r i a lf i e l d ，t h e r ea r em o r ea n dm o r ez i g b e e d e v i c e sa r ee x i t s ow en e e daz i g b e eg a t e w a yt oc o n n e c tw i r e l e s sz i g b e ed e v i c e a n dt r a d i t i o n a le t h e m e td a t as e r v e r , w h i c hp r o v i d ee x c h a n g ed a t ab e t w e e nt h e m s o i t si m p o r t a n tt or e s e a r c ha n dd e s i g no nz i g b e eg a t e w a y t i l i ss y s t e mc h o o s e ss a m s u n gs 3 c 2 4 10 ar i s cc p ua sz i g b e eg a t e w a ym a i n p r o c e s s o rb a s e d o na r m 9 2 0 t , a n dc h o o s e sc c 2 4 2 0a st r a n s c e i v e r , w h i c hi s c o m p a t i b l ew i mi e e e8 0 2 15 4s t a n d a r d f o rr e d u c i n gd e v d o pc o s ta n du p d a t i n g p r o g r a m ，z i g b e eg a t e w a yc h o o s e st oo p e ns o u r c ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i o n s y e t e m b a s e do n2 6k e r n e l t h i sp a p e rd o e sf u r t h e rr e s e a r c ho nt h eg a t e w a y s o f t w a r e g a t e w a y ss o f t w a r ei sc o m p o s e do ft w op a r t s ：w i r e l e s st r a n s c e i v e t d r i v e r a n dg a t e w a ya p p l i c a t i o nw h i c hm a i n l yi n c l u d e sp r o t o c o ls t a c km o d u l ea n dg a t e w a y c o m m u n i c a t i o nm o d u l e a 1 1c o d e sa r ew r i t t e nb yc l a n g u a g e a n db a s hs h e l ls c r i p ti s u s e dt ot e s td r i v e r t l l i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e sw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n sb a c k g r o u n da n dz i g b e e p r o t o c o ls t a c k a n dt h e l lm a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g no fl i n u xw i r e l e s st r a n s c e i v e t d r i v e r , p o r to fz i g b e ep r o t o c o ls t a c k , d e s i g no fz i g b e eg a t e w a yc o m m u n i c a t i o n p r o g r a ma n dm e t h o do fc o m p l i e i n g ，d e b u g g i n ga n dt e s t i n g , a n da tl a s td i s c o v e r st h a t z i g v e eg a t e w a yc a ne x c h a n g ed a t ab e t w e e nz i g b e ed e v i c e sa n dd a t as e r v e ra n dc a n i n f o r mg a t e w a yo fr u n n i n gs t