综合OSAL的ZigBee协议栈设计

郑海杰，宋开新

(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)



综合OSAL的ZigBee协议栈设计

郑海杰，宋开新

(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所，浙江 杭州 310018)

摘要：介绍了在IEEE802.15.4协议标准和ZigBee协议栈架构的基础上，结合OSAL事件轮询机制和多任务处理机制的ZigBee协议栈设计。将触发事件与事件处理函数形成映射，由操作系统抽象层OSAL进行管理，实现任务调度和处理、数据发送和接收。实验结果表明，该ZigBee协议栈能建立稳定的星型网络拓扑结构，数据在网络中能正确发送和接收。

关键词：无线通信；操作系统抽象层；无线射频；星型网络拓扑结构

0引言

ZigBee无线通信技术具有低速率、低功耗及高传输可靠性等特点，在工业控制领域和智能家庭网络中有着重要应用。目前国内对ZigBee技术的研究偏向应用层面[1]，国内无线射频芯片技术的落后束缚着ZigBee协议栈的自主研发，而国外掌握着传感网和基础芯片的核心技术，开始物联网业务的大力发展，也形成了较完善的商业模式。由于ZigBee协议栈的实现目前没有统一标准，存在效率低，组网速度慢等缺点。本文提出将操作系统抽象层(Operating System Abstraction Layer，OSAL)嵌入到ZigBee协议栈中，OSAL事件轮询机制能有效地分配传输过程中的事件处理资源，提高传输效率并能快速建立网络。

1OSAL原理

OSAL较之于标准的操作系统，有着更低的功耗和系统开销，这使得在资源不多的MCU上也可以用OSAL实现任务切换，内存管理等功能[2]。

图1　OSAL任务表和函数表映射关系

2ZigBee协议栈设计

ZibBee协议栈采用分层的方式来实现[4]，分别为物理层、媒体访问控制层、网络层和应用层，其中应用层还包含应用程序支持子层、应用程序框架层和ZDO设备对象。不同层负责不同的功能，数据仅在相邻的层之间传递。ZigBee协议栈的构成如图2所示。

图2　ZigBee协议栈结构图

2.1　物理层和MAC层设计与实现

FREQCTRL.FREQ=11+5(k-11)k∈(11,26)

(1)

媒体接入控制层(MAC层)在网络层和物理层之间，主要有协调器信标发送、支持PAN链路连接断开、CSMA-CA信道接入等功能[6]。MAC层采用超帧来描述信道接入资源的结构，并采用时隙CSMA-CA算法和主动扫描。在信标网络中，超帧被划为16个时隙，第一个时隙为信标帧，CCA在退避周期的边界处开始执行，节点的退避时间以时隙为单位。在时隙CSMA-CA算法中，如果节点经过4次信道忙碌退避后仍然无法接入信道，则放弃数据传送。在启动和建立一个PAN网络过程中，协调器会从低到高扫描信道序号，选择一个合适的信道和PAN标识符，可以用MLME-SCAN.request原语来实现信道扫描。

2.2　网络层的设计与实现

网络层提供两类服务，分别是网络层数据服务和网络层管理服务[7]。前者负责数据的发送和接收，后者负责网络层管理和维护，包括网络的创建和发现，设备加入和退出网络。ZigBee网络是由协调器发起，协调器扫描信道并选择在最佳的空闲信道上创建网络，其默认的网络地址是0x0000。建立网络后，路由设备及终端节点会根据PANID加入到指定网路或者加入到最先扫描到的网络中，并获得16位的网络地址。网络层的分布式地址分配机制由以下算法实现。网络最大深度(Lmax)、父节点拥有的子节点最大数目(Cmax)以及父节点拥有路由器最大数目(Rmax)这3个参数决定了整个网络的地址分配[8]。

根据以下公式计算某父节点的路由子设备之间的地址间隔Cskip(d)：

(2)

Aparent父节点分配的第n个路由器地址Arn为：

Arn=Aparent+(n-1)Cskip(d)+1

(3)

Aparent父设备分配的第n个终端节点网络地址An公式为：

An=Aparent+Cskip(d)Rmax+n

(4)

网络地址使数据可以定向传播，网络层可以实现广播(Broadcast)、单播(Unicast)和组播(Multicast)3种数据通信方式。通过设置afAddrType_t类型的结构体中的afAddrMode_t类型的变量的值来选定通信方式。

当addrMode=AddrBroadcast时，为广播方式发送数据；addrMode=AddrGroup时，为组播方式发送数据；addrMode=Addr16 Bit时，为单播方式发送数据；不同的通信方式以满足不同的网络需要选择。

