【正文】 器的功能主要是開啟和配置網(wǎng)絡(luò)。一 旦這些完成以后，協(xié)調(diào)器與路由器的功能就一樣了 甚至可以斷開 。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的 分布式本質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運(yùn)行不依賴于協(xié)調(diào)器的存在。 基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 圖2．4協(xié)調(diào)器功能模塊示意圖 Coordinatorfunctionmodelsketch Fig．2．4 map 圖2．5路由器功能模塊示意圖 Routerfunctionmodelsketch Fig．2．5 map 路由器：路由器執(zhí)行的功能有1 允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；2 多跳路由；3 輔助它的 電池供電的子終端設(shè)備通信。一般來說，路由器被期望能一直保持激活狀態(tài)，因此它通 常是由固定電源供電的。而不能使用電池供電。路由器為它的子節(jié)點(diǎn)緩存信息，直到子 節(jié)點(diǎn)被喚醒并請(qǐng)求數(shù)據(jù)。當(dāng)一個(gè)子節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送一個(gè)信息的時(shí)候，這個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù) 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 到它的父路由器。然后，路由器負(fù)責(zé)傳輸信息，執(zhí)行所有相關(guān)的重發(fā)，以及如果需要的 話，等待確認(rèn)。這使得終端設(shè)備可以回到休眠狀態(tài)，從而達(dá)到省電的目的。 圖2．6終端節(jié)點(diǎn)功能模塊示意圖 sketch Enddevicefunctionmodel Fig．2．6 map 終端設(shè)備：終端設(shè)備對(duì)維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有特殊的責(zé)任，因此，它可以有選擇的休眠 和喚醒。終端設(shè)備僅僅周期性的向它的父節(jié)點(diǎn)發(fā)送或接受來自它的父節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因此 終端設(shè)備能夠使用電池供電的方式工作很長時(shí)間。 在能量管理方面，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由器需要突發(fā)的處理一些請(qǐng)求，包括入網(wǎng)、退出 網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能，一般情況下，使用永久性電源；若終端節(jié)點(diǎn)在大部分的時(shí)間 里都處于休眠狀態(tài)就可以采用電池供電。若對(duì)電池供電沒有要求，網(wǎng)絡(luò)中可以全部采用 FFD設(shè)備。 2．3．2ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種組網(wǎng)方式【1。丌，星型網(wǎng)絡(luò)，樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，其拓?fù)?結(jié)構(gòu)如圖2．7所示。 如圖2．7中 a 所示，星型網(wǎng)絡(luò)是～個(gè)輻射狀系統(tǒng)，數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都是通過中心節(jié) 點(diǎn)傳輸。如果用通信模塊構(gòu)造星形網(wǎng)絡(luò)，只需要一個(gè)模塊配置成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其他模塊 可以配置成終端節(jié)點(diǎn)。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，這種簡單帶來的是很少 有上層協(xié)議需要執(zhí)行、較低的設(shè)備成本、較少的上層路由信息和管理方便。中心節(jié)點(diǎn)需 基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 要承擔(dān)更多的管理工作。由于把每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)放在中心節(jié)點(diǎn)的通信范圍之內(nèi)，這必然會(huì) 限制無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，并且星形拓?fù)浜茈y實(shí)現(xiàn)高密度的擴(kuò)展。集中的信息涌向中心 節(jié)點(diǎn)，容易造成網(wǎng)絡(luò)堵塞、丟包、性能下降等。到目前為止，星形拓?fù)涫亲畛Ｒ姷木W(wǎng)絡(luò) 配置結(jié)構(gòu)，被大量的應(yīng)用在遠(yuǎn)程檢測和控制中。 a 星型 c 網(wǎng)狀 ●協(xié)調(diào)器 囝FFD RFD o b 樹狀 圖2．7ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) network Fig．2．7Zi妒ee topology 樹狀拓?fù)涫嵌鄠€(gè)星形拓?fù)涞募希鐖D2．