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1 ZigBee技術(shù)及ZigBee2006協(xié)議棧簡介 1．1 ZigBee技術(shù)概述 ZigBee技術(shù)是一種短距離、低速率的無線通信技術(shù)。由于其短距離、低速率及可以實時定位等特點，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、智能家居、智能建筑、工業(yè)自動化、智能空間等領(lǐng)域。 1．2 ZigBee2006協(xié)議棧簡析 ZigBee通信協(xié)議的基礎(chǔ)是IEEE 802．15．4。這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)的標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟則定義了ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)和安全服務(wù)規(guī)范。TI／Chipcon公司在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee聯(lián)盟所推出的ZigBee2006規(guī)范的基礎(chǔ)上，發(fā)布了全功能的ZigBee2006協(xié)議棧，并通過了ZigBee聯(lián)盟的認(rèn)證。該協(xié)議棧全部用C語言編寫，免費提供給用戶，同時向后兼容。該協(xié)議棧在結(jié)構(gòu)上分為應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層、MAC層和物理層，每一層的函數(shù)都嚴(yán)格按照IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee2006規(guī)范所規(guī)定的原語格式編寫。與此同時，在協(xié)議棧內(nèi)部還嵌入了一個操作系統(tǒng)，用于對任務(wù)進行統(tǒng)一的調(diào)度。對于用戶而言，只需要了解應(yīng)用層函數(shù)并進行恰當(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 ZigBee無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)必須要有一個協(xié)調(diào)器作為整個網(wǎng)絡(luò)的傳輸與控制中心，另外還要有若干路由器和終端節(jié)點。它有3種最基本的連接方式：星狀連接、網(wǎng)狀連接和串狀連接，如圖1所示。 
星狀連接方式比較簡單，只能組建包含較少節(jié)點的無線網(wǎng)絡(luò)，各個終端節(jié)點通過協(xié)調(diào)器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)狀連接中任意節(jié)點之間都可以傳遞信息。串狀連接中增加了若干路由器，用于對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)發(fā)。 在ZigBee2006全功能協(xié)議棧中，網(wǎng)絡(luò)連接方式的選擇可通過在nwk_globals．c和nwk_globals．h中對 STACK_PROFILE_ID的設(shè)置來實現(xiàn)。STACK_PRO-FILE_ID有3種量，分別對應(yīng)著星狀連接、網(wǎng)狀連接和樹狀連接網(wǎng)絡(luò)。 系統(tǒng)在nwk_globals．h中加入如下語句，從而在家庭環(huán)境中構(gòu)建星狀結(jié)構(gòu)的ZigBee無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)： #define STACK_PROFILE_ID GENERIC_STAR 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
系統(tǒng)中布置有一個協(xié)調(diào)器與PC機相連，同時布置有若干終端節(jié)點或路由器，使其連接溫度、濕度和光敏電阻等傳感器來監(jiān)測房間環(huán)境。另外，房間中還布置有一些終端節(jié)點與執(zhí)行器連接，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)點在房間內(nèi)組成了一個星狀結(jié)構(gòu)的ZigBee無線傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)。 系統(tǒng)的整體工作過程是：首先由協(xié)調(diào)器節(jié)點成功創(chuàng)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，然后等待終端節(jié)點加入。當(dāng)終端節(jié)點及傳感器上電后，會自動查找空間中存在的 ZigBee網(wǎng)絡(luò)，找到后即加入網(wǎng)絡(luò)，并把該節(jié)點的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把節(jié)點的地址信息等通過串口發(fā)送給計算機進行保存。當(dāng)計算機想要獲取某一節(jié)點處的傳感器值時，只需要向串口發(fā)送相應(yīng)節(jié)點的物理地址及測量指令。協(xié)調(diào)器通過串口從計算機端收到物理地址后，會向與其相對應(yīng)的傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，傳達(dá)傳感器測量指令。