基于Zstack的点对点通信研究

刘顺勇，温 怀，赵 丽

(重庆邮电大学 自动化学院，重庆 400065)

Zigbee技术是一种无线通信技术。Zigbee采用IEEE802.15.4标准，利用2.4GHz波段进行通信，具有低功耗、低成本、网络容量大等特点。ZigBee的目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域。本文通过对Zigbee协议的解析，介绍基于zigbee协议栈(Zstack)的点对点通信，并通过硬件和软件设计来实现Zstack的点对点通信。

1 相关概念

ZigBee协议栈(Zstack)结构如图1所示，包括高层应用规范、应用支持子层、网络层、媒体接入层和物理层。

图1 zigbee协议栈

Zigbee网络中的设备按功能划分为三类逻辑模型：协调器(Coordinator)，路由器(Router)，终端设备(End Device)。这三种设备类型可以在编译器IAR EW中进行相应选择，程序下载到相应的设备中即可实现相应的设备类型[1]。

1.1 协调器(Coordinator)

协调器主要功能是启动和配置IEEE802.15.4/ZigBee网络。一个ZigBee网络只能有一个协调器。协调器的角色主要涉及网络的启动和配置，一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器，由于ZigBee网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不再依赖协调器是否存在。

1.2 路由器(Router)

路由器是一种支持关联的设备，将自己关联至协调器或者已在网络的其他路由器，同时允许另外的路由器和终端设备加入网络。主要功能是加入已存在的ZigBee网络，为ZigBee网络通信提供中继和路由。通常，路由器希望是一直处于正常的工作状态，因此它必须使用主电源供电，但是当使用树群这种网络模式时，允许路由器间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。

1.3 终端设备(End Device)

终端设备执行具体的任务，如信息采集等，并使用ZigBee网络实现信息交互。终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以是一个电池供电设备。

ZigBee网络中传输的数据可分为三类：周期性数据，例如传感器网中传输的数据，这一类数据的传输速率根据不同的应用而确定；间歇性数据，例如电灯开关传输的数据，这一类数据的传输速率根据应用或者外部激励而确定；反复性的、反应时间低的数据，例如无线鼠标传输的数据，这一类数据的传输速率是根据时隙分配而确定的。为了降低ZigBee节点的平均功耗，ZigBee节点有激活和睡眠两种状态，只有当两个节点都处于激活状态才能完成数据的传输。在有信标的网络中，ZigBee协调点通过定期地广播信标为网络中的节点提供同步；在无信标的网络中，终端节点定期睡眠，定期醒来，除终端节点以外的节点要保证始终处于激活状态，终端节点醒来后会主动询问它的协调点是否有数据要发送给它。在ZigBee网络中，协调点负责缓存要发送给正在睡眠的节点的数据包。

如图2所示，点对点的通信实质上就是协调器和一个终端节点之间的通信。

图2 点对点通信拓扑图

2 硬件设计

2.1 总体设计

Zigbee无线通信主要由协调器、路由器及终端设备3种节点组成。在网络建立之初，每个网络有且仅有一个协调器节点，主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护功能，也可用来协助建立安全层和应用层的绑定[2]。协调器节点主要由处理器模块、电源管理模块及其各外部接口等组成[3]。协调器主要硬件结构图如图3所示。

图3 协调器节点硬件结构图

2.2 协调器各功能模块介绍

(1)处理器模块。我们采用CC2530作为处理器，它是用于2.4GHz IEEE802.15.4，Zigbee应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程，其中之一版本CC2530F256就结合了zigbee协议栈，提供了一个强大和完整的zigbee解决方案。

图4 CC2530功能引脚图

(2)接口模块。通常情况下，协调器节点接口主要包括串行接口、电源接口及JTAG接口，也可增加USB接口。当硬件设备外接电源无效时，也可采用干电池为硬件系统供电，以保证系统各节点的正常运行。

(3)无线设备。CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器[4]。RF内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得其可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。

(4)电源管理模块。本系统采用外接电源供电，保证系统各节点的正常运行。

3 软件模块设计

对于Zigbee协议栈的点对点通信，主要由网络层来实现，zigbee网络层主要为新加入的节点分配地址并提供路由发现及路由维护等[5]。协调器作为网络的第一个节点设备，主要负责网络的建立及参数配置，该节点设计的开发环境是IAR Embedded WorkBench，采用的协议栈是TI Zstack。

组建网络的两个步骤主要是网络初始化及节点加入网络[6]。网络初始化首先要确定网络协调器，通过主动扫描发送信标请求命令来检测该网络中是否有协调器。如果在扫描期限内没有检测到信标，则将自己作为网络的协调器，并不断地产生信标并广播出去，然后进行信道扫描，对指定的信道或默认的信道进行能量检测以避免可能的干扰，并将那些能量值超过了允许水平的信道丢弃，而后对剩余信道进行主动扫描，以检查区域内有没有其他Zigbee网络存在；完成主动扫描后，即可获得设备所在区域内已有的各Zigbee网络的网络标识符，至此，网络初始化基本完成。

图5 协调器节点工作流程图

节点加入网络可通过两种方式完成：一是由子节点发起的通过关联加入网络；二是由父节点发起的通过已有父节点(协调器或路由器)加入网络。当一个节点希望加入该网络时，首先会进行信道扫描来收索周围是否存在协调器。若在扫描期限内检测到协调器，则向其发送关联请求。协调器收到请求后会回复一个确认帧(ACK)。并向其上层发送连接指示原语。当节点收到协调器的回复帧后，节点的MAC层将等待一段时间，以便接收协调器发出连接响应。如果协调器的地址资源足够，它就会给节点分配一个16位的短地址，并产生包含新连接和连接状态的响应命令。至此，节点将可以成功的和协调器进行连接，并可以开始通信了。这一系列的过程都是通过协议栈各层间原语通信实现的。

4 实例

步骤一：将相应的实验代码程序载到相应的硬件元件上，然后通电。

步骤二：打开终端设备时屏幕会显示 Texas Instruments XXX，这时将下载了协调器程序的Zigbee射频板打开，这时会观察到屏幕也先显示 Texas Instruments XXX，同时相应的LED灯闪烁，当协调器网络建立好之后屏幕会显示ZigBee Coord Network ID: 2222, LED灯由闪烁变为一直亮。此时另外作为终端设备的协调器，LCD屏幕会出现：EndDevice:DFF Parent:0并且与之相关的的LED灯也一直亮。表明两者在同一个网络中了，如图6所示。

图6

步骤三：使用终端设备的U1开关向右拨打一次，拨打完之后会发现协调器和终端设备到的LED灯都点亮了，说明绑定成功了，之后便可以收到Hello World rcvd 其效果如图7所示。

图7

参考文献：

[1]彭澎.计算机网络教程[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]王建平，徐其林，张茂林.基于EPA标准的Zigbee网络构建方法的研究[J].计算机测量与控制，2008,16(1)：121-123.

[3]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的zigbee通信网络的应用设计[J].电子设计工程，2011，(16):108-111.

[4]宋颖.无线个域网问题研究[D].吉林：吉林大学，2008.

[5]杨诚，聂章龙.zigbee网络层协议的分析与设计[J].计算机应用与软件，2009，(12):219-221.

[6]郝晓萌.基于zigbee的无线粮情监测系统中路由协议的研究[D].北京：北京邮电大学，2009.