论文部分内容阅读
【摘 要】本文在Z-Stack协议的基础上采用以 CC2530 芯片为核心，构建一个无线传感网络。通过各终端利用自带的 A/D 转化器采集温度数据并通过网络汇聚到协调器，最终在PC机上显示各节点数据和网络拓扑结构。本实验实现了ZigBee网络的通信并验证了无线传感器网络的自组织、自愈、多跳的特性。
【关键词】Z-Stack协议栈 无线传感器网络 ZigBee CC2530
无线传感器网络是由大量体积小，成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的，各传感器节点被布置在整个观测区域中，它们通过无线通信方式形成多跳、自组织网络系统，ZigBee作为一种专注于低功耗、低速率的无线网络通信标准，被广泛应用于WSN如智能抄表、家庭控制、医疗监护和环境检测等。本文主要介绍了基于Z-Stack协议栈的WSN建立过程，通过组建不同的网络拓扑结构，以温度采集为例，来剖析基于Z-Stack协议栈的应用开发流程。
一、 Z-Stack协议栈的分析
（一）总体软件框架
Z_Stack协议栈主要由Zigbee协议、操作系统抽象层（OSAL）和硬件抽象层（HAL）等各层组成。Z_Stack协议栈总体框架如图1所示。HAL层提供了I/O，ADC，SPI等丰富的API接口；OSAL层负责管理系统的任务调度，整个调度采用轮询机制，采用优先级控制管理任务，其主要作用是隔离硬件系统和协议栈，因此用户可以大大缩短开发周期，即可在未知硬件平台细节的基础上，就可以利用OSAL提供的丰富工具实现各种功能 [4]。Z_Stack协议从main（）函数开始启动，main（）函数按模块划分共执行了2个任务：第一个是系统软硬件初始化，第二个是执行轮转查询式操作系统，进入死循环状态。
（二）任务调度流程
Z_Stack的任务管理主要由OSAL层完成。在系统运行时，OSAL调用 osal_run_system（ ）函数开始执行任务调度主循环，由代码结构得出，在OSAL中是通过tsakEvents[idx]任务事件来判断事件发生是的。在OSAL初始化时，tsakEvents数组被初始化为零，在轮询机制下，一旦系统中产生任务，就调用osal_set_event（ ）函数把tsakEvents[taskID]赋值为对应的事件。不同的任务对应不同的taskID， tsakEvents数组表示了系统中哪些任务存在没有处理的事件，然后就会调用相应的任务处理对应的事件。
（三）处理任务事件
协议栈通过调用ApplicationName_ProcessEvent函数（可自定义）来处理任务事件，除了强制的事件之外，任一OSAL任务能被定义多达15个任务事件[5]。例如当检测到节点成功加入构建的网络以后，ZDO就会向在应用程序框架中注册过的任务发送一个设备状态改变的消息，其状态指示了当前网络的状态。因此任务事件管理者只要根据系统信息处理事件（比如AF_INCOMING_MSG_CMD），就可以完成相应的应用功能。
二、WSN系统软件设计
（一）协调器启动及构建网络
ZigBee网络的构建是由网络协调器来完成的，且每个网络只有一个协调器。当协调器节点上电启动之后，首先完成系统的初始化，包括初始化系统时钟、检测芯片电压、falsh存储器、端口描述符等，然后进入操作系统。首先进入的是应用层任务函数，通过按键来设置其为协调器，然后将设备类型ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR写入至非易失性存储器NV中，系统重启。重启之后系统执行zb_StartRequest（ ）函数来初始化ZDO设备函数ZDOInitDevice（ ）。至此整个网络构建开始执行，通过ZDO层中的网络初始化函数ZDApp_NetworkInit（）以及预设的网络通道和ID号，调用网络形成函数NLME_NetworkFormationRequest（ ）来构建整个网络。
（二）路由器启动及加入网络
在测试网络拓扑结构中，本文加入了路由器节点，路由器采用自启动模式，在网络初始化时，调用NLME_NetworkDiscoveryRequest（ ）函数来发现网络，然后等待协调器的响应，直至加入网络成功。为了在PC上实时显示路由器节点（即使没有充当路由功能），通过定时器来调用 osal_set_event（ TaskID， REPORT_EVT ）函数，当系统收到MY_REPORT_EVT事件后，将会触发osal_start_timerEx（ TaskID， REPORT_EVT， Report_MyPeriod ）函数，该函数将会周期性的发送路由器节点信息至协调器。
（三）终端节点加入网路、绑定操作和发送数据
