ZigBee2006協(xié)議棧的無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

1、.：.；1 ZigBee技術(shù)及 HYPERLINK chinaaet/search/?q=ZigBee2006 ZigBee2006 HYPERLINK chinaaet/search/?q=協(xié)議棧 協(xié)議棧簡介11 ZigBee技術(shù)概述ZigBee技術(shù)是一種短間隔 、低速率的無線通訊技術(shù)。由于其短間隔 、低速率及可以實(shí)時(shí)定位等特點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于醫(yī)療、智能家居、智能建筑、工業(yè)自動(dòng)化、智能空間等領(lǐng)域。12 ZigBee2006協(xié)議棧簡析ZigBee通訊協(xié)議的根底是IEEE 802154。這是IEEE無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)任務(wù)組的一項(xiàng)規(guī)范，被稱作IEEE 802154規(guī)范。該規(guī)范定義了物理層(PHY)和媒體

2、訪問控制層(MAC)的規(guī)范。ZigBee聯(lián)盟那么定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、運(yùn)用層(APL)和平安效力規(guī)范。TIChipcon公司在IEEE 802154規(guī)范和ZigBee聯(lián)盟所推出的ZigBee2006規(guī)范的根底上，發(fā)布了全功能的ZigBee2006協(xié)議棧，并經(jīng)過了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)證。該協(xié)議棧全部用C言語編寫，免費(fèi)提供應(yīng)用戶，同時(shí)向后兼容。該協(xié)議棧在構(gòu)造上分為運(yùn)用層、網(wǎng)絡(luò)層、平安層、MAC層和物理層，每一層的函數(shù)都嚴(yán)厲按照IEEE 802154規(guī)范和ZigBee2006規(guī)范所規(guī)定的原語格式編寫。與此同時(shí)，在協(xié)議棧內(nèi)部還嵌入了一個(gè)操作系統(tǒng)，用于對義務(wù)進(jìn)展一致的調(diào)度。對于用戶而

3、言，只需求了解運(yùn)用層函數(shù)并進(jìn)展恰當(dāng)?shù)恼{(diào)用，就可以構(gòu)建功能完善、性能穩(wěn)定的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)ZigBee HYPERLINK chinaaet/search/?q=無線傳感 無線傳感 HYPERLINK chinaaet/search/?q=執(zhí)行網(wǎng)絡(luò) 執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)必需求有一個(gè)協(xié)調(diào)器作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸與控制中心，另外還要有假設(shè)干路由器和終端節(jié)點(diǎn)。它有3種最根本的銜接方式：星狀銜接、網(wǎng)狀銜接和串狀銜接，如圖1所示。星狀銜接方式比較簡單，只能組建包含較少節(jié)點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)過協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)銜接。網(wǎng)狀銜接中恣意節(jié)點(diǎn)之間都可以傳送信息。串狀銜接中添加了假設(shè)干路由器，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)展

4、轉(zhuǎn)發(fā)。在ZigBee2006全功能協(xié)議棧中，網(wǎng)絡(luò)銜接方式的選擇可經(jīng)過在nwk_globalsc和nwk_globalsh中對 STACK_PROFILE_ID的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。STACK_PRO-FILE_ID有3種量，分別對應(yīng)著星狀銜接、網(wǎng)狀銜接和樹狀銜接網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)在nwk_globalsh中參與如下語句，從而在家庭環(huán)境中構(gòu)建星狀構(gòu)造的ZigBee無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)：#define STACK_PROFILE_ID GENERIC_STAR系統(tǒng)的整體構(gòu)造如圖2所示。系統(tǒng)中布置有一個(gè)協(xié)調(diào)器與PC機(jī)相連，同時(shí)布置有假設(shè)干終端節(jié)點(diǎn)或路由器，使其銜接溫度、濕度和光敏電阻等傳感器來監(jiān)測房間環(huán)境。另外，房間中

5、還布置有一些終端節(jié)點(diǎn)與執(zhí)行器銜接，用于控制窗簾的開關(guān)、臺燈的亮滅等。協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)在房間內(nèi)組成了一個(gè)星狀構(gòu)造的ZigBee無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)的整體任務(wù)過程是：首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)勝利創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后等待終端節(jié)點(diǎn)參與。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)及傳感器上電后，會(huì)自動(dòng)查找空間中存在的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，找到后即參與網(wǎng)絡(luò)，并把該節(jié)點(diǎn)的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把節(jié)點(diǎn)的地址信息等經(jīng)過串口發(fā)送給計(jì)算機(jī)進(jìn)展保管。當(dāng)計(jì)算機(jī)想要獲取某一節(jié)點(diǎn)處的傳感器值時(shí)，只需求向串口發(fā)送相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的物理地址及丈量指令。協(xié)調(diào)器經(jīng)過串口從計(jì)算機(jī)端收到物理地址后，會(huì)向與其相對應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，傳達(dá)傳感器丈量指令。傳感器節(jié)點(diǎn)收到數(shù)

