采用精简协议栈的ZigBee网络节点分析
采用精简协议栈的zigbee网络节点分析
zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。zigbee在整个协议栈中处于网络层的位置，其下是由ieee 802.15.4规范实现phy（物理层）和mac（媒体访问控制层），对上zigbee提供了应用层接口。
zigbee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（wsn）的组网以及其他无线应用。zigbee工作于2.4 ghz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作6~24个月。除此之外，它还具有很高的可靠性和安全性。这些优点使基于zigbee的wsn广泛应用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。
zigbee协议由zigbee联盟制定，是zigbee的核心。目前国外带有zigbee协议栈的全功能开发系统的价格非常高昂，而且zigbee/802.15.4协议栈全部只提供二进制/不可修改的目标代码库供用户使用。本文研究的zigbee精简版协议栈代码开放，在某些应用中可以达到标准版协议栈的效果，但是费用却低很多，因此具有较高的研究价值和应用价值。
1 zigbee精简协议栈简介
美国密西西比州立大学的robert reese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版（subset）zigbee协议栈。标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表1所列，可以看出，精简协议栈实现了zigbee的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充，实现了一些其原本不具备的功能。
这里再补充一些术语概念，这有助于理解协议栈的代码结构。
ieee address节点的8位802.15.4网络地址，也称为长地址。
network address节点的2位网络地址，也称短地址。
pan个人局域网。
pan id个人局域网标识符。
hal协议栈物理抽象层。
phy协议栈物理层。
mac协议栈媒体访问控制层。
nwk协议栈网络层。
aps协议栈应用支持层。
apl协议栈应用层。
精简协议栈的代码结构如表2所列。
表1
表2
2 zigbee协议编程
对于实际应用来说，最重要的是协议栈的apl函数。协议栈的每一层都有自己的有限状态机(fsm)以追踪要进行的操作。顶层的状态机函数为apsfsm()，这个函数需要最早被调用以使协议栈运行，这与标准栈中的apltask()函数等价。所有的应用层函数都以apl或者aps开头，这些函数被分为两类： 一类是对栈内数据的存取函数，一类是数据传输过程触发一系列事件的服务函数(调用)。这里需要说明的是服务调用不能重叠，这可以通过调用apsbusy()函数进行判断。
2.1 节点程序设计
如果节点作为协调器(coordinator)，那么需要定义lrwpan_coordinator；而如果节点作为路由器(router)则需要定义lrwpan_router；如果两者都没有定义，将作为rfd节点。
协调器节点形成网络，然后进入一个无限循环并调用apsfsm()运行协议栈。调用aplformnetwork()服务后调用函数aplgetstatus()，如果返回了lrwpan_success则表示服务调用成功。代码如下：
main() {
halinit();//初始化hal 层
evbinit();//初始化评估板
aplinit();//初始化协议栈
enable_global_interrupt();//开中断
aplformnetwork();//形成网络
while(apsbusy)()) {apsfsm();}//等待完成
while(1) {apsfsm();}//运行协议栈栈
}
路由器节点通过调用apljoinnetwork()运行协议栈。代码如下：
main() {
halinit();//初始化hal 层
evbinit();//初始化评估板
aplinit();//初始化协议栈
enable_global_interrupt();//开中断尝试接入网络直至成功
do { apljoinnetwork(); //接入网络
while(apsbusy)()) {apsfsm();}//等待完成
}while(aplgetstatus() !=lrwpan_success);
while(1) {apsfsm();}//运行协议栈
}
2.2 发送消息
应用程序通过调用aplsendmsg()函数发送消息包。此函数的定义如下：
aplsendmsg(
byte dstmode,//目标地址的地址模式
laddr_union * dstaddr, //目的地址的指针
byte dstep,//目标端点(直接消息方式不用)
byte cluster,//簇号(仅用于直接消息)
byte screp,//消息源端点
byte* pload,//用户数据缓冲区指针
byte plen,//缓冲区字节数
byte tsn,//消息的事务队列数
byte reqack//如果非0则要求确认
)
