【摘 要】本文在Z-Stack協(xié)議的基礎(chǔ)上采用以 CC2530 芯片為核心，構(gòu)建一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)。通過各終端利用自帶的 A/D 轉(zhuǎn)化器采集溫度數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)絡(luò)匯聚到協(xié)調(diào)器，最終在PC機上顯示各節(jié)點數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本實驗實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信并驗證了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈、多跳的特性。

【關(guān)鍵詞】Z-Stack協(xié)議棧 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ZigBee CC2530

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小，成本低，具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的傳感器節(jié)點組成的，各傳感器節(jié)點被布置在整個觀測區(qū)域中，它們通過無線通信方式形成多跳、自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，ZigBee作為一種專注于低功耗、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，被廣泛應(yīng)用于WSN如智能抄表、家庭控制、醫(yī)療監(jiān)護和環(huán)境檢測等。本文主要介紹了基于Z-Stack協(xié)議棧的WSN建立過程，通過組建不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以溫度采集為例，來剖析基于Z-Stack協(xié)議棧的應(yīng)用開發(fā)流程。

一、 Z-Stack協(xié)議棧的分析

（一）總體軟件框架

Z_Stack協(xié)議棧主要由Zigbee協(xié)議、操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）和硬件抽象層（HAL）等各層組成。Z_Stack協(xié)議棧總體框架如圖1所示。HAL層提供了I/O，ADC，SPI等豐富的API接口；OSAL層負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，整個調(diào)度采用輪詢機制，采用優(yōu)先級控制管理任務(wù)，其主要作用是隔離硬件系統(tǒng)和協(xié)議棧，因此用戶可以大大縮短開發(fā)周期，即可在未知硬件平臺細(xì)節(jié)的基礎(chǔ)上，就可以利用OSAL提供的豐富工具實現(xiàn)各種功能 [4]。Z_Stack協(xié)議從main（）函數(shù)開始啟動，main（）函數(shù)按模塊劃分共執(zhí)行了2個任務(wù)：第一個是系統(tǒng)軟硬件初始化，第二個是執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，進入死循環(huán)狀態(tài)。

（二）任務(wù)調(diào)度流程

Z_Stack的任務(wù)管理主要由OSAL層完成。在系統(tǒng)運行時，OSAL調(diào)用 osal_run_system（ ）函數(shù)開始執(zhí)行任務(wù)調(diào)度主循環(huán)，由代碼結(jié)構(gòu)得出，在OSAL中是通過tsakEvents[idx]任務(wù)事件來判斷事件發(fā)生是的。在OSAL初始化時，tsakEvents數(shù)組被初始化為零，在輪詢機制下，一旦系統(tǒng)中產(chǎn)生任務(wù)，就調(diào)用osal_set_event（ ）函數(shù)把tsakEvents[taskID]賦值為對應(yīng)的事件。不同的任務(wù)對應(yīng)不同的taskID， tsakEvents數(shù)組表示了系統(tǒng)中哪些任務(wù)存在沒有處理的事件，然后就會調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理對應(yīng)的事件。

（三）處理任務(wù)事件

協(xié)議棧通過調(diào)用ApplicationName_ProcessEvent函數(shù)（可自定義）來處理任務(wù)事件，除了強制的事件之外，任一OSAL任務(wù)能被定義多達15個任務(wù)事件[5]。例如當(dāng)檢測到節(jié)點成功加入構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)以后，ZDO就會向在應(yīng)用程序框架中注冊過的任務(wù)發(fā)送一個設(shè)備狀態(tài)改變的消息，其狀態(tài)指示了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。因此任務(wù)事件管理者只要根據(jù)系統(tǒng)信息處理事件（比如AF_INCOMING_MSG_CMD），就可以完成相應(yīng)的應(yīng)用功能。

二、WSN系統(tǒng)軟件設(shè)計

（一）協(xié)調(diào)器啟動及構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器來完成的，且每個網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點上電啟動之后，首先完成系統(tǒng)的初始化，包括初始化系統(tǒng)時鐘、檢測芯片電壓、falsh存儲器、端口描述符等，然后進入操作系統(tǒng)。首先進入的是應(yīng)用層任務(wù)函數(shù)，通過按鍵來設(shè)置其為協(xié)調(diào)器，然后將設(shè)備類型ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR寫入至非易失性存儲器NV中，系統(tǒng)重啟。重啟之后系統(tǒng)執(zhí)行zb_StartRequest（ ）函數(shù)來初始化ZDO設(shè)備函數(shù)ZDOInitDevice（ ）。至此整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建開始執(zhí)行，通過ZDO層中的網(wǎng)絡(luò)初始化函數(shù)ZDApp_NetworkInit（）以及預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)通道和ID號，調(diào)用網(wǎng)絡(luò)形成函數(shù)NLME_NetworkFormationRequest（ ）來構(gòu)建整個網(wǎng)絡(luò)。