a t ef o rd a t as c l v e r t h ep a p e ri ss u m m e du pi nt h ee n d t h a tt h ea u t h o rf u t u r ee f f o r t sa r ei n d i c a t e d k e y w o r d s ：z i g b e ep r o t o c o ls t a c k ；e m b e d d e dl i n u x ；a r m 9 2 0 t ；s p id r i v e r ；, v i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：堇丝日期：兰! 竺星：墨：尘 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 勃 导师签名：丕丝丝： 日期： i i 刈玉，厂 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 随着半导体技术和无线通信技术的不断发展，陆续出现了多种新的短距离 无线通信技术。对于多数无线网络来说，无线通信技术的应用目标旨在提高传 输数据的速率和传输距离，而在通常采用电池供电的嵌入式设备，如无线传感 网络以及诸如工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子和家庭数字控制网络 等方面的应用，由于系统传输的数据量小、传输速率低，因此这些系统必须要 求传输设备具有成本低、功耗小的特点。针对这些特点，z i g b e e 技术应运而生。 z i g b e e 是近年来提出的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低 成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制和远程控制领域，是为了满足 小型廉价设备的无线联网和控制而制定的。z i g b e e 是i e e e8 0 2 1 5 4 技术的商 业名称，该技术的核心由2 0 0 0 年1 2 月成立的i e e e8 0 2 1 5 4 工作组制定， 高层应用、互联互通测试和市场推广由2 0 0 2 年组建的z i g b e e 联盟负责。 z i g b e e 联盟由英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以 及荷兰飞利浦半导体公司等组成，已经吸引了上百家芯片公司、无线设备开发 商和制造商的加入。目前i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准化工作正在转向相关的应用和 测试，芯片和产品也已经面市【15 1 。 随着z i g b e e 技术在工业现场应用，越来越多的z i g b e e 设备终端将出现在 工业现场，为了更好地将这些z i g b e e 设备与传统的以太网连接起来，就需要设 计一个无线的z i g b e e 网关进行数据转发。 基于上述考虑，本文旨在选择一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速 率、低成本的无线通信技术，在一个基于低功耗的a r m 9 系列微处理器的嵌入 式系统中实现这种技术，此系统具有处理速度快、接口简单、扩展性好、稳定 性好等优点，为一些要求硬件处理速度高，存储容量多的应用场合提供了新的 解决方案。 上海大学硕士学位论文 1 2 几种短距离无线通信技术概况与比较 1 2 1i r d a 技术 成立于1 9 9 3 年的红外数据协会i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) 是致力于 建立红外线无线连接的非营利性组织。i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信 的技术，在各种遥控器、p d a 、手机等设备上广泛使用。k d a 的主要优点是红 外通信成本低廉且无需申请频率的使用权，并且还具有体积小、功耗低、连接 方便、应用简单的特点。此外，红外线发射角度较小，传输上安全性高。k d a 的不足之处在于它是一种视距传输，传输数据时两个设备之间不能有阻挡物， 必须对准。且红外技术只限于两台通讯设备，无法灵活构成网络。i r d a 目前的 研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据速率。 1 2 2 蓝牙技术 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术，是目前比较流行的一种无线个人区域网技术，具有中 等速率，用无线接口代替有线电缆的连接，有很强的移植性，已广泛用于p c 、 打印机、传真机、手机等设备上。