7中的 b 所示。若干個(gè)星形拓?fù)溥B接在一 起，擴(kuò)展到更廣闊的區(qū)域。樹形拓?fù)涫强梢詫?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)“多跳”信息服務(wù)的最簡單的 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，樹形拓?fù)渥钪档米⒁獾牡胤骄褪撬３至诵切瓮負(fù)涞暮唵涡裕狠^少的上層路 由信息、較低的存儲(chǔ)器需求。但是樹形結(jié)構(gòu)不能很好的適應(yīng)外部的動(dòng)態(tài)環(huán)境。從圖中可 以看出，信息源與目的之間，有且只有一條傳輸路徑，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的中斷或故障將會(huì) 使部分節(jié)點(diǎn)脫離網(wǎng)絡(luò)。樹形拓?fù)涞淖罴褢?yīng)用是在穩(wěn)定的無線電射頻環(huán)境中，也可以很好 的用在一些簡單的低數(shù)據(jù)量的大規(guī)模集合的應(yīng)用之中。 如圖2．7所示的 c 中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)?，具有很高的適應(yīng)環(huán)境的能 力。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小的路由器，都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò) 最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯一的。網(wǎng)形拓?fù)渑c 星形、樹形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，不存在一個(gè)固定的路由模式。這樣 信息傳輸?shù)臅r(shí)間更加依賴瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計(jì)。 大璉理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 24 Z．STACK協(xié)議棧 241ZS1ACK概述 為了適應(yīng)ZigBee產(chǎn)品開發(fā)的需求，德州儀器fTD推出了一套完整的協(xié)議棧 4／ZigBee技術(shù)相關(guān)產(chǎn) z．Stackl4J。z．Stack是Zi班ee技術(shù)的核心軟件，是開發(fā)IEEE80215 4 以及MSP430平臺(tái)。rI協(xié)議棧一直在不斷的完善中，從最初的110版本到現(xiàn)在的13 版本，無論從路由協(xié)議還是從地址分配模式都作了大量的改進(jìn)。本文構(gòu)建的定位系統(tǒng)是 以Z―Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)的，網(wǎng)絡(luò)中按照節(jié)點(diǎn)完成的功能分為參考節(jié)點(diǎn)、定位節(jié)點(diǎn)。對(duì) 較詳細(xì)的說明。 7 7 z―Stack運(yùn)行在IAR20以上的集成開發(fā)環(huán)境，IAR20運(yùn)用C51編譯器，是一個(gè) 境中，可以看到個(gè)完整的z．Stack協(xié)議棧包含的功能部分組成。如圖28所示。 蘿 圖2．8 zStack協(xié)議棧組成 2．8 Cons39。omctionofZStack Fig protocol 包括最上層的應(yīng)用層 APP ，在該層內(nèi)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)，外部任務(wù)的調(diào)用和執(zhí) Abstract 行，并可以通過API函數(shù)調(diào)用下層的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。HAL餌ardware Layerl 層為硬件抽象層，在該層中根據(jù)用戶硬件平臺(tái)的不同，給出了各種不同的硬件資源，如 按鍵、發(fā)光二極管、串口、定時(shí)器以及ADC等各種硬件設(shè)各的功能函數(shù)定義。用戶可 以通過調(diào)用它的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序功能的外部表征。MAC以及NWK層主要實(shí)現(xiàn) Abslract 了ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的媒體接入控制層和網(wǎng)絡(luò)層。OSAL OperaterSystem Layer 是操 基于ZigBee技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) 作系統(tǒng)抽象層，協(xié)議棧即運(yùn)行在該操作系統(tǒng)之上。Tools是配置文件，通過對(duì)其內(nèi)部文 件的修改可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的信道編號(hào)和PANID號(hào)，并且最重要的一個(gè)功能是通過設(shè)置其 相應(yīng)的文件包含可以預(yù)定義節(jié)點(diǎn)的邏輯類型，即協(xié)調(diào)器，路由節(jié)點(diǎn)或者是終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)。 