基于Z-Stack協(xié)議棧的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸實驗的遞進式實現(xiàn)

嚴海洲

關鍵詞：Z-Stack協(xié)議棧；無線傳輸；工程實踐；創(chuàng)新能力

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）12-0086-03

0 引言

基于Z-Stack協(xié)議棧的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸實驗的硬件環(huán)境為UP-MOBNET-A9-II型移動互聯(lián)網(wǎng)教學科研平臺，軟件開發(fā)平臺為IAR Embedded Work?bench for MCS-51 ，實現(xiàn)無線組網(wǎng)及通信的協(xié)議棧是ZStack-2.3.0-1.4.0。本實驗是《無線傳感網(wǎng)絡技術》課程中難度較大的綜合性實驗項目，通過本實驗，可以讓學生理解無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件的構成、具體功能和工作原理，進一步掌握無線傳感網(wǎng)絡軟件集成開發(fā)環(huán)境IAR Embedded Workbench的功能、使用方法和特點。培養(yǎng)他們應用無線傳感網(wǎng)絡開發(fā)平臺的基本技能、工程思維和團隊協(xié)作精神。

在實驗的整體設計方面，考慮到涉及相關知識點的多面性與綜合性，為降低學習難度，采用由基礎實驗到高級實驗，由簡單模塊實驗到復雜系統(tǒng)實驗的遞進式實現(xiàn)方法。先安排兩個前置實驗，傳感器實驗（以溫濕度傳感器為例）和TI CC2530 Z-Stack協(xié)議棧IAR工程配置實驗。前者的主要目的是為了熟悉Zig?Bee（TI CC2530） 模塊相關硬件接口、傳感器（以溫濕度傳感器為例）的工作原理和時序操作；后者的主要目的是為了學生熟悉Z-Stack協(xié)議棧的安裝、結構，掌握Z-Stack協(xié)議棧中SampleApp工程的具體應用流程，以及IEEE802.15.4標準和ZigBee協(xié)議在無線傳感網(wǎng)絡架構中的作用。完成這兩個前置實驗后，再去做難度較高的基于Z-Stack協(xié)議棧的環(huán)境數(shù)據(jù)（以溫濕度傳感器為例）無線傳輸實驗，掌握ZigBee（TI CC2530） 模塊的無線組網(wǎng)、數(shù)據(jù)無線收發(fā)的原理與過程。

1 基于Z-Stack 的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸實驗的兩個前置實驗

1.1 傳感器實驗（以溫濕度傳感器為例）

系統(tǒng)配套的溫濕度傳感器，與ZigBee（TI CC2530） 模塊的A/D 排針相連，這樣我們可以知道，溫濕度傳感器模塊的時鐘線與ZigBee 模塊的P0_0 IO引腳相連，溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)線與P0_1 IO引腳相連[1]。因此，我們要監(jiān)測溫濕度傳感器狀態(tài)，只需要在代碼中對對應的引腳進行輸入輸出控制，從而模擬該傳感器的時序即可。我們在IAR開發(fā)環(huán)境中編譯、運行、調試程序，設置ZigBee（TI CC2530） 模塊的IO的狀態(tài)，不僅模擬溫濕度傳感器的時序，同時將數(shù)據(jù)線的上拉電阻功能打開。其中溫濕度傳感器（UPM-1303 SHT GID=0x08） 的數(shù)值轉換公式為[2]：

Uint16 humi_val = BUILD_UINT16（HUMI_L，HUMI_H）;

Uint16 temp_val = BUILD_UINT16（TEMP_L，TEMP_H）;

Double humi = -4 + 0.0405*humi_val - 2.8*pow（10， -6）*pow（humi_val， 2）;

Double temp = -39.6 + 0.01*temp_val;

采集到溫濕度值后，通過硬件平臺的串口打印方式輸出相應的溫濕度數(shù)據(jù)。將顯示終端（如PC機）的串口與之相連，即可從終端的顯示窗口（如PC機支持的超級終端軟件窗口）觀察到溫濕度數(shù)據(jù)。