蓝牙最早是爱立信在1 9 9 4 年开始研究的一种 能使手机与其附件( 如耳机) 之间互相通信的无线模块。1 9 9 8 年，爱立信、诺基 亚、i b m 等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。 蓝牙技术的标准版本为i e e e 8 0 2 1 5 1 标准，由蓝牙小组( s i g ) 负责开发。 蓝牙技术是一种无线数据和语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定 设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距离无线接口，将通信技术与计 算机技术进一步结合起来，能在近距离范围内实现相互通信或操作。它的工作 频率为2 4 g h z ，有效范围大约在1 0 m 半径内，能提供1 m b p s 的传输速率。蓝 牙技术主要面向网络中各类数据及语音设备( 如p c 、拨号网络、笔记本电脑、 打印机、数码相机、移动电话和高品质耳机等) ，通过无线方式将它们连成一个 微网( p i c o n e t ) ，多个微网之间也可以互连形成分布式网络( s c a t t e r n e t ) ，从而方便、 快速地实现各类设备之间的通信。它是实现语音和数据无线传输的开放性规范， 是一种低成本、短距离的无线连接技术。蓝牙技术实现了设备的无连接工作， 2 上海大学硕士学位论文 提供了接入数据网的功能，并且具有外围设备接口，可以组成一个特定的小网。 1 2 3w i f i 技术 w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) ，正式名称是i e e e 8 0 2 1l b 。w i f i 速率最高可达1 1 m b s 。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但电波的 覆盖范围却略胜一筹，可达1 0 0 m 左右。 w i o f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一 定区域内，就能以最高约1 1 m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个用户 同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i f i 的连接速度一般将只有几百 k b s 的信号。信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。 w i f i 未来最具潜力的应用将主要在s o h o 、家庭无线网络以及不便安装电 缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热 点场所。w i f i 技术可将w i f i 与基于x m l 或j a v a 的w e b 服务融合起来，可 以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备8 0 2 1 l b 的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大 量铺设电缆所需花费的资金。 最初的i e e e 8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 1 1 b ，主要目的是提 供w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技术标准，它的工作频率也是2 4 g h z ， 与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着 w i f i 协议新版本如8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 的先后推出，w i f i 的应用将越来越广泛。 速度更快的8 0 2 1 l g 使用与8 0 2 1 l b 相同的正交频分多路复用调制技术。它工作 在2 4 g h z 频段，速率达5 4 m b s 。根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断， 8 0 2 1 l g 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准m 】。 1 2 4z i g b e e 技术 2 0 0 0 年1 2 月i e e e 成立了i e e e 8 0 2 15 4 工作组，致力于定义一种廉价设备 使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标 3 上海大学硕士学位论文 记技术和蓝牙之间的技术提案。