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《Zigbee入门与实践》第六章Zigbee无线组网提高.pdf

发布时间：2022-04-13 发布人：admin 分类：互联网 资料大小：1.82M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    JIAJIEKEJI [键入文字] ZigBee 无线传感器网络提高 佳杰科技 D&J 2012 H T T P : / / J I E L O V E D A N . T A O B A O . C O M
    http://jielovedan.taobao.com 佳杰科技 前言 笔者在上一章中给出了一个简单的点对点的无线通信实验，是读者对 ZigBee 无线传感 器网络中的数据通信方法有个感性的认识。使用 ZigBee 协议栈进行应用程序开发过程中， 虽然说读者可以不必关心 ZigBee 协议栈的具体细节，但是读者需要对 ZigBee 协议栈的基本 构成与内部工作原理有个清晰的认识，只有这样才能将 ZigBee 协议栈提供的函数充分地融 入自己的实际项目开发过程中。 本章将着重讨论 ZigBee 协议栈的构成以及内部 OSAL 的工作原理，在此基础上讲解一下 ZigBee 协议栈中的串口工作原理，最后通过一个具体的无线温度检测试验来帮助读者更好地 理解本章内容。
    http://jielovedan.taobao.com 佳杰科技 目录 6.3 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 ZigBee 无线传感器网络提高 ........................................................................................................... 1 前言........................................................................................................................................... 2 6.1 深入理解 ZigBee 协议栈的构成 .................................................................................. 4 ZigBee 协议栈 OSAL 介绍 ............................................................................................ 9 6.2 OSAL 常用术语 ................................................................................................. 9 OSAL 运行机理 ............................................................................................... 10 OSAL 消息队列 ............................................................................................... 15 OSAL 添加新任务 ........................................................................................... 16 OSAL 应用编程接口 ....................................................................................... 17 Zstack 提高知识 .......................................................................................................... 20 6.3.1 地址类型(Address types) ................................................................................ 20 6.3.2 绑定(Binding) .................................................................................................. 22 6.3.3 路由(Routing) .................................................................................................. 25 6.3.4 配置信道(Configuring channel) ...................................................................... 27 6.3.5 描述符(Descriptors) ........................................................................................ 28 6.3.6 非易失性存储项(Non-volatile Memory Items) .............................................. 29 6.3.7 安全(Security) ................................................................................................. 29 Zigbee 与 PC 通信实验 ............................................................................................... 31 6.5.1 提出要求 ......................................................................................................... 32 6.5.2 公共文件的编程 ............................................................................................. 32 6.5.3 协调器编程 ..................................................................................................... 33 6.5.4 实验测试 ......................................................................................................... 37 6.5.5 实验分析 ......................................................................................................... 39 6.5.6 串口工作原理剖析 ......................................................................................... 43 PC 与 Zigbee 任意字符串传输实验 ........................................................................... 48 6.5.1 提出要求 ......................................................................................................... 48 6.5.2 公共文件的编程 ............................................................................................. 48 6.5.3 协调器编程 ..................................................................................................... 