王榮

摘要：Z-Stack是目前非常常用的ZigBee協(xié)議棧。如何基于Z-Stack開發(fā)出各種通信系統(tǒng)是現(xiàn)在的研究熱門。該文從一個典型的單播通信實驗出發(fā)，給出了基于Z-Stack快速開發(fā)出數(shù)據(jù)采集無線通信的實現(xiàn)過程。文中給出了關(guān)鍵代碼片段的實現(xiàn)，爭取以最簡練的方式剖析Z-Stack的無線數(shù)據(jù)采集開發(fā)流程。

關(guān)鍵詞：Z-Stack；協(xié)議棧；無線數(shù)據(jù)采集；快速開發(fā)；ZigBee

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0226-03

自從2007年TI公司宣布推出ZigBee的協(xié)議棧Z-Stack以來，已經(jīng)有8個年頭[1]。在此期間對于Z-Stack的開發(fā)研究層出不窮，各類期刊論文如雨后春筍般冒出?？v觀各文獻(xiàn)，大體分為兩類：第一類為設(shè)計類，主要介紹各種應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，內(nèi)容多為框架結(jié)構(gòu)的介紹，很少涉及到實現(xiàn)過程；第二類為算法類，主要研究某一層次的通信算法優(yōu)化，難度較深，令不少學(xué)者望而卻步。正因為如此，本文立足于一個基本數(shù)據(jù)采集實驗，著重描述最細(xì)節(jié)的代碼實現(xiàn)過程，旨在用最深入淺出的方式為想要快速開發(fā)Z-Stack的讀者拋磚引玉。

1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)功能

本實驗系統(tǒng)僅采用2個節(jié)點，節(jié)點芯片采用TI公司的無線射頻芯片CC2530。一個節(jié)點用作協(xié)調(diào)器，另一個為路由節(jié)點（也可以是終端節(jié)點，本文中這兩類角色不作功能上的區(qū)分）。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口與電腦連接，接收到的電壓數(shù)據(jù)通過串口助手顯示到電腦屏幕上。路由節(jié)點主要負(fù)責(zé)電壓數(shù)據(jù)的采集，并在一定的時間間隔后周期性地將數(shù)據(jù)單播給協(xié)調(diào)器[2]。

1.2 系統(tǒng)硬件描述

本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點采用相同的結(jié)構(gòu)，兼容TI公司的評估板。本實驗主要用到以下3個模塊：串口模塊，主控模塊和電源模塊。

1）串口模塊。串口模塊采用CC2530單片機異步UART模式的UART0接口，通過MAX232電壓轉(zhuǎn)換芯片和RS232標(biāo)準(zhǔn)接口相連。主要用于協(xié)調(diào)器通過串口線（也可以是USB轉(zhuǎn)串口線[3]）和電腦串口助手之間的數(shù)據(jù)通信。

2）主控模塊。主控模塊包含了無線模塊，采用CC2530芯片。該芯片使用增強型8051內(nèi)核，如果開發(fā)者對8051單片機很熟悉的話，程序設(shè)計會很容易上手。除此之外，芯片內(nèi)部提供了一個IEEE 802.15.4兼容型無線收發(fā)器，該收發(fā)器為MCU提供了一個接口，可以用來發(fā)出命令、讀取狀態(tài)、確定無線設(shè)備事件的順序等。

3）電源模塊。電源模塊用于給CC2530芯片供電，典型工作電壓為3.3V，該電壓值隨著電池的使用時間增加略有下降，此電壓值為本實驗的主要采集數(shù)據(jù)對象。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本實驗系統(tǒng)采用的軟件開發(fā)平臺為IAR Embedded Workbench，版本為MCS-51 7.51A。Z-Stack版本為ZStack-CC2530-2.2.2-1.3.0[4]。注意：采用不同版本的Z-Stack對應(yīng)的IAR軟件版本也不同，如ZStack-CC2530-2.5.0推薦使用IAR 8.10版本，否則會出現(xiàn)編譯問題。

2.1 Z-Stack協(xié)議棧

Z-Stack是TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧，是一個使用C語言編寫的軟件包。除了與無線通信有關(guān)的實現(xiàn)代碼外，它內(nèi)部還包含了一個簡易多任務(wù)操作系統(tǒng)，稱為操作系統(tǒng)抽象層OSAL。用戶可以使用協(xié)議棧提供的API進行應(yīng)用程序的開發(fā)，在開發(fā)過程中不必關(guān)心ZigBee協(xié)議的具體實現(xiàn)細(xì)節(jié)。Z-Stack采用任務(wù)輪詢的機制，如果有任務(wù)事件發(fā)生，OSAL會根據(jù)事件類型將其分配給能處理該事件的具體任務(wù)，并對事件加以處理，然后進入下一次輪詢[5]。