z i g b e e 协议比蓝牙、高速率个人区域网( p a n ) 或8 0 2 1 l x 无线局域网更简单实用。z i g b e e 技术的主要特点包括以下几个部 分： 数据传输速率低只有1 0 k b p s - - 2 5 0 k b p s ，专注于低传输应用。 功耗低在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月以 上。 成本低因为z i g b e e 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。 网络容量大z i g b e e 设备可以与另外2 5 4 台设备相连接。 有效范围小有效覆盖范围1 0 一, 7 5 m 之间，具体依据实际发射功率的大 小和各种不同的应用模式而定。 工作频段灵活使用的频段分别为2 4 g h z 、8 6 8 m h z ( 欧洲) 及9 1 5 m h z ( 美 国) ，均为免执照频段。 z i g b e e 主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设 备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据( 如传感器数据) 、间歇性数据( 如 照明控制) 和重复性低反应时间数据( 如鼠标) 。 1 2 5 几种无线通信技术的比较 目前，各种无线传输技术林立，应用广泛。每个技术都有其立足的特点， 或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求；或着眼于功能的扩充性：或符合 某些单一应用的特别要求；各种短距离无线通信技术都在争取成为市场标准。 通过表1 1 对几种主要无线通信技术的比较，可以得出：z i g , b e e 是目前 最适合用于工业现场网关的短距离无线通信技术。 4 上海大学硕士学位论文 表1 1 各种短距离无线通信技术的比较 i r d a 蓝牙 、矾f i z i g b e e 红外线射频射频射频2 4 g h z 工作频率 9 8 0 n m2 4 g h z2 4 g h z8 6 8 9 15 m h z 有效物理范围 2 0 e r a 1 2 m1 0 m 一1 0 0 m2 5 m 1 0 0 m1 0 m 7 5 m 最大传输速率 1 6 m b p s1 m b p s i1m 3 0 0 m b p s 2 5 0 k b p s 主机协 1 0 3 0 k6 0 2 8 0 k1 m4 3 2 k 议栈容量 网络节点数281 2 82 5 5 最大功耗数m w 1 0 0 r o w1 0 0 m w3 0 r o w 参考成本 帧控制域 帧控制域的长度为1 6 个比特位。如图2 - 6 所示。帧控制域各字段的具体含 义如下所示： 位0 2 34567 91 0 1 l1 2 1 31 4 1 5 帧类型加密位 后续帧 应答 同一p a n 保留 目的地 保留 源地址 控制位请求指示 址模式模式 图2 - 6 帧控制域结构 ( 1 ) 帧类型定义了四种类型帧：信标帧，数据帧，确认帧和m a c 命令帧。 ( 2 ) 加密位：设置为l 时表示帧用存贮在m a cp i b 中的密钥加密。 ( 3 ) 后续帧控制位：设置为l 时表示发出帧的设备有后续数据发送给接收 方，因此接收方应发送额外的数据请求以获得后续的数据。 ( 4 ) 应答请求位：指示帧的接收方是否需要发出确认。信标帧和确认帧不 需要接收方的确认。数据帧和命令帧的该位设置为1 ，则接收方的数据通过了 c r c 校验后，立即发送确认帧。 ( 5 ) 同一p a n 指示：设置为1 时表示目标地址与源地址在同一网络中， 不需要源p a n 标识符。 ( 6 ) 源、目的地址模式：定义了地址类型。如表2 2 所示。在m a c 子层 中设备地址有两种格式：1 6 位( 两个字节) 的短地址和6 4 位( 8 个字节) 的扩 展地址。1 6 位短地址是设备与p a n 网络协调器关联时，由协调器分配的网内 局部地址；6 4 位扩展地址是全球唯一地址，在设备进入网络之前就分配好了。 1 3 上海大学硕士学位论文 表2 - 2 地址类型定义 地址模式( b l b 0 )描述 0 0 无p a n 标识符和地址 o l 保留 l o地址域包含的是1 6 位短地址 l l 地址域包含的是6 4 位扩展地址 帧序列号 为帧指定了唯一的序列号，仅当确认帧的序列号与上一次数据传输帧的序 列号一致时，才能判断数据或命令传送成功。 地址域 一共包含四个地址域：目的p a n 标识符( d e s t i n a t i o np a ni d e n t i f i e r ) 、目的 地址( d e s t i n a t i o na d d r e s s ) 、源p a n 标识符( s o u r c ep a ni d e n t i f i e r ) 、源地址 ( s o u r c ea d d r e s s ) 。