ZigBee2006协议栈的无线传感执行网络构建.doc

1、ZigBee2006协议栈的无线传感执行网络构建ZigBee技术是一种短距离、低速率的无线通信技术。由于其短距 离、低速率及能够实时定位等特点，被广泛应用于医疗、智能家居、智能 建筑、工业自动化、智能空间等领域。1. 2 ZigBee2006协议栈简析ZigBee通信协议的基础是IEEE 802. 15. 4。这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE 802. 15. 4标准。该标准定义了 物理层(PHY)和媒体访咨询操纵层(MAC)的标准。ZigBee联盟则定义了 ZigBee协议的网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务规范。TI/Chipcon公 司在IEEE 80

2、2. 15. 4标准和ZigBee联盟所推出的ZigBee2006规范的基 础上，公布了全功能的ZigBee2006协议栈，并通过了 ZigBee联盟的认证。该协议栈全部用C语言编写，免费提供给用户，同时向后兼容。该协议栈 在结构都严格按照IEEE写。一的调能够构建功能完善、性2系统方案设计图1 ZigBee无线网络连接方式同时，在协议栈于用户层和物理层，每一层的函数 6规范所规定的原语格式编 部还嵌入了一个操作系统，用于对任务进行统 昙函数并进行恰当的调用，就 言网络。口 为应用层、网络层、安全层、了解应星状连接方式比较简单，只能组建包含较少节点的无线网络，各 个终端节点通过和谐器实现网络连

3、接。网状连接中任意节点之间都能够传 递信息。串状连接中增加了若干路由器，用于对数据进行转发。在ZigBee2006全功能协议栈中，网络连接方式的选择可通过在 n wk_globals. c和 nwk_globals. h 中对 STACK_PROFILE_ID 的设置来实现。 STACK_PRO-FILED有3种量，分不对应着星状连接、网状连接和树状连 接网络。系统在nwk_globals. h中加入如下语句，从而在家庭环境中构建星状结构 的ZigBee无线传感执行网络：#define STACK PROFILE ID GENERIC STAR图2无线传感执行网络系统结构图系统中布置有一个和谐

4、器与 PC机相连，同时布置有若干终端节点 或路由器，使其连接温度、湿度和光敏电阻等传感器来监测房间环境。另 外，房间中还布置有一些终端节点与执行器连接，用于操纵窗帘的开关、 台灯的亮灭等。和谐器和终端节点在房间内组成了一个星状结构的ZigBee无线传感执行网络。系统的整体工作过程是：第一由和谐器节点成功创建 ZigBee网络, 然后等待终端节点加入。当终端节点及传感器上电后，会自动查找空间中 存在的ZigBee网络，找到后即加入网络，并把该节点的物理地址发送给和 谐器。和谐器把节点的地址信息等通过串口发送给运算机进行储存。当运 算机想要猎取某一节点处的传感器值时，只需要向串口发送相应节点的物

5、理地址及测量指令。和谐器通过串口从运算机端收到物理地址后，会向与 其相对应的传感器节点发送数据，传达传感器测量指令。传感器节点收到 数据后，通过传感器测量数据，然后将测量结果发送给和谐器，并在运算 机端进行显示。3系统硬件设计系统的和谐器、路由器和终端节点的核心采纳TI公司的CC2430芯片。该芯片是一款真正的系统芯片(SoC)解决方案，其在单个芯片上集成 了 ZigBee射频前端、微操纵器和储备器。它使用 1个8位的8051内核M CU作为操纵器，其性能是工业标准8051核的8倍，且程序代码与51系列 单片机完全兼容。CC2430具有64/128 KB的可编程Flash和8 KB的RA M，

6、其大容量的Flash完全能够满足ZigBee2006协议栈程序的要求；另外， 还具有模/数转换器(ADC)、定时器、AES128协处理器和看门狗定时器等 片内外设。系统的工作原理是：在和谐器端，CC2430通过RS232异步串行通 信与PC机进行通信。和谐器成功组建网络时，会向 PC机发送组网成功指 示。当有路由器或终端节点加入网络时，和谐器通过 RS232向PC机发送 节点加入指示。在路由器和终端节点处，上电后CC2430查找可用信道并加入网络，然后等待指令。路由器或终端节点一旦收到和谐器发送来的测量 指令，将会读取传感器的数据并传送。本系统中温度和湿度测量使用 Sensirion公司的SH

7、T11数字温湿度传感器。该传感器具有相对湿度和温度一体测量、超快的响应时刻等优良(开矗)招4YJ 挪 asfltSHTllWjffi 牝特性。对台灯和窗帘的操纵是通过继电器 TQ2-3V来实现的。囁时系统采集温湿度的程序设计数字接口，编程十分方便。Htii数字式温湿度传感器采纳两线制温湿度采集程序流程如图 3所示。图3 SHTH1温湿度釆第程序谎程4. 2光敏电阻阻值读取光敏电阻阻值的读取用 CC2430内部的ADC实现。通过设置CC2430的ADCCON3寄存器可对A/D转换的一些参数进行设置。具体如下:使用14位的辨论率，采样通道设置为 AINO，参考电压设置为内部1. 25V。通过实验能