当打开传感器终端节点的电源，传感器节点便会自动搜索是否存在网络，若发现存在网络的话，调用NLME_JionRequest（ ）函数，向协调器发送加入网络请求。另外终端与协调器之间需通过绑定才能完成传输，绑定是一种两个应用设备之间信息传输的控制机制。首先协调器在启动时通过执行zb_AllowBind（ ）函数，开启允许绑定功能。这里默认设置绑定时间为无限等待，一旦终端节点发出绑定请求函数zb_BindDevice（ ），协调器节点就会响应绑定，完成绑定操作。最后通过调用osal_set_event（ ）函数来触发数据发送事件，并在每次发送完以后调用osal_start_timerEx（ ）函数来周期性发送采集的数据。
三、实验测试
本系统采用4个自行设计的CC2330开发板作为传感器节点，组成传感器网络，测试数据由片内自带的温度传感器提供。
（一）星型网络
通过修改Z_Stack协议栈nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID值，使其为GENERIC_STAR，在编译环境中关闭一些宏（比如LCD_SUPPORT_ED），并编写温度采集程序，协调器以一定的数据格式往串口发送数据。将协调器的串口与PC连接起来，启动ZigBee Sensor Monitor上位机软件。开启目标板电源，重启目标板电源，开启路由器节点电源，按下S2键，路由器开始向协调器发送报告。开启终端节点电源，直至LED1开始闪烁，表面节点以加入网络，按下S3键，终端节点开始向协调器发送报告。如图1所示是星型网络组网通讯实验结果。
（二）树型网络
修改Z_Stack协议栈nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID值，使其为GENERIC_TREE，重新编译下载至各个传感器节点。依次打开协调器、路由器、终端器电源，待组网成功后，可以看到如图2所示的树型网络拓扑结构。通过移动终端节点，可以看到网络拓扑结构发生了相应的变化。
综上，本文从应用方面着手，简明概要地介绍了ZigBee协议栈的体系结构，采用TI公司的Z_Stack协议栈，以CC2530芯片为核心构建了一个基于Z_Stack协议栈的无线传感器网络。它可以大大减轻开发人员的而负担，加快开发进度；同时其开源免费的特点降低了成本，可用于智能家居，环境监测等领域。
参考文献：
[1] 高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[2] 钟永锋，刘永俊.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.
[3] 瞿雷，劉盛德.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
【关键词】Z-Stack协议栈 无线传感器网络 ZigBee CC2530
无线传感器网络是由大量体积小，成本低，具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器节点组成的，各传感器节点被布置在整个观测区域中，它们通过无线通信方式形成多跳、自组织网络系统，ZigBee作为一种专注于低功耗、低速率的无线网络通信标准，被广泛应用于WSN如智能抄表、家庭控制、医疗监护和环境检测等。本文主要介绍了基于Z-Stack协议栈的WSN建立过程，通过组建不同的网络拓扑结构，以温度采集为例，来剖析基于Z-Stack协议栈的应用开发流程。
一、 Z-Stack协议栈的分析
（一）总体软件框架
Z_Stack协议栈主要由Zigbee协议、操作系统抽象层（OSAL）和硬件抽象层（HAL）等各层组成。Z_Stack协议栈总体框架如图1所示。HAL层提供了I/O，ADC，SPI等丰富的API接口；OSAL层负责管理系统的任务调度，整个调度采用轮询机制，采用优先级控制管理任务，其主要作用是隔离硬件系统和协议栈，因此用户可以大大缩短开发周期，即可在未知硬件平台细节的基础上，就可以利用OSAL提供的丰富工具实现各种功能 [4]。Z_Stack协议从main（）函数开始启动，main（）函数按模块划分共执行了2个任务：第一个是系统软硬件初始化，第二个是执行轮转查询式操作系统，进入死循环状态。
（二）任务调度流程
Z_Stack的任务管理主要由OSAL层完成。在系统运行时，OSAL调用 osal_run_system（ ）函数开始执行任务调度主循环，由代码结构得出，在OSAL中是通过tsakEvents[idx]任务事件来判断事件发生是的。在OSAL初始化时，tsakEvents数组被初始化为零，在轮询机制下，一旦系统中产生任务，就调用osal_set_event（ ）函数把tsakEvents[taskID]赋值为对应的事件。不同的任务对应不同的taskID， tsakEvents数组表示了系统中哪些任务存在没有处理的事件，然后就会调用相应的任务处理对应的事件。
（三）处理任务事件