由于不同地址类型的地址信息的长度是不同的，且同一网络 可省略源p a n 标识符，故该部分长度是可变的。 净荷 净荷部分用来承载上层数据，也包含特定类型帧的相关信息。有一些帧的 帧体是空的，例如响应帧，这样可以用比较小的开销达到目的。 帧校验 m a c 帧的尾部，通常被称为帧校验序列( f c s ) 字段，长度为1 6 个比特 位。 2 3 3 _ a c 层帧类型 ( a ) 信标帧 信标帧的负载数据单元由四部分组成：超帧描述字段、g t s 分配字段、待 转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。如图2 7 所示。 1 4 上海大学硕上学位论文 字节数： m a c 子 层 字节数： p h y 层 2l 4 或1 0 2kmn2 帧控制序列地址信息超帧描述 g t s 待转发数据 信标 分配帧负 f c s 字段号字段字段目标地址 字段载 l - - 罂 m 8 叫 411 7 + ( 4 或l o 卜k + 仰+ n 前导码 r 。鬈胗拶 勰绋瓣 ，r 哼馋雾l l 搿秽l l l 辫警9 2 缵 # 序列 帧开始分隔符帧长度p h y 服务数据单元 2 s h rp h rm p d u 1 3 + ( 4 或1 0 卜k + 仰+ n p h y 协议数据单元 图2 7 信标帧结构 信标帧中超帧描述字段规定了这个超帧的持续时间，活跃部分持续时间以 及竞争访问时段持续时间等信息。g t s 分配字段将非竞争访问时段划分为若干 个g t s ，并把每个g t s 具体分配给了某个设备。转发数据目标地址列出了与协 调者保存的数据相对应的设备地址。一个设备如果发现自己的地址出现在待转 发数据目标地址字段里，则意味着协调器存有属于它的数据，所以它就会向协 调器发出请求传送数据的m a c 命令帧。信标帧负载数据为上层协议提供数据 传输接口。在信标不使能网络里，协调器在其他设备的请求下也会发送信标帧。 此时信标帧的功能是辅助协调器向设备传输数据。 ( b ) 数据帧 m a c 子层 字节数： p h y 层 字节数： 21 4 到2 0 n2 帧控制序列地址信息数据帧 字段号字段负载 f c s m h rm s d um f r 4l l 5 + ( 4 到2 0 h l “”獬彬”嗍嬲彻搿锄铲 9 彬彬嬲瑚嬲嬲锄锄缨 i 前导码 帧开始 帧长度m a c 协议数据单元 j i 序列 分隔符 ，。，。? l ，。? 疡 ls h rp h r p s d u 1 1 + ( 4 到2 0 m l p h y 协议数据单元 图2 - 8 数据帧结构 数据帧用来传输上层发到m a c 子层的数据。数据负载传送至m a c 子层时， 1 5 上海大学硕上学位论文 它的首尾被分别附加了m h r 头信息和m f r 尾信息后，就构成了m a c 数据帧。 如图2 8 所示。 ( c ) 确认帧 如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或m a c 命令帧，并且帧的控制 信息字段的确认请求位被置1 ，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应 该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧紧接着被确认帧 发送，不需要使用c s m a c a 机制竞争信道。确认帧结构如图2 - 9 所示。 m a c 子 层 字节数： p h y 层 字节数：212 帧控制 序列号f c s 字段 m h rm f r 4115 。 p 。i “j | “。鹳譬哆4 ”7 ；“二9 j 抽峙i ? t i 竹”嘲。杯+ ”譬 i 前导码 帧开始 帧长度m a c 协议数据单元 序列分隔符 诒 ； s h rp h rp s d u 1 1 i p h y 协议数据单元 图2 - 9 确认帧结构 ( d ) 命令帧 m a c 命令帧用于组建p a n 网络，传输同步数据等，只能在信标网络的c a p 时段和非信标网络的任意时段发送。命令帧在格式上和其他类型的帧没有太多 的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。如图2 1 0 所示。帧头的帧控制 字段的帧类型为l i b ( b 表示二迸制数据) 表示这是一个命令帧。命令帧的具 m a c 子层 字节数： p h y 层 字节数： 2 14 到2 0 ln2 帧控制序列地址信息命令数据帧 f c s 字段号字段类型负载 m h r m s d um f r 4 l l 6 + ( 4 到2 ch 1 l l 前导码 帧开始帧长 “。