实验10节点的建网与入网分析

1、 ZigBee实验十节点的建网与入网分析10.1 实验简介在前面实验中，我们都是直接的去使用了一个网络，如果不是想对内核进行深入研究，完全可以不用去考虑TI协议栈的工作细节，只要懂得关键使用部分也一样可以对ZIGBEE进行开发。为了对协议栈有更深入的了解认识，本实验对“协调器”的建网以及“路由器”“终端”的入网，做个简单的逻辑性介绍。实验目的10.2 训练目的 10.2.1 通过本实验了解Z-STACK启动的过程中建网与入网的一个流程。10.3实验设备10.3.1 硬件：（1） ZIGBEE 调试底板2个：可调电阻ZigBee_DEBUG指示灯红外发射ZigBee复位ZigBee按键拨码开关节

2、点按键复位传感器接口1J-LINK接口传感器接口3传感器接口2电源开关电源图10-1 ZIGBEE调试底板（2） UART转接板与转接线各1个：UART转接线转接串口输入，连接到ZIGBEE调试底板转接串口输出，连接到电脑串口图10-2 UART转接板与转接线（3） ZIGBEE仿真器1个；10PIN下载接口电源（上）和状态指示灯USB接口图10-3 ZIGBEE仿真器（4） ZIGBEE模块2个；图10-4 ZIGBEE模块（5） 电源2个图10-5 电源（6） 串口延长线1根图10-6 串口延长线（7） 硬件连接图连接电脑串口ZigBee调试底板与串口转接板连接电源连接电脑USBZIGBE

3、E DeBug连接口图10-7 硬件连接10.3.2 软件（1） IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A集成开发环境；（2） TI Z-STACK;（3） 仿真器驱动；（4） 串口调试助手。实验知识10.4 10.4.1 网络形成每个设备都有一组能被配置的参数（如被PC工具或者外部处理器配置），整个配置参数在代码中已经定义了默认值(在f8wconfig.cfg中)。在同一个网络中，所有设备的“网络细节”配置参数(如PANID,Channel等)应该被配置成一样的值。每个设备的“设备细节”配置参数(Coordinator,Router,Enddevice等

4、)可以配置为不同的值。但是，ZCD_NV_LOGICAL_TYPE必须被设置，确保：1、 有正确的一个设备作为协调器被配置；2、 所有电池供电的设备作为终端设备被配置。一旦这些工作都完成，这个设备就可以以任意方式启动。协调器设备将建立网络，其他设备将发现和加入到这个网络中。10.4.2 协调器格式化网络协调器将扫描DEFAULT_CHANLIST(在f8wConfig.cfg里定义)指定的通道，最后在其中之一上形成网络。设备的PANID值与ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值设置有关（ZDAPP_CONFIG_PAN_ID这个参数在配置文件f8wConfig.cfg）。如果协调器的ZDAP

5、P_CONFIG_PAN_ID设置为OxFFFF,则协调器将产生一个随机的PANID，如果协调器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID设置为非0xFFFF值，则协调器根据自身的网络长地址(IEEE地址)或ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值随机产生一个PANID，如果协调器的PANID的设置值为小于等于0x3FFF的有效值，协调器就会以这个特定的PANID值建立网络，但是，如果在默认的信道上已经有了该PANID值的网络存在，则协调器会继续搜寻其他的PANID，直到找到网络不冲突为止。当所有参数配置好后，可以调用下面函数来格式化网络（以下函数不开源）：ZStatus_t NLME_Netw

6、orkFormationRequest( uint16 PanId,uint8* ExtendedPANID, uint32 ScanChannels,byte ScanDuration, byte BeaconOrder,byte SuperframeOrder, byte BatteryLifeExtension );但一般不直接使用上面的函数建立网络，而是使用ZDO_StartDevice()函数来启动一个设备10.4.3 路由器和终端设备加入网络路由器和终端设备启动后，将扫描DEFAULT_CHANLIST指定的频道，如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID没有被定义为0xFFFF,

7、则路由器将强制加入ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定义的网络。发现一个网络将调用下面函数（以下函数不开源）：ZStatus_t NLME_NetworkDiscoveryRequest( uint32 ScanChannels, byte scanDuration);该函数要求网络层去发现邻居路由器节点，并且应该在进行网络扫描之前调用，扫描的结果由ZStatus_t ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB()函数返回，其中：ScanChannels-准备扫描的信道号(信道号的范围1126，即仅对2.4GHz频段有效)。scanDuration-规定了在新的网络开始建立

8、之前，其他网络可以扫描每个信道的时间长度。发现网络存在后，就调用下面的函数加入网络。ZStatus_t NLME_OrphanJoinRequest( uint32 ScanChannels, byte ScanDuration )。该函数要求网络层以孤节点的形式加入网络。函数调用的结果由ZDO_JoinConfirmCB()函数返回。注意：如果协调器和路由器或终端设备都没定义ZDAPP_CONFIG_PAN_ID为0xFFFF,则两者之间不一样的定义可能会出现一些意外的结果；如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定义为一个正确的值（小于或等于0x3FFFF），那么协调器就只在指定的PA

