基于Zstack協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡終端設計

沈陽理工大學信息科學與工程學院 魏玉峰

1 背景

近些年科技發(fā)展如此的迅速，以計算機技術為基礎的人工智能領域、大數(shù)據(jù)領域以及物聯(lián)網(wǎng)領域均取得了重大的科技成就。其中物聯(lián)網(wǎng)技術是嵌入式技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的結合，為了實現(xiàn)物與物之間、人與物之間的“通訊”和“控制”，廣泛應用于各種智能控制領域如智能家居、車載智能終端、物流管理以及自動化控制。

物聯(lián)網(wǎng)技術主要由以下幾部分組成：

1)具有無線通信功能的終端節(jié)點；

2)控制終端的網(wǎng)關設備；

3)服務器平臺。

其中終端節(jié)點是以傳感器模塊、無線通信模塊為核心用來檢測或控制外部設備的一個小型嵌入式產(chǎn)品，終端節(jié)點在物聯(lián)網(wǎng)設計中的作用就如同人體的感知網(wǎng)絡和動作執(zhí)行器，因此在物聯(lián)網(wǎng)設計中終端節(jié)點尤為重要。目前無線終端節(jié)點網(wǎng)絡設計中以TI公司的Zigbee技術最為成熟。Zigbee技術是2.4GHz符合IEEE802.15.4標準的無線通信技術，TI公司又為Zigbee技術開發(fā)了Zstack協(xié)議棧以及必要的開發(fā)工具。

因此利用Zstack協(xié)議?？梢钥焖俑咝У拈_發(fā)Zigbee無線通信網(wǎng)絡。

2 Zigbee終端節(jié)點設計

2.1 Zigbee節(jié)點的選用

Zigbee節(jié)點使用TI公司的CC2530芯片作為核心處理器，選用的理由是：

1)以CC2530為核心的無線通信產(chǎn)品已廣泛應用于各種工業(yè)產(chǎn)品中，能保證產(chǎn)品的穩(wěn)定性；

2)CC2530芯片完美支持Zstack協(xié)議棧，便于協(xié)議棧的移植和二次開發(fā)；

3)CC2530芯片資料文檔較為齊全，可以配合TI公司的專用工具Zigbee Sensor Monitor進行測試。

因此選擇TI公司的Zigbbe節(jié)點完成Zstack協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡終端設計，節(jié)點包括溫濕度傳感器節(jié)點、可燃氣體濃度檢測節(jié)點、繼電器控制節(jié)點。

2.2 開發(fā)工具簡介

Zigbbe開發(fā)中需要用到以下工具：

1)IAR Embedded Workbench，這是一款集成C/C++編譯器、調(diào)試器的開發(fā)環(huán)境，主要用于ARM處理器的軟件開發(fā)和程序下載與調(diào)試，在本設計中CC2530芯片基于Zstack的程序設計就是在IAR中完成的。

2)串口調(diào)試助手，串口調(diào)試助手主要用于軟件開發(fā)過程中節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸是否準確，并且可以通過串口調(diào)試助手直接與節(jié)點進行通信。

3)Zigbee Sensor Monitor，這是一款TI公司開發(fā)的測試軟件用于Zstack組網(wǎng)測試以及數(shù)據(jù)測試，通過Zigbee Sensor Monitor可以直觀的看到Zigbee網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點以及終端節(jié)點的組網(wǎng)情況。

以上三款軟件就是Zigbee設計中最基本以及最常用的軟件，使用這三款軟件可以完成Zstack協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡終端設計。

2.3 Zstack協(xié)議棧介紹

Z-stack協(xié)議棧也是一款小型的操作系統(tǒng)，由TI公司在2007年發(fā)布。協(xié)議棧內(nèi)有各個基本函數(shù)庫，開發(fā)人員可以調(diào)用函數(shù)庫內(nèi)的入口函數(shù)來實現(xiàn)Zigbee組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。通過TI的官方網(wǎng)站可以下載Zstack協(xié)議棧的安裝包，點擊安裝即可，安裝完成后在Texas Instruments/Zstack-CC2530/Project/zstack/Samples目錄下找到官方例程使用IAR打開。

圖1 Zstack工程目錄

上圖是Zstack工程目錄，由上至下各個文件依次是：1)APP層，應用層目錄；2)HAL層，硬件目錄層；3)MAC層；4)MT層，監(jiān)控測試層；5)NWK層，網(wǎng)絡層目錄；6)OSAL層，操作系統(tǒng)層；7)Profile層，應用工作層；8)Seurity層，安全層；9)Tools層，工程配置；10)ZDO層，Zigbee設備對象層；11)Zmac層，參數(shù)配置信息和回調(diào)處理函數(shù)；12)ZMain層，Zstack的主函數(shù)入口。

以上是Zstack協(xié)議棧的工程目錄，通過了解可以知道以下兩點：

第一Zstack的入口函數(shù)在ZMain目錄下，找到其中的ZMain.c文件，在ZMain.c文件中找到int main（void）函數(shù)，這是協(xié)議棧的主函數(shù)，也就是工程的啟動函數(shù)。Zmain.c函數(shù)實現(xiàn)了以下功能，初始化系統(tǒng)的時鐘、檢測芯片電壓、初始化堆棧、初始化硬件模塊、初始化存儲器、初始化操作系統(tǒng)以及啟動操作系統(tǒng)。Zmain.c最后調(diào)用了osal_start_system()函數(shù)，這個函數(shù)本質(zhì)上是一個死循環(huán)，在循環(huán)體內(nèi)通過輪詢的方式依次判斷是否有事件發(fā)生，如果發(fā)生則進入事件處理函數(shù)中。事件的定義函數(shù)在const pTaskEventHandlerFn taskArr[]結構體內(nèi)。