4 。” 4 。删” 嘴州? + 锡 i 序列分隔符度 m a c 协议数据单元! ，7j。? ：?。，二，。二 s h r p h r p s d u 1 2 + ( 4 到2 0 m i。p h y 协议数据单元 图2 1 0 命令帧结构 1 6 上海大学硕士学位论文 体功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第 一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。 命令类型有如下几种，如表2 3 所示。全功能设备( f f d ) 能完成以下所 有命令的收发，简单功能设备( i 心d ) 则只能完成部分命令的收或发，表中打 钩的即表示简单功能设备( r f d ) 可以实现的部分。 表2 3 命令帧类型 r f d 命令帧 命令名称 标识 t x r x 0 x o l 关联请求( a s s o c i a t i o nr e q u e s t ) o x 0 2 关联响应( a s s o c i a t i o nr e s p o n s e ) 0 x 0 3 解除关联( d i s a s s o c i a t i o nn o t i f i c a t i o n ) v 0 x 0 4 数据请求( d a t ar e q u e s t ) v 0 x 0 5 局域网身份冲突通知( p a ni dc o n f l i c tn o t i f i c a t i o n ) v 0 x 0 6 丧失同步性通知( o r p h a nn o t i f i c a t i o n ) v 0 x 0 7信标请求( b e a c o nr e q u e s t ) o x 0 8 协调器重新分配( c o o r d i n a t o r r e a l i g n m e n t ) v 0 x 0 9 g t s 请求( g t sr e q u e s t ) o x o a 0 x f f保留( r e s e r v e d ) ( 1 ) 关联请求帧：如果想连接到网络协调器或其他设备上，发送此帧。 ( 2 ) 关联响应帧：当网络协调器收到关联请求帧后，发送关联响应帧，告 诉其请求连接的结果。 ( 3 ) 解除关联帧：当网络协调器或关联设备想终止一个连接时发送此帧。 ( 4 ) 数据请求帧：向协调器发出数据请求命令。 ( 5 ) p a ni d 冲突帧：检测到个人局域网身份冲突后，设备向协调器发出 该命令。 ( 6 ) 丧失同步帧：已关联的设备与协调器丧失同步性后，向协调器发出此 帧。 ( 7 ) 信标请求帧：设备主动扫描过程中，发出此命令，找到个人工作空间 内所有的协调器。这对r f d 是可选的。 ( 8 ) 协调器重新分配帧：此命令由协调器发出，紧跟在收到设备的丧失同 1 7 上海大学硕士学位论文 步帧之后，或者个人局域网配置发生变化以后。 ( 9 ) g t s 请求命令帧：已关联的设备向协调器请求分配一个新的g t s 或 者重新分配一个已存在的g t s 。只有有效短地址的设备才能发送此 命令。 2 3 4m c 层数据传输模式 l r w p a n 网络中存在着三种数据传输方式：终端设备传送数据到协调器、 协调器传出数据到终端设备、对等设备之间的数据传输。在星型网络中，仅有 前两种方式，而在对等网络中，三种方式均有可能。 1 数据传送到协调器 信标使能方式中，设备必须先接收协调器发出的信标帧达到同步，接着在 竞争访问阶段使用开槽( s l o t t e d ) c s m a c a 方式发送数据，或者在非竞争阶段 使用有保证时隙( g t s ) 传输数据。非信标使能方式中，设备直接利用无槽 c s m 刖c a 来传送数据。流程如图2 1 1 所示。 图2 1l数据传送到协调器流程 2 数据从协调器传出 在信标使能方式中，数据帧由协调器保存在事务处理列表中，等待相应的 设备来提取。协调器利用信标帧告诉设备有资料要传送，设备通过检查来自协 调器的信标帧，能发现在事务处理列表中是否挂有一个属于它的数据分组。如 果自己是协调器传送对象，则设备在竞争阶段使用开槽c s m a c a 发送m a c 数据请求命令。或者在非竞争阶段使用有保证时隙( g t s ) 传输数据。 1 8 上海大学硕士学位论文 在非信标使能方式中，终端设备采用无槽c s m a c a 传送m a c 数据请求 命令。若协调器有数据要传送，则也采用无槽c s m a c a 传送数据。流程图如 图2 1 2 所示。 图2 1 2 数据从协调器传出流程 3 对等设备之间的数据传输 对等网络中，任一设备可同其射频范围内的其他设备通信。准备通信的设 备要么定时接收，要么相互同步。前者简单使用无槽c s m a c a 传输数据，后 者需要采取一定措施确保同步。 