消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇，没有指定目标地址)。端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。消息发送以，协议栈会向父节点路由此消息。如果收到aps的ack确认，协议栈就会将消息发送给目标端点。
2.3 接收消息
协议栈使用以下apl访问函数接收数据包。
aplgetrxdstep()返回目的端点
aplgetrxcluster()返回簇号
aplgetrxsrcep()返回源端点
aplgetrxsaddr()返回源端点的短地址
aplgetrxmsglen()返回消息长度
aplgetrxmsgdata()返回消息数据的指针
aplgetrxrssi()返回收到消息的信号强度
而后用户回调函数usrrxpacketcallback()将被调用。这个函数将使用用户数据结构保存数据，设置已收到数据的标志位。此函数结束后消息数据的指针将会被释放，所以在函数结束之前要将数据保存以防止下一个包将数据覆盖掉。
2.4 编写用户应用程序
编写用户应用程序时，要确定端点的连接方式。一种简单的方式是rfd节点周期性地向
协调器节点返回数据。这样做比较简单，因为协调器的地址总是0。
rfd节点间使用直接方式通信比较困难。因为rfd节点的短地址是由其接入网络的顺序和深度决定的，事先并不知道。当然可以在协调器节点上增加程序告知rfd节点它们的地址，但这使复杂程度增加了。比较好的方式是使用非直接消息方式进行rfd节点间通信。rfd节点都将消息发送给协调器节点，协调器节点根据绑定表向正确的节点发送数据。
图1 有限状态机状态转移图
整个程序的运转是靠一个有限状态机维持的。图1给出了这个状态机的状态转移图。
2.5 函数总结
鉴于apl层函数接口对程序设计的重要性，将这些函数做一个总结。
表3 apl服务调用
表4 apl/aps访问和功能函数
表3是apl服务，这些函数需要调用apsbusy()确定其是否完成，并且使用aplgetstatus()函数返回状态。表4是apl/aps访问及功能函数。
结语
无线传感器网络具有广阔的应用前景，由zigbee协议可以方便有效地组建无线传感器网络。在整个应用中，主要硬件设备可由一个51单片机加上2.4 ghz的收发模块组成，采用cc2430是为了更加方便使用，而zigbee的真正核心是安装在单片机中的协议栈代码。精简版协议栈不论从开发难度到使用成本都具有一定的优势。本文对精简版协议栈尤其是应用层接口、代码实现进行了详细的分析，并以此为基础给出了节点的软、硬件设计。了解协议栈的使用，就可以在其上开发适合我们需要的各种应用。
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zigbee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。zigbee在整个协议栈中处于网络层的位置，其下是由ieee 802.15.4规范实现phy（物理层）和mac（媒体访问控制层），对上zigbee提供了应用层接口。
zigbee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（wsn）的组网以及其他无线应用。zigbee工作于2.4 ghz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作6~24个月。除此之外，它还具有很高的可靠性和安全性。这些优点使基于zigbee的wsn广泛应用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。
zigbee协议由zigbee联盟制定，是zigbee的核心。目前国外带有zigbee协议栈的全功能开发系统的价格非常高昂，而且zigbee/802.15.4协议栈全部只提供二进制/不可修改的目标代码库供用户使用。本文研究的zigbee精简版协议栈代码开放，在某些应用中可以达到标准版协议栈的效果，但是费用却低很多，因此具有较高的研究价值和应用价值。
1 zigbee精简协议栈简介
美国密西西比州立大学的robert reese教授出于教学、科研目的开发出一套精简版（subset）zigbee协议栈。标准协议栈和精简协议栈的功能对比如表1所列，可以看出，精简协议栈实现了zigbee的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充，实现了一些其原本不具备的功能。
这里再补充一些术语概念，这有助于理解协议栈的代码结构。
ieee address节点的8位802.15.4网络地址，也称为长地址。
network address节点的2位网络地址，也称短地址。
pan个人局域网。
pan id个人局域网标识符。
hal协议栈物理抽象层。
phy协议栈物理层。
mac协议栈媒体访问控制层。
nwk协议栈网络层。
aps协议栈应用支持层。
apl协议栈应用层。
精简协议栈的代码结构如表2所列。
表1
表2
2 zigbee协议编程
对于实际应用来说，最重要的是协议栈的apl函数。协议栈的每一层都有自己的有限状态机(fsm)以追踪要进行的操作。顶层的状态机函数为apsfsm()，这个函数需要最早被调用以使协议栈运行，这与标准栈中的apltask()函数等价。所有的应用层函数都以apl或者aps开头，这些函数被分为两类： 一类是对栈内数据的存取函数，一类是数据传输过程触发一系列事件的服务函数(调用)。这里需要说明的是服务调用不能重叠，这可以通过调用apsbusy()函数进行判断。