49 6.5.4 代码分析 ......................................................................................................... 51 6.5.5 实验现象 ......................................................................................................... 52 6.6 协议栈串口应用扩展实验 ......................................................................................... 53 6.5.1 提出要求 ......................................................................................................... 53 6.5.2 公共头文件编程 ............................................................................................. 54 6.5.3 协调器编程 ..................................................................................................... 54 6.5.4 终端节点编程 ................................................................................................. 58 6.5.5 实例测试 ......................................................................................................... 65 ZigBee 串口控制 LED 灯实验 ..................................................................................... 66 6.6.1 提出要求 ......................................................................................................... 66 6.6.2 头文件的编程 ................................................................................................. 66 6.6.3 协调器编程 ..................................................................................................... 67 6.6.5 实验结果 ......................................................................................................... 74 ZigBee 串口互传实验 ................................................................. 错误！未定义书签。 6.7 6.8 6.4 6.5
    http://jielovedan.taobao.com 佳杰科技 6.9 6.10 6.11 ZigBee 按键值串口显示实验 ..................................................... 错误！未定义书签。 ZigBee 官方串口互传实验 ......................................................... 错误！未定义书签。 无线温度检侧实验 ................................................................. 错误！未定义书签。 6.6.1 实验原理及流程图 ......................................................... 错误！未定义书签。 6.6.2 协调器编程 ..................................................................... 错误！未定义书签。 6.6.3 终端节点编程 ................................................................. 错误！未定义书签。 6.6.4 实例测试 ......................................................................... 错误！未定义书签。 ZigBee 协议栈中的 NV 操作 ...................................................... 错误！未定义书签。 NV 操作函数 ................................................................... 错误！未定义书签。 6.7.1 NV 操作基础实验 ........................................................... 错误！未定义书签。 6.7.2 6.7.3 实例测试 ......................................................................... 错误！未定义书签。 本章小结 ......................................................................... 错误！未定义书签。 6.13 扩展阅读之一:ZigBee 协议中规范(Profile)和簇 (Cluester)的概念 ..... 错误！未定义书签。 扩展阅读之二:探究接收数据的存放位置 ............................................ 错误！未定义书签。 6.12 6.1 深入理解 ZigBee 协议栈的构成 ZigBee 协议栈的实现方式采用分层的思想，分为物理层、介质访问控制层、网络层和应 用层，应用层包含应用程序支持子层、应用程序框架层和 ZDO 设备对象。在协议栈中，上 层实现的功能对下层来说是不知道的，上层可以调用下层提供的函数来实现某些功能。 ZigBee 协议栈的构成如图 5-1 所示。
    http://jielovedan.taobao.com 佳杰科技 图 5-1 ZigBee 协议栈的构成 物理层（PHY）和介质访问控制层（MAC）是由 IEEE 802.15.4 规范定义的，物理层负责 将数据通过发射天线发送出去以及从天线接收数据；ZigBee 无线网络中的网络号、网络发现 等概念是介质访问控制层的内容，此外，介质访问控制层还提供点对点通信的数据确认 （Per-hop Acknowledgments）以及一些用于网络发现和网络形成的命令，但是介质访问控制 层不支持多跳（Multi-hop）、网型网络（Mesh）等概念。 网络层（NWK）主要是对网型网络提供支持，如在全网范围内发送广播包，为单播数 据包选择路由，确保数据包能够可靠地从一个节点发送到另一节点，此外，网络层还具有安 全特性，用户可以自行选择所需的安全策略。 应用程序支持子层主要是提供了一些 API 函数供用调用，此外，绑定表也是存储在应用 程序支持子层。ZigBee 设备对象 ZDO 是运行在端口 0 的应用程序，主要提供了一些网络管 理方面的函数。每个 ZigBee 设备都与一个特定类别(profile)有关，可能是公共类别或私有 类别。这些类别定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通讯的丛集。公共类别可 以确保不同供货商的设备在相同应用领域中的互通作业性。 设备是由类别定义的，并以应用对象(Application Objects)的形式实现(见图 2)。每个应 用对象透过一个端点连接到 ZigBee 堆栈的余下部份，它们都是组件中可寻址的组件。 从应用角度看，通讯的本质就是端点到端点的连接(例如，一个带开关组件的设备与带一个 或多个灯组件的远程设备进行通讯，目的是将这些灯点亮)。 端点之间的通讯是透过称之为丛集的数据结构实现的。这些丛集是应用对象之间共享信 息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的丛集在类别中有定义。 每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)丛集格式的数据。一共有二个特殊的端 点，即端点 0 和端点 255。端点 0 用于整个 ZigBee 设备的配置和管理。应用程序可以透过端
