基于ZigBee多跳组播实验.doc

6.6 ZigBee多跳组播在实际生活应用中，读者可能会遇到这样的问题：需要对特定的工程对象实现分组管理。如在医院中的医疗病房中，病人患病情况类型是不同的，年龄组分布也不尽相同。如果需要对特定分组的患者利用ZigBee网络通知相关消息，组播技术可以很方便地完成上述任务。ZigBee网络中的节点分组，只有相同组号的组员才能收到每一个组员发出的消息。即工作组内设备可以接收组播数据包，而组外设备将无法接收，可实现对特定设备的分组管理。本节我们在TI官方例程SampleApp的基础上，定义了两个不同的分组对象。设备可以通过按键选择加入特定分组，并且可以同时存在两个分组中。当组内设备接收到按键组播消息后，连接在设备上的蜂鸣器发出“滴滴滴滴”的声音，并且LED灯闪烁，表示接收到组播消息。实验目的与器材1）实验目的u 学习ZigBee协议的组播技术。u 加深对Z-Stack2007/Pro协议栈的应用层流程认识。u 学会使用蜂鸣器，并利用LED灯控制函数控制蜂鸣器。2）实验器材u 4个CC2530开发套件（1个协调器模块，3个路由器模块）。u 4个蜂鸣器。实验原理与步骤1硬件介绍1）蜂鸣器蜂鸣器是一种结构非常简单的电子讯响器，采用直流电压供电，常被用于电子产品中的发声器件。图 蜂鸣器实物图及电路连接图如图 所示，蜂鸣器的工作原理非常简单，主要由发声器、三极管和电阻组成。单片机I/O驱动能力不能够使蜂鸣器发音。所以，三极管用来放大驱动电流。如果电阻R输出是高电平，三极管导通，集电极的电流能够使得蜂鸣器发声。当输出为低电平，三极管截止，蜂鸣器没有电流通过，不会发声。如果输出为方波，通过控制方波的频率，蜂鸣器也能够产生简单的音乐。2程序流程组播通信寻址使用 16 位多播组 I D完成。 多播组是所有已登记在同一个多播组 ID 下节点的集合。一个多播信息发送给一个特定的目标组，即多播表中该组ID 所列的所有设备。组播数据帧既可以由目标多播组的成员在网络中传播，也可以由非目标多播组成员在网络中传播。数据包发送由数据包的一个地址模式标志指明，确定转发到下一跳的方式。如果原始信息由组的成员创建，就被视为处于 “成员模式” ，按广播方式转发。如果原始信息不是组成员设备创建，就被视为处于 “非成员模式”，按单播方式转发一个组成员。如果一个非成员信息到达目标组的任何成员，不管下一个数据包由哪个设备进行转发，就会立即转换为成员模式类型。实现组播通信，首先，要对组对象进行定义和初始化，将设备加入到特定组中，然后，向特定设备组发送组播消息，最后组内成员接收到消息后，进行相应消息处理。1）组对象初始化组播网络中，设备发出的消息经过组寻址才会发到具有相同组号的组员设备中。组号用来标记设备所属的组，而组寻址需要定义组播地址。（1）.在SampleApp.h中定义两者的组ID，以标记设备所属的组。#define SAMPLEAPP_FLASH_GROUP1 0x0001#define SAMPLEAPP_FLASH_GROUP2 0x0002（2） 在程序SampleApp.c文件的SampleApp_Init函数中定义两个组对象并进行简单初始化，主要包括组的ID和组名字。aps_Group_t SampleApp_Group1;/定义组1和组2对象aps_Group_t SampleApp_Group2;/组1初始化SampleApp_Group1.ID = 0x0001;osal_memcpy( SampleApp_G, Group 1, 7 );/组2初始化SampleApp_Group2.ID = 0x0002;/osal_memcpy( SampleApp_G, Group 2, 7 );（3）组播地址定义。组播通信过程中，网络中节点是通过使用组地址进行网络寻址，并能够向特定分组节点传递消息。组播数据包应该具有设备寻址的地址模式、所属任务的端点号和组号。组1地址定义以及初始化为：/定义组1地址afAddrType_t SampleApp_Flash_DstAddr_Group1; /设置地址模式为组播SampleApp_Flash_DstAddr_Group1.addrMode = (afAddrMode_t)afAddrGroup;SampleApp_Flash_DstAddr_Group1.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;/设置组地址为组1 ID号SampleApp_Flash_DstAddr_Group1.addr.shortAddr = SAMPLEAPP_FLASH_GROUP1;2）设备入组/离开组（1).在ZigBee 网络实现组播通信时，设备加入组是通过设备端点加入到工作组中。aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group ); 初始情况下，编者将设备都加入到了组1和组2中：aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group1 );aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group2); #if defined ( LCD_SUPPORTED ) HalLcdWriteString( GROUP 1+2, HAL_LCD_LINE_6 ); #endif（2).将一个设备从工作组中移除，将该端点依据组ID号将其从组中移除。aps_RemoveGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP ); （3）.使用aps_FindGroup函数判断一设备端点SAMPLEAPP_ENDPOINT是否在组ID号为SAMPLEAPP_FLASH_GROUP的组中。