zigbee协议无线通信的实现

Zigbee无线网络通信的软件实现

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本无线网络技术。ZigBee 采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：省电、简单、成本又低的规格；在此基础上，ZigBee增加了网络层和应用层。它的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、精准农业，汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。

ZIGBEE的组网方式有三种：星型网，树状网，网状网。星型网络的各节点只能通过协调器相互通信。树状网把各个通信节点串成了一条线路，各节点只能延着这条线路，以传递的方式进行通信。前两种通信方式只能进行一些简单的应用，这里不加讨论。网状网具有强大的功能，网络各节点之间可灵活的进行相互通信，网络可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。充分发挥了无线网络通信的优势。下面以ZIGBEE协议建立网状网络的工作流程来说明其通信的具体实现。

ZIGBEE协议栈较复杂，但ZIBEE联盟为我们的具体应用封装了一些编程接口。如APS层，ZDO层，AF层，OSAL操作系统层。我们的具体应用大部分功能都可以通过这些高层接口来实现，它们封装了网络层及物理层的实现细节。这些复杂的工作对程序开发变得透明和方便。

ZIGBEE2006协议栈为应用开发提供了程序框架，就象使用VC++一样，我们只须关心应用的建立。先让我们认识一下ZIGBEE2006协议栈，打开协议栈，在工程文件的左边Workspace 中可以看到整个协议栈的构架，如图所示：

APP：应用层目录，这是用户创建各种不同工程的区域，在这个目录中包含了应用层的内容和这个项目的主要内容，在协议栈里面一般是以操作系统的任务实现的。

HAL：硬件层目录，包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数。

MAC：MAC层目录，包含了MAC层的参数配置文件及其MAC的LIB库的函数接口文件。

MT：实现通过串口可控各层，于各层进行直接交互。

NWK：网络层目录，含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件，APS层库的函数接口

OSAL：协议栈的操作系统。

Profile：AF层目录，包含AF层处理函数文件。

Security：安全层目录，安全层处理函数，比如加密函数等。

Services：地址处理函数目录，包括着地址模式的定义及地址处理函数。

Tools：工程配置目录，包括空间划分及ZStack相关配置信息。

ZDO： ZDO目录

ZMac： MAC层目录，包括MAC层参数配置及MAC层LIB库函数回调处理函数。

ZMain：主函数目录，包括入口函数及硬件配置文件。

Output：输出文件目录，这个EW8051 IDE自动生成的。

从上面的描述中可以看出，整个协议栈中，对于Zigbee的功能已经全部体现，在此基础上建立一个项目的方法主要是改动应用层。程序首先从入口主函数MAIN迈出了建立网络的第一步。在主函数里初始化了硬件设备，包括时钟，中断，接口，外部设备等等。部分代码如下：

ZSEG int main( void )

{

SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); //初始化时钟

InitLcd(); //液晶屏初始化

osal_int_disable( INTS_ALL ); //中断关闭，为了初始化中断设备

zmain_vdd_check(); // 电压检查

zmain_ram_init(); // 堆栈初始化

InitBoard( OB_COLD ); // I0口初始化

HalDriverInit(); // 硬件设备驱动初始化

osal_nv_init( NULL ); // 初始化内存

zmain_ext_addr(); // 64位扩展地址初始化

zgInit(); // 初始化基本的FLASH数据

ZMacInit(); // 介质介入控制层初始化

#ifndef NONWK

afInit(); //应用AF层初始化

#endif

osal_init_system(); //操作系统曾初始化

osal_int_enable( INTS_ALL ); // 硬件初始化后，打开所有中断

osal_start_system(); //所有的初始化结束，从这个函数进入主循环，它不在

//返回

}

整个协议栈是以一个操作系统贯穿的，我们要加入自己的应用，就要添加一个任务。在协议栈中的OSAL.c文件中，byte osal_init_system( void )函数的功能是初始化操做系统。在函数osal_start_system()中实现了添加任务到操作系统任务表中。在这个函数中通过调用osalAddTasks()函数来定制项目所需要应用的任务，该函数属于应用层和操作系统层之间的接口函数，一般项目的建立需要根据系统的需要自己编写改函数，并将函数放到应用层。osalAddTasks()函数是通过osalTaskAdd()函数完成任务添加。首先，将支持协议栈功能需要的任务加载到该函数中，osalTaskAdd()函数的需要三个参数，第一参数是各个任务的初始化函数的指针，第二个参数是各个任务的事件函数的指针。注意，每个任务，包括我们自己写的任务都要有两个函数：初始化函数和事件函数，第三个参数是任务的优先等级。部分代码： void osalAddTasks( void )

{

osalTaskAdd (Hal_Init, Hal_ProcessEvent, OSAL_TASK_PRIORITY_LOW);

#if defined( ZMAC_F8W )

osalTaskAdd( macTaskInit, macEventLoop, OSAL_TASK_PRIORITY_HIGH );

#endif

#if defined( MT_TASK )

osalTaskAdd( MT_TaskInit, MT_ProcessEvent, OSAL_TASK_PRIORITY_LOW );