9、N ID上试图建立网络。实验步骤10.510.5.1 在开始本实验的仿真前，参看配套源资料中“关于节点板串口使用的统一说明”,先按照本说明去配置好串口，波特率38400，以便往下实验能正常使用串口。图10-8 节点板串口使用的统一说明10.5.2 启动IAR Embedded Workbench，打开对应配套实验源码中“协调器”的SampleApp.eww工程：图10-9 工程文件图10-10 打开工程界面10.5.3 编译链接程序代码Make，这一步可以省略，因为进行DeBug前，IAR软件会先编译再下载代码到目标板上去仿真，但对于编译检查错误，这一步也很有必要。如果正确编译后文件右侧的红星

10、会消失。在Make之前，最好Clean一下，如下图所示：图10-11 编译链接代码文件红色星星编译后变没有了编译后生成图10-12 编译前后对比如果正确建立工程并正确配置了工程，则此时编译是无错误的，编译无错误如图 图10-13 编译链接无错误图10-14 编译连接有错误10.5.4 按照前面“实验设备”小节中的“硬件连接图”连接好硬件并打开电源，点击DEBUG按钮或者”Project->Debug”或者快捷键“Ctrl + D”进行程序下载并Debug。如有出错，请检查硬件连接或拔掉仿真器USB再重接图10-15 Debug 调试图10-16 程序正在下载到目标板10.5.5 正确进入

11、DeBug界面，如下图：图10-17 仿真调试界面10.5.6 通过以上步骤已将协调器程序下载到节点，此时的节点叫“协调器”。10.5.7 在配套资料“提高实验”文件夹下找到“超级单片机工具软件.exe”，如果是WIN7系统，右键“以管理员身份运行”，选择电脑对应的端口，设置和程序对应的波特率“38400”，数据位“8”，停止位“1”，校验位“NONE”，然后点击“打开串口”图10-18 超级单片机工具软件图10-19 超级单片机工具软件界面10.5.8 按下“全速运行”按钮进行试验验证，串口打印出协调器启动过程中的第几步。具体参看“实验验证”。步出函数步入函数单步运行复位全速运行按钮图10-

12、20 调试功能按钮10.5.9 此时一个“协调器”的启动过程已经验证完。将仿真器从“协调器”中拆下，让“协调器”成为一个单独个体，重启运行，让协调器处于一直运行状态。再将另一个节点按照“硬件连接图”连接好，再按“实验步骤”将“路由器”的程序下载到节点中，然后全速运行验证串口打印出来的结果。10.5.10 实验完毕。实验验证10.6 10.6.1 查看串口调试助手打印出来的设备启动步骤：图10-21 协调器启动过程图10-22 路由器启动过程实验部分参考程序解析（完整程序见源程序文件）10.7代码解释：10.7.1 协调器建网过程:STEP 1: zigbee设备应用层初始化ZDApp_Init

13、 ()【ZDApp.c】：在任务初始化osalInitTasks()中，调用了ZIGBEE设备应用层初始化函数：void osalInitTasks( void ) uint8 taskID = 0; tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt); osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt); macTaskInit( taskID+ ); / MAC初始化，MAC任务ID为0，此函数不开源无法查看源码。 nwk_init( ta

14、skID+ ); / nwk初始化，nwk任务ID为1，此函数不开源无法查看源码。 Hal_Init( taskID+ ); / Hal初始化，hal(硬件抽象层)任务ID为2，仅赋值ID号。#if defined( MT_TASK ) MT_TaskInit( taskID+ ); / MT(monitortest监视器)初始化，如果有使用，则此任务ID为3，如果要使用UART串口，必须要初始化此任务.本程序没使用。#endif APS_Init( taskID+ );/ APS(应用支持子层)初始化，APS任务ID为3，此函数不开源无法查看源码。#if defined ( ZIGBEE_F

15、RAGMENTATION ) APSF_Init( taskID+ ); / 应用支持子层消息分割层,此处没编译使用#endif ZDApp_Init( taskID+ ); / zigbee设备应用层初始化，ZDApp任务ID为4,开始器件的启动.#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) | defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLICT ) ZDNwkMgr_Init( taskID+ );/ 网络管理层初始化，任务ID为5.#endif SampleApp_Init( taskID ); / 用户任务初始化，任务ID为6.Main()