grp = aps_FindGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP ); 读者可以在按键函数（SampleApp_HandleKeys）中利用这三个函数实现设备入组、退组、以及组间切换。3）向特定组发送消息设备在按键函数中调用SampleApp_SendFlashMessage（）函数来发送消息。本例中，为了实现对不同分组函数控制，编者加入了组号“SAMPLEAPP_FLASH_GROUP”参数：SampleApp_SendFlashMessage(uint16 flashTime,uint8 SAMPLEAPP_FLASH_GROUP)该函数中调用AF_DataRequest（）函数进行数据收发，下面是向组1设备发送消息的语句： if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Flash_DstAddr_Group1, &SampleApp_epDesc, SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID, 3, buffer, &SampleApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS )AF_DataRequest（）函数中需要定义ZigBee设备完整地址，包括网络地址以及端点地址、源端点描述符、发送端Cluster ID、数据以及数据长度等。4）组设备接收到消息，并进行相应处理节点接收到其他节点设备到来的数据后，应用层任务事件处理函数调用SampleApp_MessageMSGCB（）回调函数将进行处理。 回调函数根据到来数据包的Cluster ID判断数据类型，如果Cluster ID为SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID，设备蜂鸣器和LED会进行相关数据包接收指示操作：SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt )switch ( pkt-clusterId ) case SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID: flashTime = BUILD_UINT16(pkt-cmd.Data1, pkt-cmd.Data2 );HalLedBlink(HAL_LED_4,4,50,(flashTime/4);/蜂鸣器 HalLedBlink(HAL_LED_2, 4, 50, (flashTime / 4) );/LED灯闪这里，编者并没有针对蜂鸣器编写驱动函数，而是直接利用LED4 Blink函数进行操作。与LED灯闪类似，蜂鸣器会响四次，每次周期蜂鸣器响的百分比为50%，每个周期时间为flashTime / 4。这是由于LED灯和蜂鸣器工作都是由于电平使能的。原来芯片引脚到LED4的电平加到蜂鸣器的引脚上。由此，读者可以联想下单片机基本的编程操作方式。3）实验步骤组播实验使用四个节点设备，分别编号为节点1,2,3,4。首先将蜂鸣器接到节点模块上，与原来连接灯LED4的芯片引脚P10相连。节点初始时，节点既加入到组1，又加入到组2中。经过按键选择分组后，节点1为协调器，既在组1，又在组2中。节点2在组1中，节点3在组2中，节点4既在组1，又在组2中。第一步：按照程序说明将源代码目录下的SampleApp.c和SampleApp.h替换SampleApp目录下的同名文件。CoordinatorEB下载到节点1，RouterEB下载到节点2,3,4中。第二步：1） 按下节点1（协调器）的重启键，LCD屏会显示网络号，LED3（黄灯）长亮时说明网络建立成功；2）分别按下节点2,3,4的重启键。等到LED3（黄灯）长亮，并且屏幕上出现设备类型和地址时，说明已与协调器节点建立连接。3）连续按节点2的SW2（右键），直到节点屏幕上出现“GROUP1”字样，代表节点2只加入到组1中。4）连续按节点3的SW2（右键），节点屏幕上出现“GROUP2”字样，代表节点3只加入到组2中。5）节点4不用按键，节点4默认在组1和组2中。第三步：按节点1（协调器）的SW1（上键），节点1屏幕上出现“MSG 2 GROUP1”字样，代表向组1中发送按键消息。这时，节点2和节点4的蜂鸣器会发出“滴滴滴滴”的声音，并且其LED2闪亮四次。第四步：按节点1的SW3（下键），节点1的屏幕上出现“MSG 2 GROUP2”字样，代表向组2中发送按键消息。这时，节点3和节点4的蜂鸣器会发出“滴滴滴滴”的声音，并且其LED2闪亮四次。4）程序清单清单6.1 按键处理函数/* * 函数名 SampleApp_HandleKeys * 描述 按键处理函数，主要完成组消息发送，组间切换。 * 参数 uint16 flashTime：灯每次闪烁，蜂鸣器每次响的周期* uint8 SAMPLEAPP_FLASH_GROUP 发送消息的组号 * 返回值 无 */void SampleApp_HandleKeys( uint8 shift, uint8 keys ) (void)shift; / Intentionally unreferenced parameter if ( keys & HAL_KEY_SW_1 )/上键，向组1发送消息 SampleApp_SendFlashMessage( SAMPLEAPP_FLASH_DURATION, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP1); if ( keys & HAL_KEY_SW_3 )/下键， 向组2发送消息 SampleApp_SendFlashMessage( SAMPLEAPP_FLASH_DURATION, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP2); if ( keys & HAL_KEY_SW_2 )/组切换，如果设备当前在1组，则转入到2组。