ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
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Zigbee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離的無線通信，由于具有低功耗、低成本、可擴(kuò)展以及良好的互操作能力等特性，在工業(yè)自動化、建筑自動化以及工業(yè)無線領(lǐng)域占有重要地位[1][2][3]。
ZigBee聯(lián)盟[4]成立于2001年8月，2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司等四大公司加盟ZigBee聯(lián)盟，這一事件成為ZigBee技術(shù)的里程碑。到目前為止，加盟ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)涵蓋IT領(lǐng)域以及其它行業(yè)的200多家企業(yè)，其中還包括來自我國的華為技術(shù)有限公司和中國科學(xué)院沈陽自動化研究所。
2 協(xié)議棧架構(gòu)
Zigbee協(xié)議棧軟件采用C語言編寫，開發(fā)環(huán)境采用AVR Studio4.12，硬件平臺采用的單片機(jī)為Atmega128，射頻模塊采用CC2420。采用的標(biāo)準(zhǔn)是ZigBee 1.0規(guī)范[5], 整個協(xié)議棧軟件采用單線程，考慮到Atmega128內(nèi)部RAM只有4K的空間，因此，各模塊之間采用共享緩沖區(qū)進(jìn)行通信。Zigbee協(xié)議棧軟件的架構(gòu)如圖1所示。
每個模塊具有一個執(zhí)行函數(shù)，用于接收來自底層模塊的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)接收階段，底層模塊將接收到的數(shù)據(jù)幀在本層解析后，將需要向上層模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)存放在共享的接收緩沖區(qū)，同時通過全局變量的形式向上層模塊提供指示原語；在上層模塊的執(zhí)行函數(shù)中，首先通過判斷來自底層模塊的指示原語確定是否存在來自其它節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，如果存在則解析并處理，同時將需要傳遞給更高模塊的數(shù)據(jù)放入接收緩沖區(qū)，同樣通過指示原語通知更高層模塊。
圖1 Zigbee協(xié)議棧軟件架構(gòu)
3 網(wǎng)絡(luò)層的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
網(wǎng)絡(luò)層通過兩個服務(wù)實(shí)體分別提供兩類服務(wù)，它們分別是網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)。1)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體：提供數(shù)據(jù)服務(wù)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收；2)管理服務(wù)實(shí)體：提供管理服務(wù)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層的管理和維護(hù)，包括網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建，設(shè)備的加入和離開以及路由的創(chuàng)建與維護(hù)。
3.1 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收
網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，接收處理模塊負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，發(fā)送處理模塊負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)接收和發(fā)送處理模塊的功能和工作流程如下：
1)數(shù)據(jù)接收處理模塊
接收處理模塊負(fù)責(zé)從下層接收數(shù)據(jù)，解析報文的網(wǎng)絡(luò)層頭部，分情況做相應(yīng)的處理：如果是重復(fù)報文，則丟棄；如果是發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報文或者廣播報文，則交給上層處理；如果是需要本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的報文，則將報文交給發(fā)送處理模塊處理。
2)數(shù)據(jù)發(fā)送處理模塊
發(fā)送處理模塊負(fù)責(zé)從上層或者接收處理模塊中接收數(shù)據(jù)，根據(jù)不同的情況做相應(yīng)的處理：如果報文的剩余跳數(shù)不大于0，則視為“死報文”，丟棄之; 否則需要進(jìn)行報文發(fā)送。首先查找路由表，如果找到了到目的節(jié)點(diǎn)的有效路由表項，則根據(jù)路由信息將報文發(fā)送出去；如果沒有，則根據(jù)報文的路由發(fā)現(xiàn)選項決定是否進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)，以及是通過樹型路由發(fā)送報文還是等待路由回復(fù)消息到達(dá)后再發(fā)送報文，具體的我們將在3.3節(jié)的路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)中進(jìn)行詳細(xì)說明。
3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備管理
ZigBee的網(wǎng)絡(luò)中包括協(xié)調(diào)器設(shè)備、路由設(shè)備和終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備，其中，協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，路由設(shè)備可以參與網(wǎng)絡(luò)路由和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)但是終端節(jié)點(diǎn)設(shè)備只能作為葉子節(jié)點(diǎn)而不能參與路由。設(shè)備管理主要包括網(wǎng)絡(luò)的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)建以及節(jié)點(diǎn)的加入和離開。
節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信的第一步是由協(xié)調(diào)器設(shè)備負(fù)責(zé)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行信道掃描來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)掃描結(jié)果，選擇一個最佳的空閑信道并在該信道上創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)后，非協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就可以加入網(wǎng)絡(luò)了。具體的步驟如下：1）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。如果指定了PANID（Personal Area Network ID,個域網(wǎng)ID），則發(fā)現(xiàn)相應(yīng)ID的個域網(wǎng)才進(jìn)行加入，否則，加入到最先掃描到的網(wǎng)絡(luò)。2）選擇合適的父節(jié)點(diǎn)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求。從鄰居節(jié)點(diǎn)中選擇合適的節(jié)點(diǎn)作為自己的父節(jié)點(diǎn)，并向其發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)的請求。3）加入網(wǎng)絡(luò)。通過父節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，并獲得一個16位的網(wǎng)絡(luò)層地址。
協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)或者非協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)和關(guān)鍵在于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。我們通過設(shè)計有限狀態(tài)機(jī)的方法來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖2所示。
圖2 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖
轉(zhuǎn)換圖中共有5個狀態(tài)，各個狀態(tài)定義如表1所示：
表1網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)定義
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