16、4;osal_init_system()àosalInitTasks()àZDApp_Init():在ZDApp_Init()当中，获取了设备的IEEE地址和对按键启动的检测等，其中重要的是ZDOInitDevice()函数，可以说此函数是网络建立的入口。因为IAR预编译了HOLD_AUTO_START，所以devState初始化赋值为DEV_HOLD（在ZDApp.C中）：#if defined( HOLD_AUTO_START ) devStates_t devState = DEV_HOLD;#else devStates_t devState = DEV_INIT;

17、#endif所以语句 if ( devState != DEV_HOLD )不成立，故ZDOInitDevice()函数留用户调用去启动。STEP 2:用户任务初始化SampleApp_Init()【SampleApp.c】：用户任务初始化函数SampleApp_Init()中重要的地方就是调用了ZDOInitDevice()函数，而在调用ZDOInitDevice()前，要对设备类型进行定义，可以在用户任务初始化调用ZDOInitDevice()前或是在ZDOInitDevice()函数的开始地方定义，此设备为“协调器”，所以定义为zgDeviceLogicalType = ZG_DEVIC

18、ETYPE_COORDINATOR。STEP 3:ZIGBEE设备初始化ZDOInitDevice()【ZDApp.c】：ZDOInitDevice()函数，先对网络的各种动作以及参数做个配置，配置完成后调用ZDApp_NetworkInit()对网络进行初始化。STEP 4：网络初始化ZDApp_NetworkInit()【ZDApp.c】：在ZDApp_NetworkInit()函数里，实际上并没有做其他的一些初始化，而是将ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定时器列表中去等待系统调度执行。STEP 5：ZIGBEE设备应用事件处理ZDApp_event_loop()【ZDApp.c

19、】：上一步将ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定时器列表中，现在ZDApp_event_loop()事件处理函数执行ZDO_NETWORK_INIT事件，其中调用了ZDO_StartDevice（）函数对特定类型的设备进行启动初始化。STEP 6:设备启动ZDO_StartDevice()【ZDObject.c】：启动设备就是对特定的设备类型进行启动，协调器就是创建网络（而路由器则是搜索网络），具体则是调用NLME_NetworkFormationRequest()去完成，这函数不开源。STEP 7:网络创建NLME_NetworkFormationRequest()【NLMEDE.h

20、】：网络创建函数就会在预设定的信道内检测是否有相同的PAN ID的网络存在，没有的话则开始创建一个新的网络，创建了网络后，由回调函数ZDO_NetworkFormationConfirmCB()去返回一个结果。因为这部分的程序不开源，所以只能看回调函数的结果。STEP 8:创建网络结果状态返回ZDO_NetworkFormationConfirmCB()【ZDApp.c】：回调函数ZDO_NetworkFormationConfirmCB()就是调用网络格式化函数后，返回网络创建的结果，如果返回状态是成功的，则设置设备状态devState为DEV_COORD_STARTING，然后设置事件os

21、al_set_event( ZDAppTaskID, ZDO_NETWORK_START )STEP 9:网络开始事件ZDApp_event_loop()àZDO_NETWORK_START【ZDApp.c】上一步触发了ZDO_NETWORK_START网络开始事件，这事件主要就是调用了ZDApp_NetworkStartEvt(),这个函数就是处理网络启动的一个函数。STEP 10:网络启动处理ZDApp_NetworkStartEvt()【ZDApp.c】:判断网络状态nwkStatus，这里分成两种状态：nwkStatus为ZSuccess时，也就是说网络创建成功了，将设备状态

22、devState设置为对应的DEV_ZB_COORD，然后设置事件ZDO_STATE_CHANGE_EVT，也即网络状态发送改变的事件，转到SETP 11.nwkStatus为非ZSuccess时，也就是网络创建不成功，然后增大功率再次回到 STEP 5去进行对网络格式化。如果发射功率已经是最大了，那么设置devState为DEV_INIT状态(此状态可以说是创建网络失败)，再设置事件ZDO_STATE_CHANGE_EVT跳到STEP 11处理。STEP 11：状态改变事件ZDApp_event_loop()àZDO_STATE_CHANGE_EVT【ZDApp.c】这一步仅仅调用

23、一个网络更新函数ZDO_UpdateNwkStatus()，根据之前的一些事件的结果更新网络状态。STEP 12:更新网络状态ZDO_UpdateNwkStatus()【ZDObject.c】：根据之前的步骤的返回结果更新网络状态，然后对在系统里注册的端口(每个端口对应于一个任务)发送一个状态改变的消息事件ZDO_STATE_CHANGE。STEP 13:消息事件处理SampleApp_ProcessEvent()àSYS_EVENT_MSGà ZDO_STATE_CHANGE【SampleApp.c】这个是用户的消息事件处理，当协调器创建一个网络，最终不管是成功还是失败，