1.2 TI CC2530 Z-Stack 協(xié)議棧IAR 工程配置實驗

Z-Stack協(xié)議棧是TI公司基于CC2530芯片推出的、符合IEEE802.15.4標準和ZigBee2007協(xié)議的協(xié)議棧，該協(xié)議棧為用戶提供了能實現(xiàn)各個功能的框架代碼，讓他們在Z-Stack協(xié)議棧的框架上進行修改和補充，即可實現(xiàn)用戶需要的功能。

IEEE802.15.4標準只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊組成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口[3]。而ZigBee協(xié)議定義了網(wǎng)絡層（NWK） 和應用層。ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡層主要提供網(wǎng)絡管理功能。規(guī)范了建立新網(wǎng)絡、設備入網(wǎng)或與網(wǎng)絡斷開的操作。ZigBee協(xié)議在應用層定義了一些組件，主要由APS子層、ZigBee協(xié)議設備對象（ZOD） 和設備商自定義的應用組件組成[4]。

TI CC2530 Z-Stack協(xié)議棧IAR工程配置實驗基于ZigBee（TI CC2530） 模塊，通過Z-Stack 協(xié)議棧IAR 工程的配置過程，可以學習TI Z-Stack協(xié)議棧和實際需要相結合的基本開發(fā)過程。

首先，我們安裝TI CC2530 Z-Stack協(xié)議棧：打開TI CC2530 Z-Stack協(xié)議棧的安裝包，啟動其中的協(xié)議棧安裝程序ZStack-2.3.0-1.4.0.exe，可選擇接收協(xié)議和典型安裝。協(xié)議棧安裝后，會在C盤Texas Instru?ments目錄下新增一個ZStack-2.3.0-1.4.0目錄，其中含有Components、Documents、Projects和Tools等4個文件夾。其中，在Projects 的zstack＼Samples＼Sample?App＼CC2530DB 路徑下，含有一個名為SampleApp 的工程樣例可以作為模板，我們用IAR Embedded Work?bench 打開TI CC2530 Z-Stack 協(xié)議棧安裝目錄中的SampleApp.eww工程，如圖1所示。即可通過進一步的操作了解到協(xié)議棧的目錄結構及相關軟件流程。

在IAR Embedded Workbench 的Workspace 工作區(qū)，我們還可以看到這個SampleApp工程有8種模板可以選擇（見圖2） 。其中CoordinatorEB、RouterEB、EndDeviceEB和DemoEB等4種模板合乎ZigBee 2007 協(xié)議的ZigBee 功能指令集；此外4 種模板CoordinatorEB-Pro、RouterEB-Pro、EndDeviceEB-Pro和DemoEB-Pro合乎ZigBee 2007協(xié)議的ZigBee Pro功能指令集。這8種模板對應的設備類型各不相同。ZigBee標準確定了ZigBee網(wǎng)絡中的三種設備：ZigBee 協(xié)調器、ZigBee路由器和ZigBee終端設備[5]。一個Zig?Bee網(wǎng)絡通常由一個ZigBee協(xié)調器以及多個ZigBee路由器和多個ZigBee終端設備組成。其中，ZigBee協(xié)調器在完成網(wǎng)絡的啟動和配置后，其工作角色即轉化為一個路由器。這是ZigBee 網(wǎng)絡本身的分布特性決定的，因為此時網(wǎng)絡已不再需要協(xié)調器。

可以根據(jù)ZigBee（TI CC2530） 模塊和傳感器等硬件設備的配置情況，展開TI CC2530 Z-Stack協(xié)議棧的工程配置。我們既可以給某個ZigBee（TI CC2530） 模塊下載CoordinatorEB工程，讓它成為協(xié)調器，具備自動組建網(wǎng)絡的功能；也可以給某個ZigBee（TI CC2530） 模塊下載EndDeviceEB 工程，讓它成為終端節(jié)點模塊；還可以給某個ZigBee（TI CC2530） 模塊下載Rou?terEB工程，讓它成為路由模塊。

