無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由多個節(jié)點組成的面向任務(wù)的無線自組織網(wǎng)絡(luò)，一般不需要很高的信道帶寬，但應(yīng)具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能在有限的電池壽命內(nèi)完成任務(wù)。IEEE 802．15．4／ZigBee標(biāo)準(zhǔn)把低功耗、低成本作為主要目標(biāo)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了一種互連互通的平臺。因此將ZigBee技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來研究具有現(xiàn)實意義。

1 ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)

在ZigBee技術(shù)中，其體系結(jié)構(gòu)通常由層來量化它的各個簡化標(biāo)準(zhǔn)。每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要由物理（PHY）層、媒體接入控制（MAC）層、網(wǎng)絡(luò)／安全層以及應(yīng)用框架層構(gòu)成，其各層的分布如圖1所示。

2 ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)有2種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中定義了兩種設(shè)備：全功能設(shè)備（Full Funetion Device，F(xiàn)FD）和精簡功能設(shè)備（Re—dueed Function Device，RFD）。與RFD相比，F(xiàn)FD在硬件功能上比較完備。在通信能力方面，F(xiàn)FD可以與所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和與其關(guān)聯(lián)的FFD進行通信。與RFD相關(guān)聯(lián)的FFD設(shè)備稱為該RFD的“協(xié)調(diào)器（Coordinator）”。在整個網(wǎng)絡(luò)中，有一個FFD充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器（PAN Coordinator）。除直接參與應(yīng)用外，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器還需要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。

本文移植的協(xié)議棧拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的一種——樹簇網(wǎng)絡(luò)。在樹簇網(wǎng)絡(luò)中大部分沒備為FFD，RFD只能作為樹枝末尾處的葉節(jié)點，這主要是由于RFD 一次只能連接一個FFD。任何一個FFD都可以作為主協(xié)調(diào)器，并為其他從設(shè)備或主設(shè)備提供同步服務(wù)。在整個PAN中，只要該設(shè)備相對于PAN巾其他設(shè)備具有更多資源，這樣的設(shè)備都可以成為該PAN的主協(xié)調(diào)器。

在建立一個PAN時，首先，PAN主協(xié)調(diào)器將其自身設(shè)置為一個簇標(biāo)識符（CID）為O的簇頭（CLH）。然后，選擇一個沒有使用的PAN標(biāo)識符，并向鄰近的其他設(shè)備以廣播的方式發(fā)送信標(biāo)幀，從而形成第一簇網(wǎng)絡(luò)。接收到信標(biāo)幀的候選設(shè)備可以在簇頭中請求加入該網(wǎng)絡(luò)，如果PAN主協(xié)調(diào)器允許該設(shè)備加入，該設(shè)備就將主協(xié)調(diào)器作為它的父節(jié)點加到它的鄰近表中，成為該網(wǎng)絡(luò)的一個從設(shè)備；同樣，其他設(shè)備都按照同樣的方式，請求加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果候選設(shè)備不能加入到該網(wǎng)絡(luò)中，那么它將尋找其他的父節(jié)點。在樹簇網(wǎng)絡(luò)中，最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是只有一個簇的網(wǎng)絡(luò)，但是多數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由多個相鄰的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。一旦第一簇網(wǎng)絡(luò)滿足預(yù)定的應(yīng)用或網(wǎng)絡(luò)需求，PAN主協(xié)調(diào)器將會指定一個從設(shè)備為另一個簇的簇頭，使得該從設(shè)備成為一個主協(xié)調(diào)器。隨后其他的從設(shè)備將逐個加入，形成一個多簇網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。

3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點結(jié)構(gòu)

本文移植的目標(biāo)板是自行設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊。其中，處理器模塊采用Atreel公司的AT—megal28L，無線通信模塊采用TI公司的CC2420，電源模塊使用NCPl402芯片將2節(jié)電池進行DC—DC變換后得到，傳感器模塊采用DSl8820。