/如果当前在2组，则转入到1组。/如果当前既在1组，又在2组，则只在2组。 aps_Group_t *grp1; grp1 = aps_FindGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP1 ); /节点是否在1组中if ( grp1 ) /节点在1组，退出1组，加入2组。 aps_RemoveGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP1 ); aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group2 ); #if defined ( LCD_SUPPORTED ) HalLcdWriteString( GROUP2, HAL_LCD_LINE_6 ); #endif else /节点不在1组中，退出2组，转入到1组。 aps_RemoveGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP2 ); aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group1 ); #if defined ( LCD_SUPPORTED ) HalLcdWriteString( GROUP1, HAL_LCD_LINE_6 ); #endif 清单6.2 节点发送信息函数/* * 函数名 SampleApp_SendFlashMessage * 描述 向组中发送消息函数。通过信息中的Cluster ID执行相应操作。 * 参数 uint16 flashTime：灯闪烁、蜂鸣器响的周期* uint8 SAMPLEAPP_FLASH_GROUP 发送消息的组号 * 返回值 无 */void SampleApp_SendFlashMessage( uint16 flashTime,uint8 SAMPLEAPP_FLASH_GROUP) uint8 buffer3; buffer0 = (uint8)(SampleAppFlashCounter+); buffer1 = LO_UINT16( flashTime ); buffer2 = HI_UINT16( flashTime ); if(SAMPLEAPP_FLASH_GROUP=SAMPLEAPP_FLASH_GROUP1)/ma /向组1发消息 if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Flash_DstAddr_Group1, &SampleApp_epDesc, SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID, 3, buffer, &SampleApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS ) #if defined ( LCD_SUPPORTED ) HalLcdWriteString( MSG 2 GROUP1, HAL_LCD_LINE_4 );/在屏幕上显示向组1发送消息 #endif else / Error occurred in request to send. else /向组2发消息 if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Flash_DstAddr_Group2, &SampleApp_epDesc, SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID, 3, buffer, &SampleApp_TransID, AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS ) = afStatus_SUCCESS ) #if defined ( LCD_SUPPORTED ) HalLcdWriteString( MSG 2 GROUP2, HAL_LCD_LINE_4 ); #endif else / Error occurred in request to send. 清单6.3节点接收消息回调函数/* * 函数名 SampleApp_MessageMSGCB * 描述 信息回调函数，处理来自其他设备的数据，通过信息中的Cluster执行相应操作。 * 参数 afIncomingMSGPacket_t *pkt，来自其他设备的消息包 * 返回值 无 */void SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt ) uint16 flashTime; switch ( pkt-clusterId ) case SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID:/心跳包Cluster ID break;case SAMPLEAPP_FLASH_CLUSTERID: #if defined ( LCD_SUPPORTED ) if(pkt-groupId=SAMPLEAPP_FLASH_GROUP1)/接收到组1消息 HalLcdWriteString( MSG REV G1, HAL_LCD_LINE_4 ); else HalLcdWriteString( MSG REV G2, HAL_LCD_LINE_4 ); #endif/闪灯Cluster ID，设备接收到组内其他设备消息后，蜂鸣器响四下和LED灯闪四/次 flashTime = BUILD_UINT16(pkt-cmd.Data1, pkt-cmd.Data2 );/闪灯频率 HalLedBlink( HAL_LED_4, 4, 50, (flashTime / 4) );/蜂鸣器 HalLedBlink( HAL_LED_2, 4, 50, (flashTime / 4) );/LED灯闪 break; 实验结果节点初始化后，都加入到组1和组2中。