3OSAL与ZigBee协议栈结合

ZigBee协议栈要实现多任务运行，需要OSAL提供的API来支持。OSAL提供了8类API，涵盖消息管理、任务管理和同步、中断管理等功能。Zigbee协议栈首先调用osal_init_system()完成各层的初始化，并完成协调器建立网络，终端加入网络的工作。初始化完系统任务事件后，进入osal_start_system()启动事件轮询访问。协议栈组网流程如图3所示。

从osal_start_system()开始，ZigBee协议栈才真正启动。Hal_ProcessPoll()函数会将dmaCfg.uartCB函数注册成为UserApp_CallBack，每次循环会对串口的内容进行查询。DMA中接收到了数据，此时tasksEvents[idx]中的事件发生，调用HalUARTRead将DMA数据读至数据buffer并通过 AF_DataRequest函数将数据发送出去。

图3　协调器组网终端设备加入网络流程图

4实验结果

应用IAR Embedded Workbench IDE来编译及调试协议栈代码，在工作空间中选择Coordinator编译成协调器的可执行文件，相应的选择EndDevice编译成终端节点的可执行文件。本实验采用CC2530射频MCU作为硬件平台，3个终端节点与协调器组成星型拓扑网络结构。通过AccessPort观察数据发送和接收，如图4所示，并通过Packet Sniffer来抓取ZigBee协议栈的数据包结构，如图5所示。测试结果如下：

图4 AccessPort中数据接收

1)本文设计的协议栈实现了在IAR workspace中协调器、路由器和终端节点3种网络设备代码的编译；

2)协议栈提供节能控制，终端设备在完成任务后就进入休眠模式，直到有下一个任务触发信号，设备才被唤醒。休眠时的电流仅为几个mA；

4)AccessPort观察数据接收的数据正确率高。终端节点响应时间仅为300 μs左右；

5)Packet Sniffer抓取的ZigBee数据包结构显示源网络地址与目的网络地址符合NWK层的节点网络地址分配机制。其中NWK Scr.Address为0x0000，即协调器的网络地址。

图5　Packet Sniffer 抓取MAC层、NWK层数据包

5结束语

本文提出了结合OSAL的ZigBee协议栈设计，选择2.4 GHz作为通信频段，采用时隙CSMA-CA防止信道冲突。代码量小，节省内存资源；可靠性高，功耗低。在此协议栈的基础上，应用层的开发变得灵活，使原本单任务的ZigBee协议栈实现了多任务的调度的功能，对物联网及ZigBee技术有着重要的意义。

参考文献

[1]朱洪波,杨龙祥,朱琦.物联网技术进展与应用[J].南京邮电大学学报(自然科学版),2011,31(1):1-9.

[2]李春喜.物联网ZigBee协议栈MAC层的研究与实现[D].广州:华南理工大学,2012:10-22.

[3]王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安:西安电子科技大学,2012:34-39.

[4]蔡文晶,秦会斌.基于ZigBee精简协议的无线数据采集系统[J].机电工程，2011,28(2):224-226.

[5]王小强,欧阳俊,黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现[M].北京:化学工业出版社,2012:103-112.

[6]敖志刚.智能家庭网络及其控制技术[M].北京:人民邮电出版社,2011:57-63.

[7]Liu W,Yan Y.Application of ZigBee wireless sensor network in smart home system[J].International Journal of Advancements in Computing Technology,2011,3(5):56-58.

[8]Wang J.Zigbee light link and its applicationss[J].Wireless Communication,IEEE,2013,20(4):6-7.

Design of ZigBee Protocol Stack Combine with OSAL

Zheng Haijie，Song Kaixin

(InstituteofNewElectronicDevicesandApplications，HangzhouDianziUniversity，HangzhouZhejiang310018，China)

Abstract：This paper presents a design of ZigBee protocol stack which combines with events-polling mechanism and multitasking mechanism of OSAL on the base of IEEE802.15.4 protocol and ZigBee protocol framework.This wireless communication stack maps trigger events to event-handlers and it’s managed by OSAL to realize dispatching and disposing of tasks，sending and receiving of data.The results indicate this ZigBee protocol stack can build a stable star network and data’s sending and receiving is correctly in the network.

Key words：wireless communication；operating system abstraction layer；radio frequency identification；star network

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

文章编号：1001-9146(2015)06-0032-04

通信作者:

作者简介：郑海杰(1989-)，男，浙江宁波人，在读研究生，微电子与固体电子学.宋开新副教授,E-mail：kxsong@hdu.edu.cn.

收稿日期：2014-11-05

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2015.06.007