傳感器節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，通過傳感器測量數(shù)據(jù)，然后將測量結(jié)果發(fā)送給協(xié)調(diào)器，并在計算機端進行顯示。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的核心采用TI公司的CC2430芯片。該芯片是一款真正的系統(tǒng)芯片(SoC)解決方案，其在單個芯片上集成了 ZigBee射頻前端、微控制器和存儲器。它使用1個8位的8051內(nèi)核MCU作為控制器，其性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051核的8倍，且程序代碼與51系列單片機完全兼容。CC2430具有64／128 KB的可編程Flash和8 KB的RAM，其大容量的Flash完全能夠滿足ZigBee2006協(xié)議棧程序的要求；另外，還具有模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時器、AES128協(xié)處理器和看門狗定時器等片內(nèi)外設(shè)。 系統(tǒng)的工作原理是：在協(xié)調(diào)器端，CC2430通過RS232異步串行通信與PC機進行通信。協(xié)調(diào)器成功組建網(wǎng)絡(luò)時，會向PC機發(fā)送組網(wǎng)成功指示。當(dāng)有路由器或終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器通過RS232向PC機發(fā)送節(jié)點加入指示。在路由器和終端節(jié)點處，上電后CC2430尋找可用信道并加入網(wǎng)絡(luò)，然后等待指令。路由器或終端節(jié)點一旦收到協(xié)調(diào)器發(fā)送來的測量指令，將會讀取傳感器的數(shù)據(jù)并傳送。 本系統(tǒng)中溫度和濕度測量使用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測量、超快的響應(yīng)時間等優(yōu)良特性。對臺燈和窗簾的控制是通過繼電器TQ2-3V來實現(xiàn)的。 4 軟件設(shè)計 4．1 系統(tǒng)采集溫濕度的程序設(shè)計 系統(tǒng)溫濕度的采集使用的SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采用兩線制數(shù)字接口，編程十分方便。溫濕度采集程序流程如圖3所示。
4．2 光敏電阻阻值讀取 光敏電阻阻值的讀取用CC2430內(nèi)部的ADC實現(xiàn)。通過設(shè)置CC2430的 ADCCON3寄存器可對A／D轉(zhuǎn)換的一些參數(shù)進行設(shè)置。具體如下：使用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1．25 V。通過實驗可以測定，當(dāng)P0．1的電壓值等于1．25 V時，環(huán)境光照強度已經(jīng)足夠弱，可以控制空間中的其他執(zhí)行器做出動作，如開燈、打開窗簾等。 4．3 ZigBee2006協(xié)議棧常用函數(shù)及工作過程 系統(tǒng)軟件基于TI／Chipcon公司免費提供的Zig-Bee2006協(xié)議棧，程序中嵌入了實時操作系統(tǒng)，用于對網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點加入、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能運行統(tǒng)一調(diào)度。進行程序設(shè)計時，首先在協(xié)議棧應(yīng)用層程序中添加相應(yīng)的任務(wù)，然后運行任務(wù)即可處理。ZigBee2006協(xié)議棧的main函數(shù)流程如圖4所示。
OSAL層初始化時，通過osalAddTasks函數(shù)提供任務(wù)列表，向?qū)崟r操作系統(tǒng)中添加用戶所需要的任務(wù)。在該函數(shù)中，TI公司已經(jīng)添加了一些任務(wù)，如硬件應(yīng)用層初始化及處理函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)層初始化及處理函數(shù)、應(yīng)用層初始化及處理函數(shù)等。在該函數(shù)中添加自己的任務(wù)，添加任務(wù)函數(shù)如下： osalTaskAdd(CSCE_Init，CSCE_ProcessEvent，OSAL_TASK_PRIORI-TYLOW)； osalTaskAdd 函數(shù)在OSAL層中的OSAL_Task．C文件中定義，其作用是添加一個任務(wù)到任務(wù)列表。其中，第1個參數(shù)CSCE_Init為用戶任務(wù)的初始化函數(shù)的函數(shù)名，第2個參數(shù)CSCE_ProcessEvent為用戶任務(wù)的處理函數(shù)的函數(shù)名，第3個參數(shù) OSAL_TASK_PRlORITY_LOW為用戶任務(wù)的優(yōu)先級。 任務(wù)初始化函數(shù)CSCE_Init和任務(wù)處理函數(shù)CSCE_ProcessEvent都需要遵循ZigBee2006協(xié)議棧的格式。其中，CSCE_Init函數(shù)和CSCE_ProcessEvent函數(shù)需要在應(yīng)用層頭文件SampleApp．h中進行聲明。 CSCE_Init函數(shù)有一個參數(shù)task_id，該參數(shù)為任務(wù)ID，具體值由OSAL進行分配。