ZigBee的msstatePAN協議棧移植

 

ZigBee的msstatePAN協議棧移植

[日期：2008-12-26]

來源：單片機與嵌入式系統  作者：哈爾濱理工大學 陳彥明 王秋光

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無線感應器網路(Wireless Sensor Networks，WSN)是由多個節點群組成的面向任務的無線自組織網路，一般不需要很高的通道頻寬，但應具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使使用者能在有限的電池壽命內完成任務。IEEE 802．15．4／ZigBee標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無線感應器網路提供了一種互連互連的平台。因此將ZigBee技術與無線感應器網路技術結合起來研究具有現實意義。

1 ZigBee技術的體繫結構
    在ZigBee技術中，其體繫結構通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責完成所規定的任務，並且向上層提供服務。各層之間的介面通過所定義的邏輯鏈路來提供服務。ZigBee技術的體繫結構主要由物理(PHY)層、媒體接入控制(MAC)層、網路／安全層以及應用程式框架層構成，其各層的分布1所示。

2 ZigBee技術的網路拓撲結構
    ZigBee技術網路有2種拓撲結構：星型拓撲結構和對等拓撲結構，2所示。其中定義了兩種裝置：全功能裝置(Full Funetion Device，FFD)和精簡功能裝置(Re—dueed Function Device，RFD)。與RFD相比，FFD在硬體功能上比較完備。在通訊能力方面，FFD可以與所有其他的FFD或RFD通訊，而RFD只能和與其關聯的FFD進行通訊。與RFD相關聯的FFD裝置稱為該RFD的“協調器(Coordinator)”。在整個網路中，有一個FFD充當網路協調器 (PAN Coordinator)。除直接參与應用外，網路協調器還需要完成成員資格管理、鏈路狀態資訊管理以及分組轉寄等任務。
    本文移植的協議棧拓撲結構是對等拓撲網路中的一種——樹簇網路。在樹簇網路中大部分沒備為FFD，RFD只能作為樹枝末尾處的分葉節點，這主要是由於RFD 一次只能串連一個FFD。任何一個FFD都可以作為主協調器，並為其他從裝置或主裝置提供同步服務。在整個PAN中，只要該裝置相對於PAN巾其他裝置具有更多資源，這樣的裝置都可以成為該PAN的主協調器。
    在建立一個PAN時，首先，PAN主協調器將其自身設定為一個簇標識符(CID)為O的簇頭(CLH)。然後，選擇一個沒有使用的PAN標識符，並向鄰近的其他裝置以廣播的方式發送信標幀，從而形成第一簇網路。接收到信標幀的候選裝置可以在簇頭中請求加入該網路，如果PAN主協調器允許該裝置加入，該裝置就將主協調器作為它的父節點加到它的鄰近表中，成為該網路的一個從裝置；同樣，其他裝置都按照同樣的方式，請求加入到網路中。如果候選裝置不能加入到該網路中，那麼它將尋找其他的父節點。在樹簇網路中，最簡單的網路結構是只有一個簇的網路，但是多數網路結構由多個相鄰的網路構成。一旦第一簇網路滿足預定的應用或網路需求，PAN主協調器將會指定一個從裝置為另一個簇的簇頭，使得該從裝置成為一個主協調器。隨後其他的從裝置將逐個加入，形成一個多簇網路，3所示。

   

3 無線感應器網路的節點結構
    本文移植的目標板是自行設計的無線感應器網路節點模組。其中，處理器模組採用Atreel公司的AT—megal28L，無線通訊模組採用TI公司的 CC2420，電源模組使用NCPl402晶片將2節電池進行DC—DC變換後得到，感應器模組採用DSl8820。
    CC2420利用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發資料的狀態。ATmegal28L通過CC2420的SPI介面(CSn、SO、 SI、SCK)與CC2420交換資料、發送命令，利用RSTn引腳複位晶片；並且利用VREG_EN引腳使能CC2420的電壓調整器，使其產生 CC2420所需要的1．8 V電壓，從而使CC2420進入正常工作的狀態。CC2420通過單極天線或PCB天線進行通訊。節點總體框圖4所示。