8、够测定，当 P0. 1的电压值等于1. 25 V时，环境光照强 度差不多足够弱，能够操纵空间中的其他执行器做出动作，如开灯、打开 窗帘等禁止所有中断os4.3(ZigBee2(ItJTSjKLL);系统软件基于T 程序中嵌入了实时 能运行统一调度。进行程序设计时，魏一在协议栈应用层程序中添加相应 的任务，然后运行任务即可处理。ZgB醴006协议栈的main函数流程如图4所示。 Ji 协议栈用函数及工作过程006I /ChpCOn公司免费提供的Zig-Bee2006协议栈, |作系统，甬对网络组建、节点加入、数据收发等功网络图4 mam函数谎程OSAL层初始化时，通过osalAddTasks函数

9、提供任务列表，向实 时操作系统中添加用户所需要的任务。在该函数中，TI公司差不多添加了一些任务，如硬件应用层初始化及处理函数、网络层初始化及处理函数、 应用层初始化及处理函数等。在该函数中添加自己的任务，添加任务函数 如下：osalTaskAdd(CSCE_lnit, CSCE_ProcessEven, OSAL_TASK_PRIO Rl-TYLOW);osalTaskAdd函数在OSAL层中的OSAL_Task. C文件中定义， 其作用是添加一个任务到任务列表。 其中，第1个参数CSCE_Init为用户任 务的初始化函数的函数名，第2个参数CSCE_ProcessEven为用户任务的处 理函

10、数的函数名，第3个参数OSAL_TASK_PRIORITY_LOW为用户任务 的优先级。任务初始化函数CSCE_Init和任务处理函数CSCE_ProcessEvent 都需要遵循ZigBee2006协议栈的格式。其中，CSCE_Init函数和CSCE_Pr ocessEvent函数需要在应用层头文件SampleApp. h中进行声明。CSCE_Init函数有一个参数task_id,该参数为任务ID，具体值由 OSAL进行分配。CSCE_ProcessEven函数有2个参数：第1个参数与CS CEnit函数相同，为任务ID;第2个参数events为需要处理的事件，它是 一个16位的二进制数，每

11、一位代表一个事件。利用OSAL层进行任务设计时，必须保留系统任务事件SYS_EVE NT_MSG(0x8000)，该事件为强制事件。进行任务处理时，第一要对系统任 务事件是否发生进行判定，任务处理流程如图5所示。由于ZigBee2006协议栈为全功能协议栈，不需要对IEEE 802. 15. 4和ZigBee规范进行全面 的了解，只需要在应用层进行一些设计和改动，即可实现数据的发送、接 收以及网络组建功能。在终端节点的CSCE_ProcessEve nt函数的上电初始化处理部分，加入物理地址和短地址提取函数，然后调用发送函数将物理 地址向和谐器发送。协议栈中的物理地址猎取函数为 NLME_Ge

12、tExtAddr(),afAdarT* ast Addr其返回结果为一个指向节点的64位IEEE地址的指针。短地址的猎取函数 为NLME_GetShortAddr()，其返回结果为一个16位的无符号整型数据。数据发送函数在ZigBee2006l规范的原语中差不多规定了其参数的unsigned char * buf* /需要发迸的数据顺序及意义。具体到TI /Chipcon公司所提供的ZigBee2006协议栈中，该 函数为AF_DataRteques,n淇具体形式如下：unsigned (har radius )tk id, unaigncd short events)接收至接收至ZigBe该

13、函数在聲由器沁e2006协PC机上电初站化业理|端节点）的CSCE_Pro-cessEven函数中J数据部分（即CSCE MessageMS-GCB函数）中对数据进行处理，将所 短短地址通过串口发送到运算机端，进行显示2中设计了串口接收处理函数：发送给pc机：；r vent ） 件憊麗节点的处理。中。实验中，在和谐器端调用该够器数衲.4*传序与ZigBee2006协议栈的融合污系统程序中忐感器端的物理地址及短地址的发送部分程序，添 盂竄常向網应节誡送-读取温湿度/Bee2006协议栈中的1 CSCE_PrOcessEv-en函数的上电初始化部分，加在馬春丄即zdo stateIchange牖息下。和谐器及传感器端的数据接收都添加在消息博系统整体工作过程如!1所示,即 AF_INCOMING_MSG_CMD6系统整体工作过程4. 5 PC机端程序在系统中，节点上电加入网络后，和谐器会通过RS232向PC机发送新加入节点的IEEE地址。PC机将从串口接收到的物理地址和短地址 进行储备，并改变运算机中所储备的房间地图中的节点颜色进行指示。该程序使用Visu