#endif

osalTaskAdd( nwk_init, nwk_event_loop, OSAL_TASK_PRIORITY_MED );

osalTaskAdd( APS_Init, APS_event_loop, OSAL_TASK_PRIORITY_LOW );

osalTaskAdd( ZDApp_Init, ZDApp_event_loop, OSAL_TASK_PRIORITY_LOW );

osalTaskAdd( MYSELFApp_Init, MYSELFApp _event_loop, OSAL_TASK_PRIORITY_LOW );

}

这些任务是协议栈运行的先决条件，为了更好的使用协议栈，建议将这些任务都添加到任务列表中。这些函数的参数条件在协议栈中已经定义好，可以直接使用。任务处理函数是对任务发生后的事件进行处理，在项目中，暂定了如下的处理事件过程框架： uint16 MYSELF_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events )

{

afIncomingMSGPacket_t * MSGpkt; //消息包结构

osal_event_hdr_t * pmsg; // 事件包结构

if(zgDeviceLogicalType == ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR)

{

。。。。。。

}

if ( events & SYS_EVENT_MSG ) //发生系统事件将被调用

{

pmsg = (osal_event_hdr_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID );

// 接收该事件进行处理

while ( pmsg )

{

switch ( pmsg->event )

{

case KEY_CHANGE:

。。。。。。

break;

case AF_INCOMING_MSG_CMD: // 消息命令事件

//用这个事件可接受数据

break;

case ZDO_STATE_CHANGE: //网络状态变化将被调用

响应网络状态改变

break;

case ZDO_NWK_ADDR_RESP:// 网络地址响应，用它来响应网络地址请求， // 这样可以得到其它网络设备的短地址

case ZDO_MATCH_DESC_RESP:

在这里可响应匹配描述符

break;

case ZDO_NWK_UPDATE_NV:

break;

case ZDO_IEEE_ADDR_RESP:

响应物理地址请求

break;

default:

}

}

此事件处理函描述了任务处理事件的框架，我们的数据接收是通AF_INCOMING_MSG_CMD事件完成的。接收数据可通过设置系统事件SYS_EVENT_MSG来调用osal_msg_receive()函数接收已经保存到缓冲区的数据，不用考虑底层是怎样具体实现解接收的。发送数据是通过AF层函

数：afStatus_t afDataRequest( afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP,uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID,uint8 options, uint8 radius ) ——afAddrType_t *dstAddr 目的地址结构，里面包含目的地址

——endPointDesc_t *srcEP 设备节点描述符指针，此结构包含了简单描述符，节点值等

重要数据信息

——uint16 cID 命令标识符，只有命令标号一样的终端才能通信

——uint16 len 数据包长度，以字节为单位

——uint8 *buf 数据包地址指针

——uint8 *transID 执行序号指针，如果信息缓冲发送函数将增加这个数值——uint8 options 发送信息选项，包括一些发送参数，如是否路由等等——uint8 radius 发送信息半径

利用此发送函数我们可以炮制出各种应用发送，包括单播发送，组发送，广播发送，

这三种信息传送方式的组合实现了网络节点之间的所有数据传输。

在添加任务中，osalTaskAdd( nwk_init, nwk_event_loop, OSAL_TASK_PRIORITY_MED )函数为网络的建立立下了汗马功劳，它调用了nwk_init，nwk_event_loop两个函数完成了网络层的全部建立过程，包括网络初始化（协调器、路由器、终端的建立），这两个函数调用了大批网络层函数。如：

NLME_JoinRequest,NLME_NetWorkFormation,NLME_NetworkDiscoveryRequest等等，最好不要使用这些函数，除非你完全了解网络的建立过程，而是使用ZDO_StartDevice()来初始化、建立和加入网络，一个函数就实现了全部功能。

一个ZIGBEE网络可能包含数十个或成百上千个节点，ZIGBEE能做到这些节点共用一个网络，也就是网络中只有一个协调器（一个网络中只能有一个协调器，也就是一个网络标识）。而一个节点的传输距离在空旷地域也就100米左右。在远大于100米的范围内节点加入网络或相互通信是通过路由实现的。ZIGBEE采用按需路由算法AODV，在节能和网络性能上都有着很大的优势。AODV路由协议是一种基于距离矢量的按需路由算法，只保持需要的路由，而不需要节点维持通信过程中未达目的节点的路由。节点仅记住下一跳，而非像源节点路由那样记住整个路由。它能在网络中的各移动节点之间动态地、自启动地建立逐跳路由。当链路断开时，AODV会通知受影响的节点，从而使这些节点能被确认为无效路由。AODV允许移动节点响应链路的破损情况，并以一种及时的方式更新网络拓扑。