通过按键选择，三个路由节点中，一个只在组1中，一个只在组2，一个既在组1，又在组2中。协调器通过按键分别向组1和组2中发送消息，组内设备接收到消息后，其灯闪烁并且蜂鸣器发声。1.节点模块及程序下载节点模块安装好蜂鸣器之后，分别编号为节点1,2,3,4。节点实物图如图 所示。最上面的为节点1，下载的程序为协调器。其余三个下载路由器程序，按照自左到右的顺序分别为节点2,3,4。按下节点1的重启键后，节点1会建立一个ZigBee网络，其余节点按下重启键依次加入ZigBee网络。图 节点模块实物图2.节点初始化，协调器并向组1发送消息节点初始化后，节点1的屏幕第一行上可以看到“ZigBee Coord”，代表节点1类型为协调器。屏幕第二行出现“NW ID：19”代表网络号ID为19。最后一行为“GROUP 1+2”字样，表示节点1既在组1，又在组2中。节点2,3,4分别出现“Router 1”，“Router： 143E”， “Router：287B”，代表加入网络后，节点类型以及协调器分别的16位网络短地址。读者还可以看出三者父地址分别为0，即协调器地址，三者都在组1和组2中。按下协调器的SW1(上键)后，协调器向组1发送消息，这时屏幕上显示“MSG 2 GROUP1”。由于节点2,3,4全在组1中，它们屏幕上出现“MSG REV G1”，代表组1的设备接收到了消息。这时，节点的LED2灯闪烁，蜂鸣器发声。图 节点初始化，协调器并向组1发送消息3. 节点分组后，协调器向组2发送消息按下节点2和3的SW2(右键)，分别使其只在组1和组2中。然后，按下协调器的SW2（下键），协调器会发送消息到组2中，如图 所示，这时组2中的节点3和节点4接收到消息，屏幕显示“MSG REV G2”。灯LED2闪烁并且蜂鸣器发声。图中节点2中显示的“MSG REV G1”，还是代表上次协调器按下上键时，接收到的组1数据包。图 节点分组后，协调器向组2发送消息4. 节点分组后，协调器向组1发送消息按下协调器的SW1（上键），协调器会发送消息到组1中，如图 所示，这时组1中的节点2和节点3接收到消息，屏幕显示“MSG REV G1”。灯LED2闪烁并且蜂鸣器发声。图中节点3中显示的“MSG REV G2”，还是代表上次协调器按下键时，接收到的组2数据包。图 节点分组后，协调器向组1发送消息思考：多个端点组播问题上文中的实验只使用了一个端点，实际中我们可能需要对多个端点进行分组管理。多个端点的组播问题可以用下面一个例子说明。例如，一个路灯控制系统节点A网络短地址为0x5F5F，具有一个光照传感器和一个路灯控制开关。远程节点需要获取光照传感器数值，并对数据进行分析，然后控制路灯开关。节点的光照传感器和路灯控制开关分别注册在端点10和50上，如果远程节点获取传感器数据，则向节点A发送短地址为0x5F5F，端点号为10的数据包，端点10上建立的数据处理函数进行传感数据获取，而端点50则不会接收到数据包，也不会进行相应操作。如果远程节点控制路灯，则向节点A发送短地址为0x5F5F，端点号为50的数据包，端点50上建立的数据处理函数会控制路灯开关，而端点10不会接收到控制数据。如果网络中多个路灯控制节点，需要实现对特定组的路灯进行光照传感数据获取或路灯控制。这样，程序需要在组播过程中使用两个端点。要使用两个端点，应该再定义一个端点及端点描述符，并向AF层注册。#define SAMPLEAPP_MY_ENDPOINT 21endPointDesc_t SampleApp_My_epDesc;/定义一个端点描述符在SampleApp_Init函数中进行初始化并向向AF层注册：SampleApp_My_epDesc.endPoint = SAMPLEAPP_MY_ENDPOINT;SampleApp_My_epDesc.task_id = &SampleApp_TaskID;SampleApp_My_epDesc.simpleDesc= (SimpleDescriptionFormat_t *)&SampleApp_SimpleDesc;SampleApp_My_epDesc.latencyReq = noLatencyReqs;afRegister( &SampleApp_My_epDesc);/AF层注册端点函数与单个端点加入组一致，节点使用aps_RemoveGroup和aps_AddGroup进行端点分组管理。编者通过实验发现，如果一个节点的两个端点位于同一分组中，组播消息会先后发送到这两个端点上。例如，节点1的端点号20和21都被加入到组2中。节点2端口号20加入到组1中，端口号21加入到组2中。当存在目的组地址为组2的消息时，节点1会先后收到发向端点21和20的消息。节点2只会收到发向端点21的消息。在 SampleApp_MessageMSGCB函数中，加入以下语句对发送到目的端点的消息进行判断及响应。 if(pkt-endPoint= SAMPLEAPP_ENDPOINT)/目的地址为端点0的消息 HalLedBlink( HAL_LED_4, 4, 50, (flashTime / 4) );/蜂鸣器13-03-11 HalLcdWriteString( MSG EP 20, HAL_LCD_LINE_5 ); else/目的地址为端点1的消息 HalLedBlink( HAL_LED_2, 4, 50, (flashTime / 4