圖2 事件定義結構體

結構體內(nèi)依據(jù)事件的優(yōu)先級依次處理mac層、nwk層、hal層、MT層、APSF層、ZDApp層和SampleApp層的任務，因此用戶自定義任務是優(yōu)先級最低的任務。Zstack通過定義任務標識符taskID來區(qū)分各個任務，taskID和tasksArr[]的對應關系如下1表所示：

表1 taskID和任務事件對應關系

因此只要taskID=6，那么系統(tǒng)就會運行用戶自定義程序。

2.4 節(jié)點程序軟件設計

溫濕度傳感器使用DHT11，其與CC2530模塊采用單總線通信模式，CC2530的GPIO連接DHT11的DATA口，通過模擬DHT11的時序即可得到40bit的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式為：8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和。

首先編寫DHT11傳感器的驅(qū)動程序：

圖3 DHT11初始化及驅(qū)動流程圖

依據(jù)驅(qū)動流程圖以及DHT11數(shù)據(jù)手冊中的時序編寫CC2530與DHT11的通信程序，在IAR軟件中編寫具體程序代碼，點擊Project->Rebuild All在底部窗口中可看到程序的部分編譯過程和編譯結果，在修改及完善項目工程后通過IAR軟件的Projece->Download and Debug將編譯后的.hex文件燒錄進CC2530節(jié)點板并通過串口觀察實驗結果。

柳江塑造了柳州的風景名勝，也因其對柳州城區(qū)呈現(xiàn)的“水抱城流”之景，江水的流淌沖擊，使得城區(qū)形成一個壺形的半島而有了“壺城”的別稱。又因其城區(qū)山清水秀，景色別致而有了“世界第一天然盆景”的美譽。

圖4 溫濕度節(jié)點獨立測試結果

在編譯并測試完成DHT11的驅(qū)動程序后，將程序移植至Zstack協(xié)議棧的APP文件中，接口函數(shù)定義在SApp用戶任務里。這樣就可以通過Zstack的輪詢方式實現(xiàn)節(jié)點的溫濕度檢測功能。最后配置節(jié)點的完整參數(shù)例如節(jié)點的類型：協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點，網(wǎng)絡拓撲結構：樹形網(wǎng)、星形網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)，并將程序編譯燒錄進節(jié)點板。

可燃氣體傳感器選用MQ-2模塊，傳感器的工作原理是MQ-2的電導率與空氣中煙霧濃度成正比例關系，也就是當空氣中濃度增大時，MQ-2模塊輸出的電阻就越低，具體電阻與濃度的對應關系查閱模塊技術文檔可知。

CC2530芯片內(nèi)部有12位AD轉(zhuǎn)換器，因此僅需利用基準電壓和分壓電阻即可通過AD轉(zhuǎn)換器計算出MQ-2模塊的電阻，也就能得到當前空氣中可燃氣體的濃度系數(shù)。

設計可燃氣體節(jié)點同樣采用循序漸進的處理方式，首先編寫節(jié)點的獨立測試程序，測試通過完成后基于Z-stack協(xié)議棧編寫最終使用程序，程序的設計過程與思路和溫濕度節(jié)點相同，此處不再贅述。

可控繼電器選用5V直流繼電器，節(jié)點共裝有兩個繼電器，繼電器程序設計過程如下：

1)實現(xiàn)CC2530控制繼電器按一定頻率自動開合；

2)通過串口與CC2530通信實現(xiàn)繼電器的可控開關；

繼電器為開關控制元件，在繼電器的線圈端加載5V直流電壓即可控制幾點閉合，閉合時繼電器的公共端與常開點連通，繼電器是一款小電流控制大電流的元件，用于多種工業(yè)控制場合。

繼電器程序設計過程中移植了前節(jié)點的工程，包括節(jié)點串口通信以及Z-stack下節(jié)點的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理。

1)實現(xiàn)CC2530控制繼電器按一定頻率自動開合；

2)通過串口與CC2530通信實現(xiàn)繼電器的可控開關；

3)繼電器節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過組網(wǎng)實現(xiàn)繼電器的狀態(tài)查詢以及開關控制。

繼電器為開關控制元件，在繼電器的線圈端加載5V直流電壓即可控制幾點閉合，閉合時繼電器的公共端與常開點連通，繼電器是一款小電流控制大電流的元件，用于多種工業(yè)控制場合。

繼電器程序設計過程中移植了前節(jié)點的工程，包括節(jié)點串口通信、點對點通信以及Z-stack下節(jié)點的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)處理。

圖5 繼電器測試結果

圖5 是組網(wǎng)后通過串口連接協(xié)調(diào)器，并最終查詢及控制繼電器的狀態(tài)，通過串口輸入0表示關閉繼電器，輸入1表示打開繼電器，輸入2可查詢當前繼電器的開關狀態(tài)。

至此基于Zstack協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡終端設計已經(jīng)完成，其中包含溫濕度節(jié)點、可燃氣體檢測節(jié)點、繼電器控制節(jié)點。

3 總結

本設計是基于TI公司CC2530無線通信芯片設計的Zigbee無線終端，移植了TI公司的Zstack協(xié)議棧，組建樹形網(wǎng)并將節(jié)點數(shù)據(jù)信息通過串口輸送至電腦，實現(xiàn)了通過串口可測可控各個節(jié)點的功能，首先本設計基于嵌入式發(fā)展的趨勢以及物聯(lián)網(wǎng)技術中的感知網(wǎng)絡，編寫了三組不同功能的節(jié)點程序，并成功實現(xiàn)相應的功能，本設計只是簡單的完成了Zstack協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡終端設計，其可提升和擴展的空間也十分的廣闊。