    http://jielovedan.taobao.com 佳杰科技 点 0 与 ZigBee 堆栈的其它层通讯，因而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点 0 的对 象被称为 ZigBee 设备对象(ZD0)。端点 255 用于向所有端点的广播。端点 241 到 254 是保留 端点。 所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS 透过网络层和安全服务提供层与端点相 接，并为数据传送、安全和固定服务，因此能够适配不同但兼容的设备，如带灯的开关。 APS 使用网络层(NWK)提供的服务。NWK 负责设备到设备的通讯，并负责网络中设备初始化 所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以透过 ZigBee 设备对象(ZD0)对网络层参数 进行配置和存取。 每个端口（Endpoint）都能用于收发数据，有如下两个端口较为特殊。 1) 端口 0 该端口用于整个 ZigBee 设备的配置和管理，用户应用程序可以通过端口 0 与 ZigBee 协议栈的应用程序支持子层、网络层进行通信，从而实现对这些层的初 始化工作，在端口 0 上运行的应用程序成为 ZigBee 设备对象（ZDO，ZigBee Device Object）。 2) 端口 255 该端口用于向所有的端口广播。 在 ZigBee 协议栈中，各层之间进行数据传递是通过服务接入点（Service Access Point） 来实现的。一般使用两种类型的服务接入点：一种用于数据传输的服务接入点，另 一种用于管理的服务接入点。例如：在 ZigBee 2007 协议栈，发送数据时使用的是 APSDE-DATA.request，显然这是一个发送数据请求，是从 APS 层发给下层来请求数 据发送的。 服务接入点常用缩写如表 5-1 所示。 英文缩写 APS SAP APSDE-SAP 表 5-1 服务接入点常用缩写 全称 备注 Application Support Sub-Layer 应用程序支持子层 Service Access Points APS Data Entity-SAP 服务接入点 应用程序支持子层 数据实体服务接入点 应用程序支持子层 管理实体服务接入点 APSME-SAP APS Management Entity-SAP NLDE-SAP NLME-SAP MCPS-SAP Network Layer Data Entity-SAP 网络层数据实体服务接入点 Network Layer Management Entity-SAP 网络层管理实体服务接入点 MAC Common Part Service-SAP MAC 层统用服务接入点 PD-SAP PLME-SAP Physical Layer Data Entity-SAP 物理层数据实体服务接入点 Physical Layer Management Entity-SAP 物理层管理实体服务接入点 可以将服务接入点理解为一些 API 函数，在上层可以通过调用这些 API 函数来使用下层 提供的功能（服务）。 在 IAR 工程的左侧有很多文件夹，如 App、HAL、MAC 等，如图 5-2 所示，这些文件夹 下面包含了很多源代码，这种实现方式与 ZigBee 协议的分层思想是相对应的，尽量将实现 某些功能的函数放在同一个文件夹下。
    http://jielovedan.taobao.com 佳杰科技 图 5-2 工程主界面 整个协议栈是从哪里开始执行的呢？请观察图 5-2 中，在 Zmain 文件夹下有个 Zmain.c 文件，打开该文件可以找到 main（）函数，这就是整个协议栈的入口点，即从该函数开始 执行！ 下面看一下 main（）函数主要做了哪些工作，main（）函数原型如下： osal_int_disable( INTS_ALL ); HAL_BOARD_INIT(); zmain_vdd_check(); InitBoard( OB_COLD ); HalDriverInit(); osal_nv_init( NULL ); ZMacInit(); zmain_ext_addr(); zgInit(); #ifndef NONWK afInit(); #endif osal_init_system(); osal_int_enable( INTS_ALL ); InitBoard( OB_READY ); zmain_dev_info(); #ifdef LCD_SUPPORTED zmain_lcd_init(); #endif int main( void ) {
    http://jielovedan.taobao.com 佳杰科技 #ifdef WDT_IN_PM1 WatchDogEnable( WDTIMX ); #endif osal_start_znp(); return 0; } 在 main() 函 数 中 调 用 了 很 多 其 他 文 件 中 的 函 数 ， 在 此 可 以 暂 不 考 虑 ， 重 点 是 osal_start_system()函数，在此之前的函数都是对板载硬件以及协议栈进行的初始化，知道调 用 osal_start_system() 函 数 ， 整 个 ZigBee 协 议 栈 才 算 是 真 正 的 运 行 起 来 了 ， 那 么 osal_start_system()函数是如何将 ZigBee 协议栈调用起来的呢？下面将进行这部分内容的讲 解。 802.15.4 MAC 层 IEEE 802.15.4 标准为低速率无线个人局域网络(LR-WPAN)定义了 OSI 模型开始的两层。 PHY 层定义了无线射频应该具备的特征，它支持二种不同的射频讯号，分别位于 2450MHz 波段和 868/915MHz 波段。2450MHz 波段射频可以提供 250kbps 的数据速率和 16 个不同的 讯息信道。868/915MHz 波段中，868MHz 支持 1 个数据速率为 20kbps 的讯息信道，915MHz 支持 10 个数据速率为 40kbps 的讯息信道。 MAC 层负责相邻设备间的单跳数据通讯。它负责设立与网络的同步，支持关联和去关联以 及 MAC 层安全：它能提供二个设备之间的可靠链接。 关于服务接取点 ZigBee 堆栈的不同层与 802.15.4 MAC 透过服务接取点(SAP)进行通讯。SAP 是某一特定 层提供的服务与上层之间的接口。 ZigBee 堆栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是 向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供存取内部层参数、配置 和管理数据的机制。 ZigBee 的安全性 安全机制由安全服务提供层提供。然而值得注意的是，系统的整体安全性是在类别级定 义的，这意味着类别应该定义某一特定网络中应该实现何种类型的安全。 每一层(MAC、网络或应用层)都能被保护，为了降低储存要求，它们可以分享安全钥匙。SSP 是透过 ZD0 进行初始化和配置的，要求实现先进加密标准(AES)。ZigBee 规格定义了信任中 心的用途。信任中心是在网络中分配安全钥匙的一种令人信任的设备。 ZigBee 堆栈容量和 ZigBee 设备 根据 ZigBee 堆栈规定的所有功能和支持，我们很容易推测 ZigBee 堆栈实现需要用到设 备中的海量存储器资源。 不过 ZigBee 规格定义了三种类型的设备，每种都有自己的功能要求： ZigBee 协调器是启动和配置网络的一种设备。协调器可以保持间接寻址用的固定表格， 支持关联，同时还能设计信任中心和执行其它活动。一个 ZigBee 网络只允许有一个 ZigBee 协调器。 ZigBee 路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其它设备。ZigBee 网格或树型 网络可以有多个 ZigBee 路由器。ZigBee 星型网络不支持 ZigBee 路由器。 ZigBee 端终设备可以执行它的相关功能，并使用 ZigBee 网络到达其它需要与其通讯的 设备。它的内存容量要求最少。 然而需要特别注意的是，网络的特定架构会戏剧性地影响设备所需的资源。NWK 支持
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