6、據(jù)后，經(jīng)過傳感器丈量數(shù)據(jù)，然后將丈量結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并在計(jì)算機(jī)端進(jìn)展顯示。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)的中心采用TI公司的CC2430芯片。該芯片是一款真正的系統(tǒng)芯片(SoC)處理方案，其在單個(gè)芯片上集成了 ZigBee射頻前端、微控制器和存儲器。它運(yùn)用1個(gè)8位的8051內(nèi)核MCU作為控制器，其性能是工業(yè)規(guī)范8051核的8倍，且程序代碼與51系列單片機(jī)完全兼容。CC2430具有64128 KB的可編程Flash和8 KB的RAM，其大容量的Flash完全可以滿足ZigBee2006協(xié)議棧程序的要求；另外，還具有模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器、AES128協(xié)處置器和看門狗定時(shí)器

7、等片內(nèi)外設(shè)。系統(tǒng)的任務(wù)原理是：在協(xié)調(diào)器端，CC2430經(jīng)過RS232異步串行通訊與PC機(jī)進(jìn)展通訊。協(xié)調(diào)器勝利組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)，會(huì)向PC機(jī)發(fā)送組網(wǎng)勝利指示。當(dāng)有路由器或終端節(jié)點(diǎn)參與網(wǎng)絡(luò)時(shí)，協(xié)調(diào)器經(jīng)過RS232向PC機(jī)發(fā)送節(jié)點(diǎn)參與指示。在路由器和終端節(jié)點(diǎn)處，上電后CC2430尋覓可用信道并參與網(wǎng)絡(luò)，然后等待指令。路由器或終端節(jié)點(diǎn)一旦收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來的丈量指令，將會(huì)讀取傳感器的數(shù)據(jù)并傳送。本系統(tǒng)中溫度和濕度丈量運(yùn)用Sensirion公司的SHT11數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器具有相對濕度和溫度一體丈量、超快的呼應(yīng)時(shí)間等優(yōu)良特性。對臺燈和窗簾的控制是經(jīng)過繼電器TQ2-3V來實(shí)現(xiàn)的。4 軟件設(shè)計(jì)41 系統(tǒng)采集溫

8、濕度的程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)溫濕度的采集運(yùn)用的SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采用兩線制數(shù)字接口，編程非常方便。溫濕度采集程序流程如圖3所示。42 光敏電阻阻值讀取光敏電阻阻值的讀取用CC2430內(nèi)部的ADC實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過設(shè)置CC2430的 ADCCON3存放器可對AD轉(zhuǎn)換的一些參數(shù)進(jìn)展設(shè)置。詳細(xì)如下：運(yùn)用14位的分辨率，采樣通道設(shè)置為AINO，參考電壓設(shè)置為內(nèi)部125 V。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)可以測定，當(dāng)P01的電壓值等于125 V時(shí)，環(huán)境光照強(qiáng)度曾經(jīng)足夠弱，可以控制空間中的其他執(zhí)行器做出動(dòng)作，如開燈、翻開窗簾等。43 ZigBee2006協(xié)議棧常用函數(shù)及任務(wù)過程系統(tǒng)軟件基于TIChipcon公司免費(fèi)提供的Zig-Bee

9、2006協(xié)議棧，程序中嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于對網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點(diǎn)參與、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能運(yùn)轉(zhuǎn)一致調(diào)度。進(jìn)展程序設(shè)計(jì)時(shí)，首先在協(xié)議棧運(yùn)用層程序中添加相應(yīng)的義務(wù)，然后運(yùn)轉(zhuǎn)義務(wù)即可處置。ZigBee2006協(xié)議棧的main函數(shù)流程如圖4所示。OSAL層初始化時(shí)，經(jīng)過osalAddTasks函數(shù)提供義務(wù)列表，向?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)中添加用戶所需求的義務(wù)。在該函數(shù)中，TI公司曾經(jīng)添加了一些義務(wù)，如硬件運(yùn)用層初始化及處置函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層初始化及處置函數(shù)、運(yùn)用層初始化及處置函數(shù)等。在該函數(shù)中添加本人的義務(wù)，添加義務(wù)函數(shù)如下： osalTaskAdd(CSCE_Init，CSCE_ProcessEvent，OSAL_TASK_