4 zigBee協議棧的移植
4．1 msstatePAN協議棧的移植
    msstatePAN協議棧是由密西西比大學的R．Reese教授為廣大無線技術愛好者開發的精簡版ZigBee協議棧，基於標準C語言編寫，基本具備了 ZigBee協議標準所規定的功能，最新版本為V0．2．6，該版本支援多種開發平台，包括PICDEM Z、CC2430評估板、MSP430+CC2420(Tmote)以及WIN32虛擬平台。由於該協議棧的上述特點以及原始碼的開放性，本文選擇它作為學習和移植的
對象。
    移植是將msstatePAN協議棧在PICDEM Z平台下的代碼移植到上面設計的目標板中，採用winavr20070525作為編譯器，並通過JTAG介面將程式下載到目標板中。下面介紹一下移植過程。
    (1)編寫makefile檔案
    winavr 20070525採用GCC編譯器，要編寫makefile檔案以完成程式的編譯。指定MCU為ATmegal28，定義CPU工作頻率F_CPU為8 000 000 Hz；定義編譯後產生的檔案類型FORMAT為ihex；將TARGET改為項目主檔案的檔案名稱，由於後面測試用ing_pong．c這個檔案，此處將 TARGET定義為ping_pong；最後定義SRC，在SRC中應包含整個項目中的所有檔案，並且各個檔案名稱之間要用空格格開。協議棧為規定當前編譯器編譯的是協調器代碼、IEEE 64位長地址等，要用到LRWPAN_COORDINATOR等宏定義，因此要在makefile檔案中加入相應的宏定義代碼。
    (2)替換與編譯器相關的定義
    本移植用的是GCC編譯器，所以要將與PIC編譯器相關的代碼進行替換，為此修改compiler．h標頭檔及特定編譯器的資料定義。例如對ROM資料類型進行替換，或者直接刪除該資料類型。
    (3)移植與硬體平台相關的部分
    該部分代碼涉及的都是最底層的東西，通過對協議棧的透徹理解，總結出要修改的檔案有halStack．c、hal．h、halHeepSpace．h、 cc2420．c／．h、evboard．c／．h、evbRadio．h、evbConfig．h等。其中halStack．c和evboard．c兩個檔案改動很大。這兩個檔案中包括硬體介面定義、串口定義、LED燈定義、硬體系統初始化定義，以及中斷處理函數和協議棧時鐘函數的實現。首先移植中斷處理函數，注意採用下降沿觸發中斷。其次，移植協議棧時鐘，目標板用ATmegal28L的定時器1作為協議棧的運行時鐘。由於單片機採用8 MHz晶振，當定時器使用64分頻時(At—megal28L定時器1沒有128分頻)，此時定時器計數一次所需要的時間為8μs，而在協議棧中每傳輸一個符號(symbo1)所需要的時間為16μs，故將定時器計數2次定義為一個symbol時間。所以在設計中，要修改hal—MacTicksToUs 函數及SYMBOLS_TO_MACTICKS(x)和MSECS_TO_MACTICKS(x)宏定義。
    (4)對協議棧內部各層進行適當修改
    這部分的移植工作與第3步相比簡單些，一些與硬體聯絡緊密的MAC層和PHY層相關的函數都放在ev—board．c和halStack．c檔案中。具體分析如下：
    ①根據自己的需求修改協議棧需要的堆棧，協議中預設為l 024位元組，可以根據實際情況做些調整。
    ②debug．c函數中的一些定義在運行時需要大量RAM，如果選擇編譯的是協調器，則整個協議棧需要RAM儲存單元大於6KB，而ATmagal28L內部只有4 KB RAM，為此屏蔽了一些調試顯示資訊，以達到系統要求。
    ③修改staticbind．h函數，由於該協議棧是靜態分配地址，而該函數的作用就是定義其地址，所以該函數在整個協議棧運行中至關重要。首先要考慮其地址是不是和makefile中定義的相吻合，如果不吻合應進行相應修改，否則CC2420地址解碼就通不過，以至於無法建立網路。其次，應該確定資料存放區是按大端模式還是小端模式，如果弄反了，地址就會不一樣。ATmegal28L是小端模式，這和PIC單片機是一致的，因此不需要修改，但要修改函數中的宏定義，讓編譯器選擇相應的程式進行編譯，產生正確的地址。
    (5)編譯下載
    通過上面的移植，程式應該能正確進行編譯以及連結，產生HEX檔案；再用AVRStudio4．12軟體將程式下載到相應節點中，進行協議棧測試。
4．2 測試方法
    為了測試協議棧移植是否成功，採用2個節點進行實驗。其中，一個作為協調器，另一個作為RFD裝置節點。在makefile中設定協調器的IEEE地址為 Ox001248000001216F，RFD裝置的IEEE地址為0x0012480000012170，並使用ping_pong．c檔案提供的功能進行測試。
    首先完成網路的建立，協調器調用aplFormNetwork()函數建立一個網路；然後等待RFD裝置的加入，RFD裝置調用 aplJoinNetwork()函數申請加入網路。在網路建立成功後執行ping_pong過程，該過程就像打乒乓球一樣，先是協調器發送資料給RFD 裝置，RFD裝置接收到資訊後回傳給協調器。如此往返．這也是檔案名稱為ping_pong的原因，具體程式流程5所示。

    編譯、連結ping_pong．c檔案時務必注意：如果是協調器，—定要加入宏LRWPAN_COORDINATOR，否則編譯的程式為RFD裝置的程式。編譯完成後，將產生的檔案分別下載至各節點，並將節點串連到串口調試助手，按程式要求設定串口調試助手的參數，如傳輸速率、資料位元長度等。完成這些設定後，分別開啟各節點，首先啟動協調器節點，然後再啟動RFD裝置節點。圖6是協凋器串連的串口調試助手的顯示資訊。

    從圖6中可以知道，節點Ox0012480000012170加入到網路，其IEEE的長地址為Ox0012480000012170；協調器分配給該節點的短地址為Oxl699，協調器有一個鄰居節點，2個節點之間已經開始資料的傳送。由此可見，移植成功。

結 語
    無線感應器網路是一門新興的技術，目前感應器網路硬體節點價格比較昂貴，軟體支援也有不足。如果能移植一個相對成熟的協議棧，將最大限度地降低節點成本。本文就是從這個角度出發，設計出了相應的硬體平台，並成功移植了msstatePAN協議棧，從學習和科研角度考慮具有借鑒意義。