CSCE_ProcessEvent函數(shù)有2 個參數(shù)：第 1個參數(shù)與CSCE_Init函數(shù)相同，為任務(wù)ID；第2個參數(shù)events為需要處理的事件，它是一個16位的二進制數(shù)，每一位代表一個事件。 利用OSAL層進行任務(wù)設(shè)計時，必須保留系統(tǒng)任務(wù)事件SYS_EVENT_MSG(0x8000)，該事件為強制事件。進行任務(wù)處理時，首先要對系統(tǒng)任務(wù)事件是否發(fā)生進行判斷，任務(wù)處理流程如圖5所示。由于ZigBee2006協(xié)議棧為全功能協(xié)議棧，不需要對IEEE 802．15．4和ZigBee規(guī)范進行全面的了解，只需要在應(yīng)用層進行一些設(shè)計和改動，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及網(wǎng)絡(luò)組建功能。在終端節(jié)點的 CSCE_ProcessEvent函數(shù)的上電初始化處理部分，加入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()，其返回結(jié)果為一個指向節(jié)點的64位IEEE地址的指針。短地址的獲取函數(shù)為 NLME_GetShortAddr()，其返回結(jié)果為一個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)范的原語中已經(jīng)規(guī)定了其參數(shù)的順序及意義。具體到TI／Chipcon公司所提供的ZigBee2006協(xié)議棧中，該函數(shù)為AF_DataRequest，其具體形式如下：
在協(xié)調(diào)器端和路由器(或終端節(jié)點)的CSCE_Pro-cessEvent函數(shù)中接收到數(shù)據(jù)部分(即CSCE_MessageMS-GCB函數(shù))中對數(shù)據(jù)進行處理，將所接收到的數(shù)據(jù)(即物理地址和短地址)通過串口發(fā)送到計算機端，進行顯示。 ZigBee2006協(xié)議棧中設(shè)計了串口接收處理函數(shù)：
該函數(shù)在MT目錄的SPIMgr．C中。實驗中，在協(xié)調(diào)器端調(diào)用該函數(shù)，即可從PC機端接收數(shù)據(jù)并進行相應(yīng)的處理。
4．4 傳感器程序與ZigBee2006協(xié)議棧的融合 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消息下。協(xié)調(diào)器及傳感器端的數(shù)據(jù)接收都添加在CSCE_ProcessEvent函數(shù)的數(shù)據(jù)接收部分，即 AF_INCOMING_MSG_CMD消息下。系統(tǒng)整體工作過程如圖6所示。
4．5 PC機端程序 在系統(tǒng)中，節(jié)點上電加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器會通過RS232向PC機發(fā)送新加入節(jié)點的IEEE地址。PC機將從串口接收到的物理地址和短地址進行存儲，并改變計算機中所存儲的房間地圖中的節(jié)點顏色進行指示。該程序使用Visual C++6．O編寫。 對用戶而言，當(dāng)想要獲取房間內(nèi)傳感器所測量區(qū)域的溫濕度、光照等情況時，只需要點擊PC機所顯示的地圖上相應(yīng)的節(jié)點。程序會調(diào)用已存儲在相應(yīng)位置的傳感器節(jié)點的物理地址，通過串口和ZigBee網(wǎng)絡(luò)向該節(jié)點發(fā)送測量傳感器數(shù)據(jù)的指令，并等待接收傳感器傳回的溫濕度，并在PC機界面進行顯示。 5 結(jié)論 實驗表明，節(jié)點的功耗較低，每個節(jié)點使用電池供電可以工作3～6個月，可見應(yīng)用ZigBee構(gòu)建家庭環(huán)境的傳感執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)是可行的。 參考文獻 1. IEEE 802.15.4-2003 Std:Wireless Medium AccessControl (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for LowRate Wireless Personal Area Network (LR-WPANs) 2009 2. Suggestions for the improvement of the IEEE 802.15.4 standard 2009 3. ZigBee Alliance ZigBee Specification 2006 2009 4. 瞿雷.劉勝德.胡咸斌 ZigBee技術(shù)及應(yīng)用 2007 5. 蔣挺.趙成 紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用 2006 6. 孫利民.李建中.陳渝 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 2005 7. TI Inc A True System-On-Chip solution for 2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee 2009 作者：臺宏達(dá) 田國會 宋保業(yè) (山東大學(xué)) 劉賢鍇 (山東政法學(xué)院) 來源：《單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》 2009（7） |