ZDO是ZigBee設(shè)備對(duì)象的簡稱，在該層主要定義了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的入網(wǎng)，綁定以及設(shè) 備發(fā)現(xiàn)等功能實(shí)現(xiàn)。ZMain是應(yīng)用程序的主函數(shù)，每個(gè)應(yīng)用程序都是從ZMain函數(shù)作為 入口，首先是硬件初始化，存儲(chǔ)器初始化最后是操作系統(tǒng)無限循環(huán)。 合起來的一套完整的具有堆棧格式的文件系統(tǒng)。各層之間通過各層的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)相互 連接和通信，最終達(dá)到完整有效的運(yùn)行。Z．Stack協(xié)議棧結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要想理解它的運(yùn) 行機(jī)制，很關(guān)鍵的一點(diǎn)就是要理解OSAL的運(yùn)行機(jī)制。 2．4．2 OSAL運(yùn)行機(jī)制 Abstract 8】是與協(xié)議棧相獨(dú)立的， OSAL OperatorSystem Layer，操作系統(tǒng)抽象層 層【l 但是整個(gè)協(xié)議棧都要基于本操作系統(tǒng) OS 才能正常運(yùn)行，或者說協(xié)議棧運(yùn)行在本層之 上。OSAL提供如下服務(wù)和管理功能：信息管理、任務(wù)同步、時(shí)間管理、任務(wù)管理、內(nèi) 存管理、電源管理以及非易失存儲(chǔ)管理。 圖2．9OSAL操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度流程 FlowofOSALtask Fig．2．9 dispatching 具體來說，OSAL是一個(gè)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制的操作系統(tǒng)。它是通過對(duì)任務(wù)的事件觸 發(fā)來實(shí)現(xiàn)資源的調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件，每個(gè)事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)事件號(hào)。當(dāng)一 個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的Evem就被設(shè)置為相應(yīng)的事件，這樣事件調(diào)度就會(huì)調(diào)用相應(yīng) 大連理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 的任務(wù)處理程序。OSAL中的任務(wù)可以通過任務(wù)處理API函數(shù)添加到系統(tǒng)中，這樣就可 以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。OSAL任務(wù)調(diào)度流程如圖2．9所示。 2．4．3 ZigBee組網(wǎng) 協(xié)調(diào)器組建個(gè)域網(wǎng) PAN 成功后，頻繁的以廣播方式向外發(fā)送信標(biāo)幀，用來表示它 的存在。其它終端節(jié)點(diǎn)接收信標(biāo)幀，以完成設(shè)備發(fā)現(xiàn)任務(wù)，終端節(jié)點(diǎn)要加入該P(yáng)AN，那 么只要將自己的信道以及個(gè)域網(wǎng)標(biāo)識(shí)符 PANID 設(shè)置成與要加入網(wǎng)絡(luò)中的父節(jié)點(diǎn)的相 同，并提供正確的認(rèn)證信息，即可請(qǐng)求加入 Join 網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，父節(jié)點(diǎn)要檢查自身的短 地址資源，如果自身地址未滿，那么就可以為該子節(jié)點(diǎn)分配短MAC地址，只要節(jié)點(diǎn)接 收到父節(jié)點(diǎn)為之分配的16位的短地址，那么在通信的過程中，將使用該地址進(jìn)行通信。 如果沒有足夠的地址資源，那么節(jié)點(diǎn)將收到來自父節(jié)點(diǎn)的連接失敗響應(yīng)，此時(shí)子節(jié)點(diǎn)即 可以向其他父節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求ZigBee網(wǎng)絡(luò)短地址來加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層將不斷重復(fù)這個(gè)過程直 到節(jié)點(diǎn)成功加入到網(wǎng)絡(luò)為止。組網(wǎng)算法流程如圖2．10所示。 CHANLIST中說明的信道之 的Sarhple應(yīng)用將會(huì)組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)使用DEFAULT CONFIGPAN 一。如果它沒有定義ZDAPP ID為0XFFFF的話，協(xié)調(diào)器將會(huì)建立一個(gè) ID 以 ZDAPPCONFIGPANID 為PAN 的 個(gè) 域 網(wǎng) 。 如 果 ZDAPPCONFIGPAN ID。 一個(gè)作為路由器或終端編譯的Sample應(yīng)用將會(huì)試圖加入一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它使用 DEFAULTCHANLIST中說明的信道之一。如果ZDAPPCONFIGPANID沒有被定義 為OXFFFF，路由器將被限制僅僅加入那些被定義的PANID。當(dāng) ZDAPP