24、都会产生一个消息事件去通知每一个任务，各个任务就根据状态结果去做相应的动作。至此，一个协调器的启动过程已经完成。10.7.2 路由器(终端设备)入网过程STEP 1: zigbee设备应用层初始化ZDApp_Init ()【ZDApp.c】：在任务初始化osalInitTasks()中，调用了ZIGBEE设备应用层初始化函数：void osalInitTasks( void ) uint8 taskID = 0; tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt); osal_memset( tasksEve

25、nts, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt); macTaskInit( taskID+ ); / MAC初始化，MAC任务ID为0，此函数不开源无法查看源码。 nwk_init( taskID+ ); / nwk初始化，nwk任务ID为1，此函数不开源无法查看源码。 Hal_Init( taskID+ ); / Hal初始化，hal(硬件抽象层)任务ID为2，仅赋值ID号。#if defined( MT_TASK ) MT_TaskInit( taskID+ ); / MT(monitortest监视器)初始化，如果有使用，则此任务ID为3，如果要使用UART串

26、口，必须要初始化此任务.本程序没使用。#endif APS_Init( taskID+ );/ APS(应用支持子层)初始化，APS任务ID为3，此函数不开源无法查看源码。#if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION ) APSF_Init( taskID+ ); / 应用支持子层消息分割层,此处没编译使用#endif ZDApp_Init( taskID+ ); / zigbee设备应用层初始化，ZDApp任务ID为4,开始器件的启动.#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) | defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLI

27、CT ) ZDNwkMgr_Init( taskID+ );/ 网络管理层初始化，任务ID为5.#endif SampleApp_Init( taskID ); / 用户任务初始化，任务ID为6.Main()àosal_init_system()àosalInitTasks()àZDApp_Init():在ZDApp_Init()当中，获取了设备的IEEE地址和对按键启动的检测等，其中重要的是ZDOInitDevice()函数，可以说此函数是网络建立的入口。因为IAR预编译了HOLD_AUTO_START，所以devState初始化赋值为DEV_HOLD（在ZDA

28、pp.C中）:#if defined( HOLD_AUTO_START ) devStates_t devState = DEV_HOLD;#else devStates_t devState = DEV_INIT;#endif所以语句 if ( devState != DEV_HOLD )不成立，故ZDOInitDevice()函数留用户调用去启动。STEP 2:用户任务初始化SampleApp_Init()【SampleApp.c】：Main()àosal_init_system()àosalInitTasks()àSampleApp_Init():用户任务初

29、始化函数SampleApp_Init()中重要的地方就是调用了ZDOInitDevice()函数，而在调用ZDOInitDevice()前，要对设备类型进行定义，可以在用户任务初始化调用ZDOInitDevice()前或是在ZDOInitDevice()函数的开始地方定义，此设备为“路由器”，所以定义为zgDeviceLogicalType = ZG_DEVICETYPE_ROUTER。STEP 3:ZIGBEE设备初始化ZDOInitDevice()【ZDApp.c】：ZDOInitDevice()函数，先对网络的各种动作以及参数做个配置，配置完成后调用ZDApp_NetworkInit()

30、对网络进行初始化。STEP 4：网络初始化ZDApp_NetworkInit()【ZDApp.c】：在ZDApp_NetworkInit()函数里，实际上并没有做其他的一些初始化，而是将ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定时器列表中去等待系统调度执行。STEP 5：ZIGBEE设备应用事件处理ZDApp_event_loop()【ZDApp.c】：上一步将ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定时器列表中，现在ZDApp_event_loop()事件处理函数执行ZDO_NETWORK_INIT事件，其中调用了ZDO_StartDevice（）函数对特定类型的设备进行启动初始化。ST

31、EP 6:设备启动ZDO_StartDevice()【ZDObject.c】：启动设备就是对特定的设备类型进行启动，路由器则是搜索发现网络，具体则是调用NLME_NetworkDiscoveryRequest()去完成，这函数不开源。STEP 7:网络创建NLME_NetworkDiscoveryRequest ()【NLMEDE.h】：网络搜索发现函数就会在预设定的信道内检测是否有相同的PAN ID的网络存在，当找到了相同的PAN ID的网络则加入网络，由回调函数ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB ()去返回一个结果。因为这部分的程序不开源，所以只能看回调函数的结果。

32、STEP 8:搜索网络结果状态返回ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB()【ZDApp.c】：回调函数ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB()就是调用网络搜索函数后，返回网络搜索的结果，将搜索到的结果进行逐个比较，然后通过消息将反馈信息比较后发送到ZDA层。ZDApp_SendMsg(ZDAppTaskID,ZDO_NWK_DISC_CNF, sizeof(ZDO_NetworkDiscoveryCfm_t), (uint8 *)&msg );STEP 9:网络请求加入事件ZDApp_event_loop()àSYS_EVENT_MSG【ZDApp.c】上一步发送了消息给ZDAppTaskID，而在ZDApp_event_loop里对消息进行处理又是调用了ZDApp_ProcessOSALMsg()函数，在消息处