2.2 Z-Stack無線收發(fā)程序的設(shè)計與實現(xiàn)

首先安裝好ZStack-CC2530-2.2.2-1.3.0，然后打開工程目錄。本次實驗基于SampleApp框架，找到SampleApp.eww文件，用IAR軟件打開。打開之后選中工程列表中的App文件夾，所有代碼都在SampleApp.c和SampleApp.h中實現(xiàn)。本文默認(rèn)讀者有Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)的基礎(chǔ)，對系統(tǒng)框架已經(jīng)有了一定了解，已經(jīng)掌握協(xié)議棧的串口收發(fā)功能。

2.2.1 目的地址的定義與初始化

本實驗中，數(shù)據(jù)是由路由節(jié)點采集，發(fā)送給協(xié)調(diào)器，因此可以采用單播的方式發(fā)送。首先定義一個目的地址的變量，然后對其進行單播方式的初始化，初始化位于void SampleApp_Init（ uint8 task_id ）函數(shù)。具體實現(xiàn)過程如下：

1）afAddrType_t DataCollect_DestAddr；

2）DataCollect_DestAddr.addrMode = （afAddrMode_t）Addr16Bit；

3）DataCollect_DestAddr.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT；

4）DataCollect_DestAddr.addr.shortAddr = 0x0000；

2.2.2 數(shù)據(jù)簇號的定義與初始化

定義一個新的簇ID號，作為本次采集數(shù)據(jù)的簇號，并將它加入簇列表初始化數(shù)組const cId_t SampleApp_ClusterList[SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS]中。同時更改最大簇號（默認(rèn)是2，改為3）。

1.#define SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS 3

2.#define DATA_COLLECT_CLUSTERID 3

2.2.3 添加周期性事件

周期性事件用于電壓數(shù)據(jù)的采集，并將該數(shù)據(jù)周期性發(fā)送到協(xié)調(diào)器的過程。在本次實驗中，當(dāng)路由器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，每隔2秒，路由節(jié)點會采集一次電壓值發(fā)送給協(xié)調(diào)器。因此，首先需要定義一個事件DATA_COLLECT_EVT完成周期數(shù)據(jù)采集，然后定義一個采集間隔變量DATA_COLLECT_PERIODIC_INTERVAL。

1）#define DATA_COLLECT_EVT 0x0002

2） #define DATA_COLLECT_PERIODIC_INTER

VAL 2000

定義好上述變量后，完善應(yīng)用層事件處理函數(shù)SampleApp_ProcessEvent（ uint8 task_id， uint16 events ）。

1）case ZDO_STATE_CHANGE：

2）SampleApp_NwkState = （devStates_t）（MSGpkt->hdr.status）；

3）if （SampleApp_NwkState == DEV_ROUTER）

4）{

5）osal_start_timerEx（SampleApp_TaskID，

6）DATA_COLLECT_EVT，

7）DATA_COLLECT_PERIODIC_INTERVAL）； //每隔2秒，就啟動采集事件

8） }

9）break；

2.2.4 數(shù)據(jù)采集事件的實現(xiàn)

接下來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集事件，該事件需要在SampleApp_ProcessEvent（ uint8 task_id， uint16 events ）函數(shù)中添加并完善。在該事件中，主要有2個功能：電壓數(shù)據(jù)的采集和事件的周期性執(zhí)行，即每隔2秒觸發(fā)一次該自定義事件。

1）if （ events & DATA_COLLECT_EVT ） //數(shù)據(jù)采集事件的處理

2）{

3）Voltage_Data_Collect（）； //調(diào)用數(shù)據(jù)采集函數(shù)

4）osal_start_timerEx（SampleApp_TaskID，

5）DATA_COLLECT_EVT，

6）DATA_COLLECT_PERIODIC_INTERVAL）；

7）return （events ^ DATA_COLLECT_EVT）；

8）}

2.2.5 數(shù)據(jù)采集函數(shù)的實現(xiàn)

該函數(shù)調(diào)用讀取電壓值函數(shù)（實現(xiàn)過程見第6部分），經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，調(diào)用AF_DataRequest（）函數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到協(xié)調(diào)器。其實現(xiàn)過程如下。