CC2420利用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。ATmegal28L通過CC2420的SPI接口（CSn、SO、 SI、SCK）與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令，利用RSTn引腳復(fù)位芯片；并且利用VREG_EN引腳使能CC2420的電壓調(diào)整器，使其產(chǎn)生 CC2420所需要的1．8 V電壓，從而使CC2420進入正常工作的狀態(tài)。CC2420通過單極天線或PCB天線進行通信。節(jié)點總體框圖如圖4所示。

4 zigBee協(xié)議棧的移植

4．1 msstatePAN協(xié)議棧的移植

msstatePAN協(xié)議棧是由密西西比大學(xué)的R．Reese教授為廣大無線技術(shù)愛好者開發(fā)的精簡版ZigBee協(xié)議棧，基于標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫，基本具備了 ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的功能，最新版本為V0．2．6，該版本支持多種開發(fā)平臺，包括PICDEM Z、CC2430評估板、MSP430+CC2420（Tmote）以及WIN32虛擬平臺。由于該協(xié)議棧的上述特點以及源代碼的開放性，本文選擇它作為學(xué)習(xí)和移植的對象。

移植是將msstatePAN協(xié)議棧在PICDEM Z平臺下的代碼移植到上面設(shè)計的目標(biāo)板中，采用winavr20070525作為編譯器，并通過JTAG接口將程序下載到目標(biāo)板中。下面介紹一下移植過程。

（1）編寫makefile文件

winavr 20070525采用GCC編譯器，要編寫makefile文件以完成程序的編譯。指定MCU為ATmegal28，定義CPU工作頻率F_CPU為8 000 000 Hz；定義編譯后生成的文件類型FORMAT為ihex；將TARGET改為項目主文件的文件名，由于后面測試用ing_pong．c這個文件，此處將 TARGET定義為ping_pong；最后定義SRC，在SRC中應(yīng)包含整個項目中的所有文件，并且各個文件名之間要用空格格開。協(xié)議棧為規(guī)定當(dāng)前編譯器編譯的是協(xié)調(diào)器代碼、IEEE 64位長地址等，要用到LRWPAN_COORDINATOR等宏定義，因此要在makefile文件中加入相應(yīng)的宏定義代碼。

（2） 替換與編譯器相關(guān)的定義

本移植用的是GCC編譯器，所以要將與PIC編譯器相關(guān)的代碼進行替換，為此修改compiler．h頭文件及特定編譯器的數(shù)據(jù)定義。例如對ROM數(shù)據(jù)類型進行替換，或者直接刪除該數(shù)據(jù)類型。

（3）移植與硬件平臺相關(guān)的部分

該部分代碼涉及的都是最底層的東西，通過對協(xié)議棧的透徹理解，總結(jié)出要修改的文件有halStack．c、hal．h、halHeepSpace．h、cc2420．c／．h、 evboard．c／．h、evbRadio．h、evbConfig．h等。其中halStack．c和evboard．c兩個文件改動很大。這兩個文件中包括硬件接口定義、串口定義、LED燈定義、硬件系統(tǒng)初始化定義，以及中斷處理函數(shù)和協(xié)議棧時鐘函數(shù)的實現(xiàn)。首先移植中斷處理函數(shù)，注意采用下降沿觸發(fā)中斷。其次，移植協(xié)議棧時鐘，目標(biāo)板用ATmegal28L的定時器1作為協(xié)議棧的運行時鐘。由于單片機采用8 MHz晶振，當(dāng)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(shù)一次所需要的時間為8μs，而在協(xié)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(shù)2次定義為一個symbol時間。所以在設(shè)計中，要修改hal—MacTicksToUs 函數(shù)及SYMBOLS_TO_MACTICKS（x）和MSECS_TO_MACTICKS（x）宏定義。

（4）對協(xié)議棧內(nèi)部各層進行適當(dāng)修改

這部分的移植工作與第3步相比簡單些，一些與硬件聯(lián)系緊密的MAC層和PHY層相關(guān)的函數(shù)都放在ev—board．c和halStack．c文件中。具體分析如下：