2.1 节点程序设计
如果节点作为协调器(coordinator)，那么需要定义lrwpan_coordinator；而如果节点作为路由器(router)则需要定义lrwpan_router；如果两者都没有定义，将作为rfd节点。
协调器节点形成网络，然后进入一个无限循环并调用apsfsm()运行协议栈。调用aplformnetwork()服务后调用函数aplgetstatus()，如果返回了lrwpan_success则表示服务调用成功。代码如下：
main() {
halinit();//初始化hal 层
evbinit();//初始化评估板
aplinit();//初始化协议栈
enable_global_interrupt();//开中断
aplformnetwork();//形成网络
while(apsbusy)()) {apsfsm();}//等待完成
while(1) {apsfsm();}//运行协议栈栈
}
路由器节点通过调用apljoinnetwork()运行协议栈。代码如下：
main() {
halinit();//初始化hal 层
evbinit();//初始化评估板
aplinit();//初始化协议栈
enable_global_interrupt();//开中断尝试接入网络直至成功
do { apljoinnetwork(); //接入网络
while(apsbusy)()) {apsfsm();}//等待完成
}while(aplgetstatus() !=lrwpan_success);
while(1) {apsfsm();}//运行协议栈
}
2.2 发送消息
应用程序通过调用aplsendmsg()函数发送消息包。此函数的定义如下：
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byte dstmode,//目标地址的地址模式
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byte dstep,//目标端点(直接消息方式不用)
byte cluster,//簇号(仅用于直接消息)
byte screp,//消息源端点
byte* pload,//用户数据缓冲区指针
byte plen,//缓冲区字节数
byte tsn,//消息的事务队列数
byte reqack//如果非0则要求确认
)
消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。消息分直接消息(指定了目标地址)和非直接消息(仅定义了源节点、源端点和簇，没有指定目标地址)。端点号从1到255由应用程序设置(端点0由栈保留使用)。消息发送以，协议栈会向父节点路由此消息。如果收到aps的ack确认，协议栈就会将消息发送给目标端点。
2.3 接收消息
协议栈使用以下apl访问函数接收数据包。
aplgetrxdstep()返回目的端点
aplgetrxcluster()返回簇号
aplgetrxsrcep()返回源端点
aplgetrxsaddr()返回源端点的短地址
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aplgetrxmsgdata()返回消息数据的指针
aplgetrxrssi()返回收到消息的信号强度
而后用户回调函数usrrxpacketcallback()将被调用。这个函数将使用用户数据结构保存数据，设置已收到数据的标志位。此函数结束后消息数据的指针将会被释放，所以在函数结束之前要将数据保存以防止下一个包将数据覆盖掉。
2.4 编写用户应用程序
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协调器节点返回数据。这样做比较简单，因为协调器的地址总是0。
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图1 有限状态机状态转移图
整个程序的运转是靠一个有限状态机维持的。图1给出了这个状态机的状态转移图。
2.5 函数总结
鉴于apl层函数接口对程序设计的重要性，将这些函数做一个总结。
表3 apl服务调用
表4 apl/aps访问和功能函数
表3是apl服务，这些函数需要调用apsbusy()确定其是否完成，并且使用aplgetstatus()函数返回状态。表4是apl/aps访问及功能函数。
结语
无线传感器网络具有广阔的应用前景，由zigbee协议可以方便有效地组建无线传感器网络。在整个应用中，主要硬件设备可由一个51单片机加上2.4 ghz的收发模块组成，采用cc2430是为了更加方便使用，而zigbee的真正核心是安装在单片机中的协议栈代码。精简版协议栈不论从开发难度到使用成本都具有一定的优势。本文对精简版协议栈尤其是应用层接口、代码实现进行了详细的分析，并以此为基础给出了节点的软、硬件设计。了解协议栈的使用，就可以在其上开发适合我们需要的各种应用。
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