ZigBee2006协议栈的无线传感执行网络构建

1、1 ZigBee技术及ZigBee2006协议栈简介11 ZigBee技术概述ZigBee技术是一种短距离、低速率的无线通信技术。由于其短距离、低速率及可以实时定位等特点，被广泛应用于医疗、智能家居、智能建筑、工业自动化、智能空间等领域。12 ZigBee2006协议栈简析ZigBee通信协议的基础是IEEE 802154。这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE 802154标准。该标准定义了物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)的标准。ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。TIChipcon公司在IEEE 8021

2、54标准和ZigBee联盟所推出的ZigBee2006规范的基础上，发布了全功能的ZigBee2006协议栈，并通过了ZigBee联盟的认证。该协议栈全部用C语言编写，免费提供给用户，同时向后兼容。该协议栈在结构上分为应用层、网络层、安全层、MAC层和物理层，每一层的函数都严格按照IEEE 802154标准和ZigBee2006规范所规定的原语格式编写。与此同时，在协议栈内部还嵌入了一个操作系统，用于对任务进行统一的调度。对于用户而言，只需要了解应用层函数并进行恰当的调用，就可以构建功能完善、性能稳定的ZigBee无线网络。2 系统方案设计ZigBee无线传感执行网络必须要有一个协调器作为整个

3、网络的传输与控制中心，另外还要有若干路由器和终端节点。它有3种最基本的连接方式：星状连接、网状连接和串状连接，如图1所示。星状连接方式比较简单，只能组建包含较少节点的无线网络，各个终端节点通过协调器实现网络连接。网状连接中任意节点之间都可以传递信息。串状连接中增加了若干路由器，用于对数据进行转发。在ZigBee2006全功能协议栈中，网络连接方式的选择可通过在nwk_globalsc和nwk_globalsh中对 STACK_PROFILE_ID的设置来实现。STACK_PRO-FILE_ID有3种量，分别对应着星状连接、网状连接和树状连接网络。系统在nwk_globalsh中加入如下语句，从

4、而在家庭环境中构建星状结构的ZigBee无线传感执行网络：#define STACK_PROFILE_ID GENERIC_STAR系统的整体结构如图2所示。系统中布置有一个协调器与PC机相连，同时布置有若干终端节点或路由器，使其连接温度、湿度和光敏电阻等传感器来监测房间环境。另外，房间中还布置有一些终端节点与执行器连接，用于控制窗帘的开关、台灯的亮灭等。协调器和终端节点在房间内组成了一个星状结构的ZigBee无线传感执行网络。系统的整体工作过程是：首先由协调器节点成功创建ZigBee网络，然后等待终端节点加入。当终端节点及传感器上电后，会自动查找空间中存在的 ZigBee网络，找到后即加入网

5、络，并把该节点的物理地址发送给协调器。协调器把节点的地址信息等通过串口发送给计算机进行保存。当计算机想要获取某一节点处的传感器值时，只需要向串口发送相应节点的物理地址及测量指令。协调器通过串口从计算机端收到物理地址后，会向与其相对应的传感器节点发送数据，传达传感器测量指令。传感器节点收到数据后，通过传感器测量数据，然后将测量结果发送给协调器，并在计算机端进行显示。3 系统硬件设计系统的协调器、路由器和终端节点的核心采用TI公司的CC2430芯片。该芯片是一款真正的系统芯片(SoC)解决方案，其在单个芯片上集成了 ZigBee射频前端、微控制器和存储器。它使用1个8位的8051内核MCU作为控制

6、器，其性能是工业标准8051核的8倍，且程序代码与51系列单片机完全兼容。CC2430具有64128 KB的可编程Flash和8 KB的RAM，其大容量的Flash完全能够满足ZigBee2006协议栈程序的要求；另外，还具有模数转换器(ADC)、定时器、AES128协处理器和看门狗定时器等片内外设。系统的工作原理是：在协调器端，CC2430通过RS232异步串行通信与PC机进行通信。协调器成功组建网络时，会向PC机发送组网成功指示。当有路由器或终端节点加入网络时，协调器通过RS232向PC机发送节点加入指示。在路由器和终端节点处，上电后CC2430寻找可用信道并加入网络，然后等待指令。路由器

7、或终端节点一旦收到协调器发送来的测量指令，将会读取传感器的数据并传送。本系统中温度和湿度测量使用Sensirion公司的SHT11数字温湿度传感器。该传感器具有相对湿度和温度一体测量、超快的响应时间等优良特性。对台灯和窗帘的控制是通过继电器TQ2-3V来实现的。  4 软件设计41 系统采集温湿度的程序设计系统温湿度的采集使用的SHT11数字式温湿度传感器采用两线制数字接口，编程十分方便。温湿度采集程序流程如图3所示。42 光敏电阻阻值读取光敏电阻阻值的读取用CC2430内部的ADC实现。通过设置CC2430的 ADCCON3寄存器可对AD转换的一些参数进行设置。具体如下：