結合UP-MOBNET-A9-II 型移動互聯(lián)網(wǎng)教學科研平臺的實際配置情況，現(xiàn)做一項較為簡單的入門級的TI CC2530 Z-Stack 協(xié)議棧IAR 工程配置。選擇2 個ZigBee（TI CC2530） 模塊，通過IAR工程的Debug對其中的任意一個下載燒寫協(xié)調器CoordinatorEB工程，對另一個下載燒寫終端節(jié)點EndDeviceEB工程。然后先開啟指定為協(xié)調器的ZigBee（TI CC2530） 模塊，則其會自動組建網(wǎng)絡，并在組網(wǎng)成功時點亮模塊上的綠燈。接著打開指定為終端節(jié)點的ZigBee（TI CC2530） 模塊，其在入網(wǎng)成功時也會點亮模塊上的綠燈。至此，TI CC2530 Z-Stack 協(xié)議棧IAR 工程配置即告完成。

2 基于Z-Stack 協(xié)議棧的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸實驗

為實現(xiàn)基于Z-Stack協(xié)議棧的環(huán)境數(shù)據(jù)的無線傳輸，我們需要ZigBee（TI CC2530） 模塊能夠無線組網(wǎng)和實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。我們繼續(xù)以溫濕度傳感器為例，就是要求協(xié)調器（Coordinator） 能夠自動組網(wǎng)，附帶有溫濕度傳感器的終端節(jié)點（EndDevice） 能夠自動入網(wǎng)，并能夠按照一定周期廣播傳輸采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。

本實驗同前置實驗Z-Stack協(xié)議棧IAR工程配置實驗一樣，也是使用IAR Embedded Workbench 開發(fā)環(huán)境打開ZStack-2.3.0-1.4.0 協(xié)議棧中的源碼例程SampleApp.eww，將其中的工程樣例作為模板。

在溫濕度傳感器狀態(tài)的獲取方面，與前置實驗傳感器實驗（以溫濕度傳感器為例）相比也有提升：在傳感器實驗里面是通過配置TI CC2530 處理器的IO引腳P0_0、P0_1以模擬溫濕度傳感器的時序，進而取得傳感器的狀態(tài)。而本實驗是在終端節(jié)點模塊的函數(shù)中，加入溫濕度采集數(shù)據(jù)，通過AF_DataRequest（）函數(shù)接口發(fā)送給PC計算機串口進行顯示。

在打開SampleApp.eww 工程后，同前置實驗ZStack協(xié)議棧IAR工程配置實驗一樣，先后完成協(xié)調器ZigBee（TI CC2530） 模塊和終端節(jié)點ZigBee（TICC2530） 模塊的編譯和燒寫，然后進行測試。在網(wǎng)絡組建完成后，用串口線把PC 機的串口和ZigBee（TICC2530） 協(xié)調器模塊對應的串口連接起來，調整串口終端設置，即可在超級終端上看到無線傳感網(wǎng)絡終端節(jié)點采集的溫濕度數(shù)據(jù)。為確認顯示的溫濕度數(shù)據(jù)是該終端節(jié)點所采集的，可以通過人為干擾傳感器造成溫濕度數(shù)據(jù)變化進行證明，如圖3所示：當把手指放到終端節(jié)點附帶的溫濕度傳感器上以后，溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)生了明顯的上升。

基于Z-Stack協(xié)議棧的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸有著廣泛的用途，以溫濕度傳感器為例，農業(yè)生產、化學工程、天氣預報、文物保護、大型服務器機房的監(jiān)控，凡此種種都離不開溫濕度的測量與調控。同理，此系統(tǒng)的終端節(jié)點也可附帶其他種類的傳感器，譬如廣譜氣體傳感器、熱釋紅外傳感器、三軸加速度傳感器、壓力傳感器、紅外對射傳感器，等。同時，類似于本實驗的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)具有低復雜度、低功耗、低成本、短時延、網(wǎng)絡容量大、運行穩(wěn)定等特點。所有這些充分表明無線傳感網(wǎng)絡技術有著廣泛的應用前景。