10、PRIORI-TYLOW)；osalTaskAdd 函數(shù)在OSAL層中的OSAL_TaskC文件中定義，其作用是添加一個(gè)義務(wù)到義務(wù)列表。其中，第1個(gè)參數(shù)CSCE_Init為用戶義務(wù)的初始化函數(shù)的函數(shù)名，第2個(gè)參數(shù)CSCE_ProcessEvent為用戶義務(wù)的處置函數(shù)的函數(shù)名，第3個(gè)參數(shù) OSAL_TASK_PRlORITY_LOW為用戶義務(wù)的優(yōu)先級。義務(wù)初始化函數(shù)CSCE_Init和義務(wù)處置函數(shù)CSCE_ProcessEvent都需求遵照ZigBee2006協(xié)議棧的格式。其中，CSCE_Init函數(shù)和CSCE_ProcessEvent函數(shù)需求在運(yùn)用層頭文件SampleApph中進(jìn)展聲明。CSC

11、E_Init函數(shù)有一個(gè)參數(shù)task_id，該參數(shù)為義務(wù)ID，詳細(xì)值由OSAL進(jìn)展分配。CSCE_ProcessEvent函數(shù)有2個(gè)參數(shù)：第 1個(gè)參數(shù)與CSCE_Init函數(shù)一樣，為義務(wù)ID；第2個(gè)參數(shù)events為需求處置的事件，它是一個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)，每一位代表一個(gè)事件。利用OSAL層進(jìn)展義務(wù)設(shè)計(jì)時(shí)，必需保管系統(tǒng)義務(wù)事件SYS_EVENT_MSG(0 x8000)，該事件為強(qiáng)迫事件。進(jìn)展義務(wù)處置時(shí)，首先要對系統(tǒng)義務(wù)事件能否發(fā)生進(jìn)展判別，義務(wù)處置流程如圖5所示。由于ZigBee2006協(xié)議棧為全功能協(xié)議棧，不需求對IEEE 802154和ZigBee規(guī)范進(jìn)展全面的了解，只需求在運(yùn)用層進(jìn)展一些

12、設(shè)計(jì)和改動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接納以及網(wǎng)絡(luò)組建功能。在終端節(jié)點(diǎn)的 CSCE_ProcessEvent函數(shù)的上電初始化處置部分，參與物理地址和短地址提取函數(shù)，然后調(diào)用發(fā)送函數(shù)將物理地址向協(xié)調(diào)器發(fā)送。協(xié)議棧中的物理地址獲取函數(shù)為NLME_GetExtAddr()，其前往結(jié)果為一個(gè)指向節(jié)點(diǎn)的64位IEEE地址的指針。短地址的獲取函數(shù)為 NLME_GetShortAddr()，其前往結(jié)果為一個(gè)16位的無符號整型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)在ZigBee2006規(guī)范的原語中曾經(jīng)規(guī)定了其參數(shù)的順序及意義。詳細(xì)到TIChipcon公司所提供的ZigBee2006協(xié)議棧中，該函數(shù)為AF_DataRequest，其詳細(xì)

13、方式如下：在協(xié)調(diào)器端和路由器(或終端節(jié)點(diǎn))的CSCE_Pro-cessEvent函數(shù)中接納到數(shù)據(jù)部分(即CSCE_MessageMS-GCB函數(shù))中對數(shù)據(jù)進(jìn)展處置，將所接納到的數(shù)據(jù)(即物理地址和短地址)經(jīng)過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)端，進(jìn)展顯示。ZigBee2006協(xié)議棧中設(shè)計(jì)了串口接納處置函數(shù)：該函數(shù)在MT目錄的SPIMgrC中。實(shí)驗(yàn)中，在協(xié)調(diào)器端調(diào)用該函數(shù)，即可從PC機(jī)端接納數(shù)據(jù)并進(jìn)展相應(yīng)的處置。44 傳感器程序與ZigBee2006協(xié)議棧的交融系統(tǒng)程序中，傳感器端的物理地址及短地址的發(fā)送部分程序，添加在ZigBee2006協(xié)議棧中的CSCE_ProcessEv-ent函數(shù)的上電初始化部分，即ZDO_STATE_CHANGE音訊下。協(xié)調(diào)器及傳感器端的數(shù)據(jù)接納都添加在CSCE_ProcessEvent函數(shù)的數(shù)據(jù)接納部分，即 AF_INCOMING_MSG_CMD音訊下。系統(tǒng)整體任務(wù)過程如圖6所示。45 PC機(jī)端程序在系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)上電參與網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會(huì)經(jīng)過RS232向PC機(jī)發(fā)送新參與節(jié)點(diǎn)的IEEE地址。PC機(jī)將從串口接納到的物理地址和短地址進(jìn)展存儲，并改動(dòng)計(jì)算機(jī)中所存儲的房間地圖中的節(jié)點(diǎn)顏色進(jìn)展指示。該程序運(yùn)用