协议栈通过调用ApplicationName_ProcessEvent函数（可自定义）来处理任务事件，除了强制的事件之外，任一OSAL任务能被定义多达15个任务事件[5]。例如当检测到节点成功加入构建的网络以后，ZDO就会向在应用程序框架中注册过的任务发送一个设备状态改变的消息，其状态指示了当前网络的状态。因此任务事件管理者只要根据系统信息处理事件（比如AF_INCOMING_MSG_CMD），就可以完成相应的应用功能。
二、WSN系统软件设计
（一）协调器启动及构建网络
ZigBee网络的构建是由网络协调器来完成的，且每个网络只有一个协调器。当协调器节点上电启动之后，首先完成系统的初始化，包括初始化系统时钟、检测芯片电压、falsh存储器、端口描述符等，然后进入操作系统。首先进入的是应用层任务函数，通过按键来设置其为协调器，然后将设备类型ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR写入至非易失性存储器NV中，系统重启。重启之后系统执行zb_StartRequest（ ）函数来初始化ZDO设备函数ZDOInitDevice（ ）。至此整个网络构建开始执行，通过ZDO层中的网络初始化函数ZDApp_NetworkInit（）以及预设的网络通道和ID号，调用网络形成函数NLME_NetworkFormationRequest（ ）来构建整个网络。
（二）路由器启动及加入网络
在测试网络拓扑结构中，本文加入了路由器节点，路由器采用自启动模式，在网络初始化时，调用NLME_NetworkDiscoveryRequest（ ）函数来发现网络，然后等待协调器的响应，直至加入网络成功。为了在PC上实时显示路由器节点（即使没有充当路由功能），通过定时器来调用 osal_set_event（ TaskID， REPORT_EVT ）函数，当系统收到MY_REPORT_EVT事件后，将会触发osal_start_timerEx（ TaskID， REPORT_EVT， Report_MyPeriod ）函数，该函数将会周期性的发送路由器节点信息至协调器。
（三）终端节点加入网路、绑定操作和发送数据
当打开传感器终端节点的电源，传感器节点便会自动搜索是否存在网络，若发现存在网络的话，调用NLME_JionRequest（ ）函数，向协调器发送加入网络请求。另外终端与协调器之间需通过绑定才能完成传输，绑定是一种两个应用设备之间信息传输的控制机制。首先协调器在启动时通过执行zb_AllowBind（ ）函数，开启允许绑定功能。这里默认设置绑定时间为无限等待，一旦终端节点发出绑定请求函数zb_BindDevice（ ），协调器节点就会响应绑定，完成绑定操作。最后通过调用osal_set_event（ ）函数来触发数据发送事件，并在每次发送完以后调用osal_start_timerEx（ ）函数来周期性发送采集的数据。
三、实验测试
本系统采用4个自行设计的CC2330开发板作为传感器节点，组成传感器网络，测试数据由片内自带的温度传感器提供。
（一）星型网络
通过修改Z_Stack协议栈nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID值，使其为GENERIC_STAR，在编译环境中关闭一些宏（比如LCD_SUPPORT_ED），并编写温度采集程序，协调器以一定的数据格式往串口发送数据。将协调器的串口与PC连接起来，启动ZigBee Sensor Monitor上位机软件。开启目标板电源，重启目标板电源，开启路由器节点电源，按下S2键，路由器开始向协调器发送报告。开启终端节点电源，直至LED1开始闪烁，表面节点以加入网络，按下S3键，终端节点开始向协调器发送报告。如图1所示是星型网络组网通讯实验结果。
（二）树型网络
修改Z_Stack协议栈nwk_globals.h中的STACK_PROFILE_ID值，使其为GENERIC_TREE，重新编译下载至各个传感器节点。依次打开协调器、路由器、终端器电源，待组网成功后，可以看到如图2所示的树型网络拓扑结构。通过移动终端节点，可以看到网络拓扑结构发生了相应的变化。
综上，本文从应用方面着手，简明概要地介绍了ZigBee协议栈的体系结构，采用TI公司的Z_Stack协议栈，以CC2530芯片为核心构建了一个基于Z_Stack协议栈的无线传感器网络。它可以大大减轻开发人员的而负担，加快开发进度；同时其开源免费的特点降低了成本，可用于智能家居，环境监测等领域。
参考文献：
[1] 高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.
[2] 钟永锋，刘永俊.ZigBee无线传感器网络[M].北京：北京邮电大学出版社，2011.
[3] 瞿雷，劉盛德.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.