（二）路由器啟動及加入網(wǎng)絡(luò)

在測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，本文加入了路由器節(jié)點，路由器采用自啟動模式，在網(wǎng)絡(luò)初始化時，調(diào)用NLME_NetworkDiscoveryRequest（ ）函數(shù)來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，然后等待協(xié)調(diào)器的響應(yīng)，直至加入網(wǎng)絡(luò)成功。為了在PC上實時顯示路由器節(jié)點（即使沒有充當(dāng)路由功能），通過定時器來調(diào)用 osal_set_event（ TaskID， REPORT_EVT ）函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)收到MY_REPORT_EVT事件后，將會觸發(fā)osal_start_timerEx（ TaskID， REPORT_EVT， Report_MyPeriod ）函數(shù)，該函數(shù)將會周期性的發(fā)送路由器節(jié)點信息至協(xié)調(diào)器。

（三）終端節(jié)點加入網(wǎng)路、綁定操作和發(fā)送數(shù)據(jù)

當(dāng)打開傳感器終端節(jié)點的電源，傳感器節(jié)點便會自動搜索是否存在網(wǎng)絡(luò)，若發(fā)現(xiàn)存在網(wǎng)絡(luò)的話，調(diào)用NLME_JionRequest（ ）函數(shù)，向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求。另外終端與協(xié)調(diào)器之間需通過綁定才能完成傳輸，綁定是一種兩個應(yīng)用設(shè)備之間信息傳輸?shù)目刂茩C制。首先協(xié)調(diào)器在啟動時通過執(zhí)行zb_AllowBind（ ）函數(shù)，開啟允許綁定功能。這里默認(rèn)設(shè)置綁定時間為無限等待，一旦終端節(jié)點發(fā)出綁定請求函數(shù)zb_BindDevice（ ），協(xié)調(diào)器節(jié)點就會響應(yīng)綁定，完成綁定操作。最后通過調(diào)用osal_set_event（ ）函數(shù)來觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送事件，并在每次發(fā)送完以后調(diào)用osal_start_timerEx（ ）函數(shù)來周期性發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。

三、實驗測試

本系統(tǒng)采用4個自行設(shè)計的CC2330開發(fā)板作為傳感器節(jié)點，組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，測試數(shù)據(jù)由片內(nèi)自帶的溫度傳感器提供。

（一）星型網(wǎng)絡(luò)

通過修改Z_Stack協(xié)議棧nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID值，使其為GENERIC_STAR，在編譯環(huán)境中關(guān)閉一些宏（比如LCD_SUPPORT_ED），并編寫溫度采集程序，協(xié)調(diào)器以一定的數(shù)據(jù)格式往串口發(fā)送數(shù)據(jù)。將協(xié)調(diào)器的串口與PC連接起來，啟動ZigBee Sensor Monitor上位機軟件。開啟目標(biāo)板電源，重啟目標(biāo)板電源，開啟路由器節(jié)點電源，按下S2鍵，路由器開始向協(xié)調(diào)器發(fā)送報告。開啟終端節(jié)點電源，直至LED1開始閃爍，表面節(jié)點以加入網(wǎng)絡(luò)，按下S3鍵，終端節(jié)點開始向協(xié)調(diào)器發(fā)送報告。如圖1所示是星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通訊實驗結(jié)果。

（二）樹型網(wǎng)絡(luò)

修改Z_Stack協(xié)議棧nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID值，使其為GENERIC_TREE，重新編譯下載至各個傳感器節(jié)點。依次打開協(xié)調(diào)器、路由器、終端器電源，待組網(wǎng)成功后，可以看到如圖2所示的樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通過移動終端節(jié)點，可以看到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了相應(yīng)的變化。

綜上，本文從應(yīng)用方面著手，簡明概要地介紹了ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)，采用TI公司的Z_Stack協(xié)議棧，以CC2530芯片為核心構(gòu)建了一個基于Z_Stack協(xié)議棧的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它可以大大減輕開發(fā)人員的而負(fù)擔(dān)，加快開發(fā)進度；同時其開源免費的特點降低了成本，可用于智能家居，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

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