2 3 5 基于时槽的c s m a c a 算法 协调器( c o o r d i n a t o r ) 在网路中，会发出b e a c o n 给所有的设备节点，而对 于有资料需传送的设备来说，它们会向协调器要求进行传送，由于在一个时间 内只能有一个设备进行传输，因此所有想要传输的设备就会进行基于时槽的 c s m a 算法来竞争传输信道的使用权。所有有资料传输的设备，都会去监 测目前的无线传输信道是否有其他设备在使用，如果为空闲( i d l e ) ，这些设备 会产生一个后退延迟时间( b a c k o f fd e l a y t i m e ) ，来错开这些设备同时送出资料 而造成碰撞的可能。若目前的无线传输信道是处于忙碌中的，则这些设备将会 在监测到媒体为空闲后，再进行基于时槽c s m a c a 的竞争。因此，基于时槽 1 9 上海大学硕士学位论文 的c s m a c a 算法的使用，主要是在设备有资料要传送。而基于时槽的 c s m a c a 此算法中有三个重要的参数是必须由每个要传送资料的设备去维护 的：n b 、c w 以及b e 。 n b 也就是后退次数( n u m b e ro f b a c k o f f ) ：n b 的初使值为0 ，当设备有资料 要去传送时，经过一段后退延迟时间后，若侦测到信道为忙，则会再一次进去 产生后退时间( b a c k o f f t i m e ) 的步骤，此时n b 值则会加1 ，而n b 值最大定 义为4 ，当信道在经过四次的后退延迟时间的延迟后仍为忙，则放弃此次的传 送，以避免过大的冲突。 c w 是指碰撞视窗的长度( c o n t e n tw i n d o wl e n g t h ) ，也就是定义后退延迟时 时间的长度，其单位是多少个后退周期( b a c k o f f p e r i o d ) ，一个后退周期定义在 参数a u n i t b a c k o f f f c r i o d ，为2 0s y m b o l s 的时间。c w 的初始值为2 ，最大值可 到3 1 。 b e 也就是后退指数( b a c k o f f e x p o n e n t ) ，此值是与c w 相关的参数，影响后 退延迟时间的长度；c w = 2 雎1 ，而b e 值初始预设值( 最小值) 为3 ，最大值为 5 ，而当b e 设为0 时，则等同于此基于时槽的c s m a c a 算法被禁止。而 b e 最大值只定义到5 ，主要的考量应是避免过长的后退延迟时间而影响整体的 效能。 后退延迟时间的算法如下： b a c k o f f - t i m e2 r a n d o m ( ) xa u n i t b a c k o f f p e r i o d 其中：r a n d o m 0 = 【0 ，c w 】 c w = 2 髓1 a u n i t b a c k o f f p e r i o d = 2 0s y m b o l s 1s y m b o l s = 1 6 u s 当一开始进入基于时槽的c s m a c a 竞争时的c w 初始值等于2 ，等待1 2 个s y m b o l 时间发送前导帧( p r e a m b l ea n ds f df l a m e ) 【3 1 。当发生碰撞时，或 d a t a 、a c k 遗失而造成重传时，每重传一次b e 值会逐一增加l ，m i n b e = 3 ( 初 始值) ，m a x b e = 5 。因此，第一次发生碰撞后，b e 值为3 ，c w 值则为7 ( 2 3 1 = 7 ) ，r a n d o m o 函数则会从0 到7 随机选择一个最小值来产生后退延迟时间； 上海大学硕士学位论文 第二次若仍发生碰撞或发送信道忙，n b 会加l ，b e 值则为4 ，c w 值则为1 5 ， 并依这些参数值来产生后退延迟时间。n b 值最大为4 ，也就是说在这个算法 中，最多只能连续发生四次碰撞的机会，在这四次中若无法避开碰撞传送资料， 则该次传送将失败。在i e e e8 0 2 1 5 4 中，最大后退次数由m a c m a x c s m a b a c k o f f 设定。图2 1 3 就是基于时槽的c s m a c a 的算法流程。 2 4 网络层 图2 1 3 基于时槽的c s m a c a 网络层拥有数据实体和管理实体。网络层数据实体提供下列服务： 生成网络层协议数据单元( n p d u ) 指定拓扑传输路由 网络层管理实体提供下列服务： 2 l 上海大学硕士学位论文 配置新设备 初始化网络 加入和离开网络 分配地址 邻居设备发现 路由发现 接收控制 2 4 1 网络层的服务规范 z i g b e e 网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保z i g b e e 的m a c 层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口， 网络层提供了两个必须的功能管理服务实体，如图2 。