1）uint8 Collect_Data[10] = {0x20}； //用于保存電壓值的數(shù)組

2）void Voltage_Data_Collect（ void ）

3）{

4）uint16 VoltageValue；

5）VoltageValue = ReadAdcCheckVdd（）； //調(diào)用讀取電壓值函數(shù)

6）Collect_Data[0] = VoltageValue / 10000 + 0x30；

7） Collect_Data[1] = VoltageValue / 1000 % 10 + 0x30；

8）Collect_Data[2] = VoltageValue / 100 % 10 + 0x30；

9）Collect_Data[3] = VoltageValue / 10 % 10 + 0x30；

10）AF_DataRequest（ &DataCollect_DestAddr， &SampleApp_epDesc，

11）DATA_COLLECT_CLUSTERID，

12）10，

13） Collect_Data， //用戶數(shù)據(jù)，電壓值

14）&SampleApp_TransID，

15）AF_DISCV_ROUTE，

16）AF_DEFAULT_RADIUS ）；

17）}

2.2.6 讀取電壓值函數(shù)的實現(xiàn)

讀取電壓值的函數(shù)uint16 ReadAdcCheckVdd （void）比較容易實現(xiàn)，配置好ADC相關(guān)寄存器就可以進行數(shù)據(jù)采集。該函數(shù)的實現(xiàn)過程如下。

1）uint16 value；

2）ADCIF = 0；

3）ADCCON3 = 0x0F；

4）while （ ！ADCIF ）；

5）value = ADCL；

6）value |= （（uint16） ADCH） << 8；

7）return value；

2.2.7 數(shù)據(jù)的無線接收并串口顯示

無線數(shù)據(jù)的接收會觸發(fā)系統(tǒng)事件集中的AF_INCOMING_MSG_CMD事件，默認(rèn)會調(diào)用回調(diào)函數(shù)SampleApp_MessageMSGCB（ MSGpkt ）來執(zhí)行相應(yīng)的操作。因此，只需要完善該函數(shù)的內(nèi)容即可。定義數(shù)組變量Recv_Buf[16]來保存接收到的數(shù)據(jù)。

1）memcpy（Recv_Buf， pkt->cmd.Data， pkt->cmd.DataLength）； //保存接收到的用戶數(shù)據(jù)

2）switch（pkt->clusterId）

3）case DATA_COLLECT_CLUSTERID：

4）HalUARTWrite（MT_UART_DEFAULT_PORT， "Voltage is： "， 12）；

5）HalUARTWrite（MT_UART_DEFAULT_PORT， Recv_Buf， 1）；

6）HalUARTWrite（MT_UART_DEFAULT_PORT， "."， 1）；

7）HalUARTWrite（MT_UART_DEFAULT_PORT， &Recv_Buf[1]， 1）；

8）HalUARTWrite（MT_UART_DEFAULT_PORT， &Recv_Buf[2]， 1）；

9）HalUARTWrite（MT_UART_DEFAULT_PORT， &Recv_Buf[3]， 1）；

10）HalUARTWrite（MT_UART_DEFAULT_PORT， "V＼n"， 2）；

11）break；

3 實驗結(jié)果

在所有的操作完成后，就可以通過串口助手查看實驗結(jié)果。把協(xié)調(diào)器和電腦用串口線連接，打開串口助手，設(shè)置波特率等參數(shù)，可以觀察到采集到的數(shù)據(jù)。

圖1 串口顯示的電壓采集值

4 結(jié)語

本文從一個典型的無線數(shù)據(jù)采集實驗為例，剖析了Z-Stack快速開發(fā)的過程，并將代碼的實現(xiàn)以片段的形式展現(xiàn)出來，重點希望讀者能夠在看完本文的同時熟悉并實現(xiàn)最簡單的數(shù)據(jù)采集工程。由于在本文的描述中忽略了大量介紹性的陳述，因此需要讀者在之前就接觸過Z-Stack，熟悉各個接口函數(shù)的含義，了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，這樣才能在正確的位置找到需要添加和更改的代碼，從而理解各段代碼的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 青島東合信息技術(shù)有限公司. Zigbee開發(fā)技術(shù)及實踐[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

[2] 李延，張發(fā)生. 基于Z-Stack的室內(nèi)溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 軟件導(dǎo)刊，2015（2）：94-96.

[3] 馬昆，姚竹亭. 基于Zigbee的溫度采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 電子技術(shù)，2014：26-27.

[4] Texas Instruments. http：http：//www.ti.com.cn.

[5] 李樹丹，張從松. 基于ZigBee協(xié)議的溫濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電子科技，2014-12（27）：37-40.