①根據(jù)自己的需求修改協(xié)議棧需要的堆棧，協(xié)議中默認(rèn)為l 024字節(jié)，可以根據(jù)實際情況做些調(diào)整。

②debug．c函數(shù)中的一些定義在運行時需要大量RAM，如果選擇編譯的是協(xié)調(diào)器，則整個協(xié)議棧需要RAM存儲單元大于6KB，而ATmagal28L 內(nèi)部只有4 KB RAM，為此屏蔽了一些調(diào)試顯示信息，以達(dá)到系統(tǒng)要求。

③修改staticbind．h函數(shù)，由于該協(xié)議棧是靜態(tài)分配地址，而該函數(shù)的作用就是定義其地址，所以該函數(shù)在整個協(xié)議棧運行中至關(guān)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(yīng)進行相應(yīng)修改，否則CC2420地址譯碼就通不過，以至于無法建立網(wǎng)絡(luò)。其次，應(yīng)該確定數(shù)據(jù)存儲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(shù)中的宏定義，讓編譯器選擇相應(yīng)的程序進行編譯，生成正確的地址。

（5）編譯下載

通過上面的移植，程序應(yīng)該能正確進行編譯以及鏈接，生成HEX文件；再用AVRStudio4．12軟件將程序下載到相應(yīng)節(jié)點中，進行協(xié)議棧測試。

4．2 測試方法

為了測試協(xié)議棧移植是否成功，采用2個節(jié)點進行實驗。其中，一個作為協(xié)調(diào)器，另一個作為RFD設(shè)備節(jié)點。在makefile中設(shè)定協(xié)調(diào)器的IEEE地址為 Ox001248000001216F，RFD設(shè)備的IEEE地址為0x0012480000012170，并使用ping_pong．c文件提供的功能進行測試。

首先完成網(wǎng)絡(luò)的建立，協(xié)調(diào)器調(diào)用aplFormNetwork（）函數(shù)建立一個網(wǎng)絡(luò)；然后等待RFD設(shè)備的加入，RFD設(shè)備調(diào)用 aplJoinNetwork（）函數(shù)申請加入網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)建立成功后執(zhí)行ping_pong過程，該過程就像打乒乓球一樣，先是協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)給RFD 設(shè)備，RFD設(shè)備接收到信息后回發(fā)給協(xié)調(diào)器。如此往返．這也是文件名為ping_pong的原因，具體程序流程如圖5所示。

編譯、鏈接ping_pong．c文件時務(wù)必注意：如果是協(xié)調(diào)器，—定要加入宏LRWPAN_COORDINATOR，否則編譯的程序為RFD設(shè)備的程序。編譯完成后，將生成的文件分別下載至各節(jié)點，并將節(jié)點連接到串口調(diào)試助手，按程序要求設(shè)置串口調(diào)試助手的參數(shù)，如波特率、數(shù)據(jù)位長度等。完成這些設(shè)置后，分別打開各節(jié)點，首先啟動協(xié)調(diào)器節(jié)點，然后再啟動RFD設(shè)備節(jié)點。圖6是協(xié)凋器連接的串口調(diào)試助手的顯示信息。

從圖6中可以知道，節(jié)點Ox0012480000012170加入到網(wǎng)絡(luò)，其IEEE的長地址為Ox0012480000012170；協(xié)調(diào)器分配給該節(jié)點的短地址為Oxl699，協(xié)調(diào)器有一個鄰居節(jié)點，2個節(jié)點之間已經(jīng)開始數(shù)據(jù)的傳送。由此可見，移植成功。

結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門新興的技術(shù)，目前傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點價格比較昂貴，軟件支持也有不足。如果能移植一個相對成熟的協(xié)議棧，將最大限度地降低節(jié)點成本。本文就是從這個角度出發(fā)，設(shè)計出了相應(yīng)的硬件平臺，并成功移植了msstatePAN協(xié)議棧，從學(xué)習(xí)和科研角度考慮具有借鑒意義。

責(zé)任編輯：gt