8、使用14位的分辨率，采样通道设置为AINO，参考电压设置为内部125 V。通过实验可以测定，当P01的电压值等于125 V时，环境光照强度已经足够弱，可以控制空间中的其他执行器做出动作，如开灯、打开窗帘等。43 ZigBee2006协议栈常用函数及工作过程系统软件基于TIChipcon公司免费提供的Zig-Bee2006协议栈，程序中嵌入了实时操作系统，用于对网络组建、节点加入、数据收发等功能运行统一调度。进行程序设计时，首先在协议栈应用层程序中添加相应的任务，然后运行任务即可处理。ZigBee2006协议栈的main函数流程如图4所示。OSAL层初始化时，通过osalAddTasks函数提供

9、任务列表，向实时操作系统中添加用户所需要的任务。在该函数中，TI公司已经添加了一些任务，如硬件应用层初始化及处理函数、网络层初始化及处理函数、应用层初始化及处理函数等。在该函数中添加自己的任务，添加任务函数如下： osalTaskAdd(CSCE_Init，CSCE_ProcessEvent，OSAL_TASK_PRIORI-TYLOW)；osalTaskAdd 函数在OSAL层中的OSAL_TaskC文件中定义，其作用是添加一个任务到任务列表。其中，第1个参数CSCE_Init为用户任务的初始化函数的函数名，第2个参数CSCE_ProcessEvent为用户任务的处理函数的函数名，第3个参数

10、 OSAL_TASK_PRlORITY_LOW为用户任务的优先级。任务初始化函数CSCE_Init和任务处理函数CSCE_ProcessEvent都需要遵循ZigBee2006协议栈的格式。其中，CSCE_Init函数和CSCE_ProcessEvent函数需要在应用层头文件SampleApph中进行声明。CSCE_Init函数有一个参数task_id，该参数为任务ID，具体值由OSAL进行分配。CSCE_ProcessEvent函数有2个参数：第 1个参数与CSCE_Init函数相同，为任务ID；第2个参数events为需要处理的事件，它是一个16位的二进制数，每一位代表一个事件。利用OSA

11、L层进行任务设计时，必须保留系统任务事件SYS_EVENT_MSG(0x8000)，该事件为强制事件。进行任务处理时，首先要对系统任务事件是否发生进行判断，任务处理流程如图5所示。由于ZigBee2006协议栈为全功能协议栈，不需要对IEEE 802154和ZigBee规范进行全面的了解，只需要在应用层进行一些设计和改动，即可实现数据的发送、接收以及网络组建功能。在终端节点的 CSCE_ProcessEvent函数的上电初始化处理部分，加入物理地址和短地址提取函数，然后调用发送函数将物理地址向协调器发送。协议栈中的物理地址获取函数为NLME_GetExtAddr()，其返回结果为一个指向节点的

12、64位IEEE地址的指针。短地址的获取函数为 NLME_GetShortAddr()，其返回结果为一个16位的无符号整型数据。数据发送函数在ZigBee2006规范的原语中已经规定了其参数的顺序及意义。具体到TIChipcon公司所提供的ZigBee2006协议栈中，该函数为AF_DataRequest，其具体形式如下：在协调器端和路由器(或终端节点)的CSCE_Pro-cessEvent函数中接收到数据部分(即CSCE_MessageMS-GCB函数)中对数据进行处理，将所接收到的数据(即物理地址和短地址)通过串口发送到计算机端，进行显示。ZigBee2006协议栈中设计了串口接收处理函数：

13、该函数在MT目录的SPIMgrC中。实验中，在协调器端调用该函数，即可从PC机端接收数据并进行相应的处理。 44 传感器程序与ZigBee2006协议栈的融合系统程序中，传感器端的物理地址及短地址的发送部分程序，添加在ZigBee2006协议栈中的CSCE_ProcessEv-ent函数的上电初始化部分，即ZDO_STATE_CHANGE消息下。协调器及传感器端的数据接收都添加在CSCE_ProcessEvent函数的数据接收部分，即 AF_INCOMING_MSG_CMD消息下。系统整体工作过程如图6所示。 45 PC机端程序在系统中，节点上电加入网络后，协调器会通过RS232向PC机发送新加入节点的IEEE地址。PC机将从串口接收到的物理地址和短地址进行存储，并改变计算机中所存储的房间地图中的节点颜色进行指示。该程序使用Visual