基于Zstack的點對點通信研究

劉順勇，溫 懷，趙 麗

(重慶郵電大學 自動化學院，重慶 400065)

Zigbee技術是一種無線通信技術。Zigbee采用IEEE802.15.4標準，利用2.4GHz波段進行通信，具有低功耗、低成本、網絡容量大等特點。ZigBee的目標市場主要有PC外設(鼠標、鍵盤、游戲操控桿)、消費類電子設備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備上的遙控裝置)、家庭內智能控制(照明、煤氣計量控制及報警等)、玩具(電子寵物)、醫護(監視器和傳感器)、工控(監視器、傳感器和自動控制設備)等非常廣闊的領域。本文通過對Zigbee協議的解析，介紹基于zigbee協議棧(Zstack)的點對點通信，并通過硬件和軟件設計來實現Zstack的點對點通信。

1 相關概念

ZigBee協議棧(Zstack)結構如圖1所示，包括高層應用規范、應用支持子層、網絡層、媒體接入層和物理層。

圖1 zigbee協議棧

Zigbee網絡中的設備按功能劃分為三類邏輯模型：協調器(Coordinator)，路由器(Router)，終端設備(End Device)。這三種設備類型可以在編譯器IAR EW中進行相應選擇，程序下載到相應的設備中即可實現相應的設備類型[1]。

1.1 協調器(Coordinator)

協調器主要功能是啟動和配置IEEE802.15.4/ZigBee網絡。一個ZigBee網絡只能有一個協調器。協調器的角色主要涉及網絡的啟動和配置，一旦這些都完成后，協調器的工作就像一個路由器，由于ZigBee網絡本身的分布特性，因此接下來整個網絡的操作就不再依賴協調器是否存在。

1.2 路由器(Router)

路由器是一種支持關聯的設備，將自己關聯至協調器或者已在網絡的其他路由器，同時允許另外的路由器和終端設備加入網絡。主要功能是加入已存在的ZigBee網絡，為ZigBee網絡通信提供中繼和路由。通常，路由器希望是一直處于正常的工作狀態，因此它必須使用主電源供電，但是當使用樹群這種網絡模式時，允許路由器間隔一定的周期操作一次，這樣就可以使用電池給其供電。

1.3 終端設備(End Device)

終端設備執行具體的任務，如信息采集等，并使用ZigBee網絡實現信息交互。終端設備沒有特定的維持網絡結構的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以是一個電池供電設備。

ZigBee網絡中傳輸的數據可分為三類：周期性數據，例如傳感器網中傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率根據不同的應用而確定；間歇性數據，例如電燈開關傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率根據應用或者外部激勵而確定；反復性的、反應時間低的數據，例如無線鼠標傳輸的數據，這一類數據的傳輸速率是根據時隙分配而確定的。為了降低ZigBee節點的平均功耗，ZigBee節點有激活和睡眠兩種狀態，只有當兩個節點都處于激活狀態才能完成數據的傳輸。在有信標的網絡中，ZigBee協調點通過定期地廣播信標為網絡中的節點提供同步；在無信標的網絡中，終端節點定期睡眠，定期醒來，除終端節點以外的節點要保證始終處于激活狀態，終端節點醒來后會主動詢問它的協調點是否有數據要發送給它。在ZigBee網絡中，協調點負責緩存要發送給正在睡眠的節點的數據包。

如圖2所示，點對點的通信實質上就是協調器和一個終端節點之間的通信。

圖2 點對點通信拓撲圖

2 硬件設計

2.1 總體設計

Zigbee無線通信主要由協調器、路由器及終端設備3種節點組成。在網絡建立之初，每個網絡有且僅有一個協調器節點，主要負責網絡的發起、參數的設定、信息的管理及維護功能，也可用來協助建立安全層和應用層的綁定[2]。協調器節點主要由處理器模塊、電源管理模塊及其各外部接口等組成[3]。協調器主要硬件結構圖如圖3所示。

圖3 協調器節點硬件結構圖

2.2 協調器各功能模塊介紹

(1)處理器模塊。我們采用CC2530作為處理器，它是用于2.4GHz IEEE802.15.4，Zigbee應用的一個真正的片上系統解決方案。它能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程，其中之一版本CC2530F256就結合了zigbee協議棧，提供了一個強大和完整的zigbee解決方案。