3 結束語

基于Z-Stack協(xié)議棧的環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳輸實驗是《無線傳感網(wǎng)絡技術》實驗環(huán)節(jié)中的一個綜合設計類實驗項目，也是實驗環(huán)節(jié)中的一個重點和難點。要求學生進一步掌握IAR開發(fā)環(huán)境下的程序設計，通過IAR開發(fā)環(huán)境編程，實現(xiàn)基于Z-Stack協(xié)議棧的無線傳感器的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸，即協(xié)調器自動組網(wǎng)，終端節(jié)點自動入網(wǎng)。掌握ZigBee（TI CC2530） 模塊無線組網(wǎng)的原理及過程，利用ZigBee（TI CC2530） 模塊的IO口來監(jiān)測溫濕度傳感器（也可以是前述的其他傳感器）的狀態(tài)，并通過串口把檢測到的數(shù)據(jù)打印到顯示終端上。

通過本實驗項目可以培養(yǎng)學生自身的軟件工程管理能力，能夠對ZigBee（TI CC2530） 節(jié)點模塊和各種環(huán)境傳感器進行管理，同時學習和深刻理解Z-Stack 協(xié)議棧的豐富內容，加深對Z-Stack協(xié)議棧底層邏輯的理解。該實驗項目被安排在整個實驗周期的中間，符合循序漸進的專業(yè)學習路徑。相關實驗課基本包含“講、練、思、創(chuàng)”四個方面的內容。

講，是對實驗項目相關知識點的梳理和講解。如Z-Stack 協(xié)議棧的底層邏輯，ZigBee（TI CC2530） 模塊無線組網(wǎng)的原理及過程，常用的幾類環(huán)境傳感器的驅動接口等。

練，讓學生們放開手腳嘗試實現(xiàn)實驗項目。讓每個學生都加到小組之中，動腦思考、動口交流、動手實施，充分參加到實驗之中。只有通過一定的摸索和試錯，才有可能真正熟悉和掌握整個項目實現(xiàn)的軟硬件條件、SampleApp工程的架構等。才有可能讓他們充分了解到無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)的配置過程、各種不同外設的設置與調用方法。

思，提出若干問題或設想供學生思考并驗證。以實驗目的為指導，引導他們掌握相關實驗由易到難的迭代過程。研讀和思考Z-Stack協(xié)議棧中的Sample?App工程樣例，探討協(xié)調器自動組網(wǎng)和終端節(jié)點設備自動入網(wǎng)功能是如何實現(xiàn)的；以及發(fā)送periodic信息的流程，特別是Periodic消息是如何在ZigBee組網(wǎng)成功后，通過開啟定時器來推送周期信息的。

創(chuàng)，指導學生通過舉一反三，去創(chuàng)造新的實驗結果。如嘗試對實驗平臺上的其他傳感器（如廣譜氣體傳感器、紅外對射傳感器、磁場強度傳感器、壓力傳感器和三軸加速度傳感器，等）采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進行無線傳輸。此一階段主要是協(xié)助一些能力較強的學生，對他們予以指導和鼓勵，甚至在時間允許的情況下，讓一兩位做得比較好的學生上臺分享他們的思路和編程技巧。

本實驗項目通過軟硬件協(xié)同的綜合性設計，有利于培養(yǎng)學生對專業(yè)知識的綜合運用能力、創(chuàng)新意識和實踐能力，也有利于他們創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。通過課程內容的遞進式設計、實驗過程的互動和自主設計實驗的創(chuàng)新引領，延伸了學生的認識和思維過程、引導和發(fā)展了學生的創(chuàng)新能力。