1 4 所示。 l “4 ”1 1 “6 ”“、。34 ”“。“4 + ” 9 ”。“4 + 6 ”。”。4 r ：7 ：7 ：7 一一7 7 ：i4 ，| i k ，“，o o，。一，“一n e x t o a e r 蝴r 若n 笤桫：! ，一。o o v j | l n一 一q ，、，。t_ 4 l ，t 一一 。 一一 一“ 一秆一 巨：囊：。0 ：| 、。| ，；，ii j ，睁椿t l _ _ ! 、0 ：01 i 图2 - 1 4 网络层参考模型 网络层数据实体( n l d e ) 通过网络层数据实体服务接入点( n l d e s a p ) 提供数据传输服务，网络管理层实体( n l m e ) 通过网络层管理实体服务接入 点( n l m e s a p ) 提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完 成一些网络的管理工作，并且网络层管理实体完成对网络信息库( n i b ) 的维 护和管理。 网络层通过m c p s s a p 和m l m e s a p 接口为m a c 层提供接口，通过 上海大学硕士学位论文 n l d e s a p 与n l m e s a p 为应用层提供接口服务。 2 4 2 网络的建立 z i g b e e 网络最初是由协调器发动并且建立。协调器首先进行信道扫描 ( s c a n ) ，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，同时规定c l u s t e r - t r e e 的拓 扑参数，如最大的子节点数( c m ) 、最大层数( l m ) 、路由算法、路由表生存 期等。 图2 1 5 节点加入及脱离网络握手示意图 图2 1 5 是设计的节点加入及脱离网络时的握手示意图。协调器启动后，其 他普通节点加入网络时，只要将自己的信道设置成与现有的协调器使用的信道 相同，并提供正确的认证信息，即可请求加入网络。一个节点加入网络后，可 以从其协调器得到自己的短m a c 地址、z i g b e e 网络地址以及协调器规定的拓 扑参数。同理，一个节点要离开网络，只需向其协调器提出请求即可。一个节 点若成功地接收一个子节点，或者其子节点成功脱离网络，都必须向协调器汇 报。因此，协调器可以即时掌握网络的所有节点信息，维护网络信息库( p i b ， p a ni n f o r m a t i o nb a s e ) 。 网络层路由设计分为i + ，r n 和r f d 三个模块。i + 表示开启路由功能 的全功能设备( f f d ) 模式，r n 表示关闭路由功能的全功能设备( f f d ) 模式， r f d 表示简单功能设备模式。在传输数据时，不同类型的节点有不同的处理方 法，协调器的处理机制与l 埘+ 相同。点对点通信是通过m a c 地址进行数据传 上海大学硕士学位论文 输的，所以每个节点在接收到信息包时，都要维护邻居表，邻居表主要起地址 解析( a d d r e s sr e s o l u t i o n ) 的作用：将邻居节点的网络地址转换成m a c 地址。 另外，类型是i + 的节点在接收到信息包或者启动a o d v j r 查找路由时【2 6 】，还 必须维护路由表。邻居表和路由表的记录都有生存期，超过生存期的记录将被 删除。 2 5 本章小结 本章主要介绍了z i g b e e 协议栈的框架，并且重点分析了物理层，m a c 层 及网络层的功能和他们之间的数据接口和管理接口，为后面几章内容做一个铺 垫。 上海大学硕上学位论文 第三章z i g b e e 无线收发器驱动程序设计 3 1 z i g b e e 网关平台介绍 嵌入式无线z i g b e e 网关是对w s n 无线传感网络) 中的z i g b e e 设备所发送 的数据进行协议解析，并且利用t c p i p 网络发送给数据服务器。整个系统是以 基于3 2 位a r m 微处理器为硬件平台，以c c 2 4 2 0z i g b e e 芯片构成嵌入式系统 中的无线发射接收装置，它是满足8 0 2 1 5 4 标准的接口芯片，通过s p i 总线与 微处理器相连。整个系统的设计主要包括在l i n u x 系统中完成无线z i g b e e 收发 器的驱动设计、z i g b e e 协议栈的移植和网络通信程序。 本系统主要由硬件平台和软件平台组成。硬件平台包括一个基于a r m 9 2 0 t 的开发板，一个是无线z i g b e e 收发器c c 2 4 2 0 。软件平台包括嵌入式l i n u x 操 作系统，交叉编译工具链。开发机为一台运行s u s el i n u x 的h o s t 开发主机， 通过n f s 网络