圖4 CC2530功能引腳圖

(2)接口模塊。通常情況下，協調器節點接口主要包括串行接口、電源接口及JTAG接口，也可增加USB接口。當硬件設備外接電源無效時，也可采用干電池為硬件系統供電，以保證系統各節點的正常運行。

(3)無線設備。CC2530具有一個IEEE802.15.4兼容無線收發器[4]。RF內核控制模擬無線模塊。另外，它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，這使得其可以發出命令，讀取狀態，自動操作和確定無線設備事件的順序。無線設備還包括一個數據包過濾和地址識別模塊。

(4)電源管理模塊。本系統采用外接電源供電，保證系統各節點的正常運行。

3 軟件模塊設計

對于Zigbee協議棧的點對點通信，主要由網絡層來實現，zigbee網絡層主要為新加入的節點分配地址并提供路由發現及路由維護等[5]。協調器作為網絡的第一個節點設備，主要負責網絡的建立及參數配置，該節點設計的開發環境是IAR Embedded WorkBench，采用的協議棧是TI Zstack。

組建網絡的兩個步驟主要是網絡初始化及節點加入網絡[6]。網絡初始化首先要確定網絡協調器，通過主動掃描發送信標請求命令來檢測該網絡中是否有協調器。如果在掃描期限內沒有檢測到信標，則將自己作為網絡的協調器，并不斷地產生信標并廣播出去，然后進行信道掃描，對指定的信道或默認的信道進行能量檢測以避免可能的干擾，并將那些能量值超過了允許水平的信道丟棄，而后對剩余信道進行主動掃描，以檢查區域內有沒有其他Zigbee網絡存在；完成主動掃描后，即可獲得設備所在區域內已有的各Zigbee網絡的網絡標識符，至此，網絡初始化基本完成。

圖5 協調器節點工作流程圖

節點加入網絡可通過兩種方式完成：一是由子節點發起的通過關聯加入網絡；二是由父節點發起的通過已有父節點(協調器或路由器)加入網絡。當一個節點希望加入該網絡時，首先會進行信道掃描來收索周圍是否存在協調器。若在掃描期限內檢測到協調器，則向其發送關聯請求。協調器收到請求后會回復一個確認幀(ACK)。并向其上層發送連接指示原語。當節點收到協調器的回復幀后，節點的MAC層將等待一段時間，以便接收協調器發出連接響應。如果協調器的地址資源足夠，它就會給節點分配一個16位的短地址，并產生包含新連接和連接狀態的響應命令。至此，節點將可以成功的和協調器進行連接，并可以開始通信了。這一系列的過程都是通過協議棧各層間原語通信實現的。

4 實例

步驟一：將相應的實驗代碼程序載到相應的硬件元件上，然后通電。

步驟二：打開終端設備時屏幕會顯示 Texas Instruments XXX，這時將下載了協調器程序的Zigbee射頻板打開，這時會觀察到屏幕也先顯示 Texas Instruments XXX，同時相應的LED燈閃爍，當協調器網絡建立好之后屏幕會顯示ZigBee Coord Network ID: 2222, LED燈由閃爍變為一直亮。此時另外作為終端設備的協調器，LCD屏幕會出現：EndDevice:DFF Parent:0并且與之相關的的LED燈也一直亮。表明兩者在同一個網絡中了，如圖6所示。

圖6

步驟三：使用終端設備的U1開關向右撥打一次，撥打完之后會發現協調器和終端設備到的LED燈都點亮了，說明綁定成功了，之后便可以收到Hello World rcvd 其效果如圖7所示。

圖7

參考文獻：

[1]彭澎.計算機網絡教程[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]王建平，徐其林，張茂林.基于EPA標準的Zigbee網絡構建方法的研究[J].計算機測量與控制，2008,16(1)：121-123.

[3]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的zigbee通信網絡的應用設計[J].電子設計工程，2011，(16):108-111.

[4]宋穎.無線個域網問題研究[D].吉林：吉林大學，2008.

[5]楊誠，聶章龍.zigbee網絡層協議的分析與設計[J].計算機應用與軟件，2009，(12):219-221.

[6]郝曉萌.基于zigbee的無線糧情監測系統中路由協議的研究[D].北京：北京郵電大學，2009.