此项目中，通过一些网络层函数或应用层函数来管理网络或设计复杂网络，在应用中可以得到网络邻居表，路由表，某个节点的物理地址或网络地址，利用这些参数来组成更复杂的功能。考虑到随着网络节点的增加，网络节点功能的细化，网络复杂度的增大，项目中采取了分组管理的办法，把若干功能相同的节点分成一组，组内采用组播方式通信，也就是组内节点数据共享，组内选出一个代表节点。组与组之间通过代表节点采用点对点单播方式交换数据。这样不但可以细化网络功能，降低管理复杂度，减少网络流量，而且为更智能化的网络发展奠定了基础。为实现上述功能，程序定义了一些功能函数，它们与系统函数相结合可灵活实现通信与管理方式。具体实现代码略，现列出一些应用函数：

——NLME_GetExtAddr() 网络层，得到本设备的物理地址

——NLME_GetShortAddr() 网络层得到本设备的网络地址

——APSME_LookupNwkAddr(p1,&dizhi2) APS层根据已知的物理地址查找网络地址——ZDP_NwkAddrReq(p1,ZDP_ADDR_REQTYPE_SINGLE,0,0) ZDO层请求网络地址

——

ZDP_MatchDescReq(&z_dst_addr,NWK_BROADCAST_SHORTADDR,SampleApp_epDesc.si mpleDesc-> AppProfId,1,(cId_t *)clusterlist,1,(cId_t * )clusterlist,1)

ZDO 层请求设备匹配

——ZDP_IEEEAddrReq(msg_pipeirsp->nwkAddr,ZDP_ADDR_REQTYPE_SINGLE,0,0) ZDO层根据网络地址物理地址请求

——neighborEntry_t neighborTable1[MAX_NEIGHBOR_ENTRIES] 邻居表定义，以或的邻居节点的物理地址、网络地址、节点信息等

——aps_AddGroup( SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group) APS层把节点加入SampleApp_Group所标识的组

——aps_FindGroup() APS层在组表中为一个组ID标识找到一个组

——aps_RemveGroup() APS层从组表中删除一个组

——void danbofasong(uint16 dst_addr,int len, uint8 * buffer1)

{

afAddrType_t dst1;

dst1.addrMode=afAddr16Bit;

dst1.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;

dst1.addr.shortAddr=dst_addr;

if ( AF_DataRequest( &dst1, &SampleApp_epDesc,

danbo_id,

len,

buffer1,

&SampleApp_TransID,

AF_DISCV_ROUTE,

AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )

{

}

//单播发送函数，以uint16 dst_addr 为目的地址点对点发送

——void zubofasong( afAddrType_t * xzubodizhi )

{

uint8 buffer[3];

buffer[0] =(uint8)(SampleAppFlashCounter++);

buffer[1] = LO_UINT16( 1000 );

buffer[2] = HI_UINT16( 1000 );

if ( AF_DataRequest( xzubodizhi, &SampleApp_epDesc,

zubo_id,

3,

buffer,

&SampleApp_TransID,

AF_DISCV_ROUTE,

AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )

{

}

else

{

}

// 组播发送函数，在一个组里广播数据

——void guangbofasong(uint16 addr)

{

uint8 buffer[2];

buffer[0] = LO_UINT16( addr );

buffer[1] = HI_UINT16( addr );

if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Periodic_DstAddr, &SampleApp_epDesc, guangbo_id,

2,

buffer,

&SampleApp_TransID,

AF_DISCV_ROUTE,

AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )

{

}

else

{

}

}

//广播发送，整个网络进行广播

——uint16 get_linjudizhi(int index)

{

neighborEntry_t linshi1;

linshi1=neighborTable[index];

if ( linshi1.neighborAddress==NLME_GetShortAddr())

linshi1.neighborAddress=-1;

NLME_GetRequest(nwkNeighborTable,index, &linshi1);

return linshi1.neighborAddress;

}

//得到邻居节点的信息

——void shiyan_danbofasonglinju(void)

{

int i;

uint16 dizhi1;

for(i=0;i

{

dizhi1=get_linjudizhi(i);

if (dizhi1>0&&dizhi1!=NLME_GetShortAddr())

{

danbofasong(dizhi1,1,&m);

m++;

}

}

//////////////////////////////////////////////////

}

//向邻居节点单播数据

——void shiyan_dizhiqingqiu(void)

{

uint16 dizhi2,dizhi3;

byte p1[8];

byte *pm ;

p1[0]=0xAC;

p1[1]=0x00;

p1[2]=0x12;

p1[3]=0x13;

p1[4]=0x14;

p1[5]=0x15;

p1[6]=0x16;

p1[7]=0x17;

pm=NLME_GetExtAddr();

APSME_LookupNwkAddr(p1,&dizhi2);

APSME_LookupNwkAddr(pm,&dizhi3);

Printn(7,50,dizhi2,1,6);

Printn(6,50,dizhi3,1,6);

if (ZDP_SUCCESS== ZDP_NwkAddrReq(p1,ZDP_ADDR_REQTYPE_SINGLE,0,0))

Print6(5,50,"ok",1);

}

以上是一部分实验函数示例，仅此说明网络通信的工作流程和一些功能的实现方法，具体的应用设计有待于后序开发。