ZigBee协议栈TIZ

ZigBee协议栈TIZ-Stack分析2007年4月，德州仪器推出业界领先的ZigBee协议栈（Z-Stack）。Z-Stack符合ZigBee2006规范，支持多种平台，包括基于CC2420收发器以及TIMSP430超低功耗单片机的平台，CC2430的SOCSLANRF-2431DK平台。Z-Stack包含了网状网络拓扑的几近于全功能的协议栈，在竞争激烈的ZigBee领域占有很重要地位。ZigBeestack应用开发相关概念ZigBee术语一、属性属性Attribute是一个反映物理数量或状态的数据值，比如开关值（On/Off）,温度值、百分比等。二、群集群集Cluster是包含一个或多个属性（attribute）的群组。简单的说，群集就是属性的集合。每个群集都被分配一个唯一的群集ID且每个群集最多有65536个属性。三、设备描述设备描述DeviceDescription是指一个大型目标应用的一部分，包括一个或多个群集，并且指定群集是输入还是输出。四、端点端点EndPoint是协议栈应用层的入口，也可以理解应用对象（ApplicationObject）存在的地方，它是为实现一个设备描述而定义的一组群集。每个ZigBee设备可以最多支持240这样的端点，这也意味着在每个设备上可以定义240个应用对象。端点0被保留用于与ZDO接口而端点255被保留用于广播，端点241-254则被保留用于将来做扩展使用。[25]五、配置文件配置文件Profile可以理解为共同促成交互式应用的多个设备描述项的集合。ZigBee联盟已经定义了部分标准的配置文件，比如远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。任何遵循某一标准配置文件的节点都可以与实现相同配置文件的节点进行互操作。用户也可以创建自己的配置文件然后递交ZigBee联盟测试、审核批准。配置文件是对逻辑设备及其接口描述的集合，是面向某个应用类别的公约、准则。设备描述符是为分布应用提供的描述项，多种描述项共同组成描述集合Profile。定义Profile的目的就是使得不同厂商生产的ZigBee设备能够实现互操作。六、节点节点Node也可以理解为一个容器，包含一组ZigBee设备，分享一个无线信道。每个节点有且只有一个无线信道使用。七、绑定（Binding）ZigBee定义了一个称为端点绑定的特殊过程。绑定即在源节点的某个端点（EndPoint）和目标节点的某个端点之间创建一条逻辑链路。绑定可以发生在两个或多个设备之间。协调器节点维护一个基本上包括两个或多个端点之间的逻辑链路的绑定表。在绑定表中，包含如下信息，源节点和目的节点的IEEE地址、Endpoint号以及ClusterID。对于可以建立绑定关系的两个节点，它们的Cluster的属性必须一个选择“输入”，另一个选择“输出”，而且ClusterID值相等，只有这样，它们彼此才能建立绑定。如果目标设备的扩展地址是已知的，则调用zb_BindDeviceRequest()函数可以创建一个绑定条目。八、寻址（Addressing）在ZigBee网络中，使用两种地址：一种是64位的IEEEAddress，也叫物理地址，64位地址在所有ZigBee设备之中是唯一，其中包含一个由IEEE分配、也是全球唯一的24位制造商特定组织标识符OUI（OrganizationallyUniqueIdentifier）；另一种是16位的NWKAddress即网络地址，当设备加入ZigBee网络时，从允许其加入的父设备上获取16位网络地址。该地址在ZigBee网络中唯一，用于数据传输和数据包路由。在ZigBee中，数据包可以单点传送（unicast），多点传送（multicast）或者广播传送（broadcast），所以必须有地址模式参数。一个单点传送数据包只发送给一个设备，多点传送数据包则要传送给一组设备，而广播数据包则要发送给整个网络的所有节点。当应用程序需要将数据包发送给网络上的一组设备时，还可以使用组寻址方式（GroupAddressing）。TIZ-Stack协议栈架构分析协议栈定义通信硬件和软件在不同级如何协调工作。在网络通信领域，在每个协议层的实体们通过对信息打包与对等实体通信。在通信的发送方，用户需要传递的数据包按照从高层到低层的顺序依次通过各个协议层，每一层的实体按照最初预定消息格式向数据信息中加入自己的信息，比如每一层的头信息和校验等终抵达最低的物理层，变成数据位流，在物理连接间传递。在通信的接收方数据包依次向上通过协议栈，每一层的实体能够根据预定的格式准确的提取需要在本层处理的数据信息，最终用户应用程序得到最终的数据信息进行处理。ZigBee无线网络的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的，协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，服务由协议定义，程序员只需关心与他的工作直接相关的那些层的协议，它们向高层提供服务，并由低层提供服务。在ZigBee协议栈中，PHY、MAC层位于最低层，且与硬件相关；NWK、APS,APL层以及安全层建立在PHY和MAC层之上，并且完全与硬件无关。分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来极大的方便。整个Z-Stack采用分层的软件结构，硬件抽象层（HAL）提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer，通用I/O口GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集。操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。Z-stackOSALAPI介绍OSAL层是与协议栈独立的，但是整个协议都要基于OS才能运行。OSAL提供如下服务和管理：信息管理、任务同步、时间管理、中断管理、任务管理、内存管理、电源管理以及非易失存储管理。一、信息管理API信息管理为任务间的信息交换或者外部处理事件（例如：中断服务程序或一个控制循环内的函数调用等）提供一种管理机制。包括允许任务分配或不分配信息缓存、发送命令信息到其他任务、接受应答信息等API函数。二、同步任务API该API允许一个任务等待某个事件的发生并返回等待期间的控制。该API的功能是为某个任务设置事件，一旦任何一个事件被设置就修改该任务。三、时间管理API该API允许定时器被内部（Z-Stack）任务和外部任务使用。该API提供开始和停止一个定时器的功能，这些定时器能用毫秒（ms）设置。四、中断管理API这些API是外部中断和任务的接口。这些API函数允许一个任务为每个中断分配指定服务程序。这些中断能被允许或禁止。在服务程序内，可为其他的任务设置事件。五、任务管理API该API用在管理OSAL中的任务，包括系统任务和用户自定义任务的创建、管理和信息处理等。六、内存管理API该API描绘了简单的存储分配系统。这些函数允许动态存储分配。七、电源管理API这里描写了OSAL的电源管理系统。当OSAL安全地关闭接收器与外部硬件并使处理器进入休眠模式时，该系统提供向应用/任务通告该事务的方式。Z-StackZigBeeAPI命令解释：应用程序编程接口(1)1.1ZigBee设备对象（ZDO）本节列举了ZDO层提供的所有函数调用，它们对于实现ZigBee设备功能层（ZDP）定义的所有命令和响应，以及其它能使设备像ZigBee设备一样运行的功能都是必需的。在概述一节中根据功能将ZDO的所有API函数分类，每一类将在以下的章节中进行讨论。1.1.1概述ZDP描述了ZDO内部一般性的ZigBee设备功能是如何实现的。它定义了使用命令和响应对的设备描述和簇。通过定义命令结构体的信息，ZDP为ZDO和应用程序提供了如下功能：?设备网络启动?设备和服务发现?终端设备绑定、绑定和取消绑定服务?网络管理服务设备发现是为一个ZigBee设备找到另一个ZigBee设备的过程。设备发现的一个例子是网络寻址命令，它以广播的形式发送，携带已知的IEEE地址作为数据的有效载荷。目标设备应该做出响应并告知其网络地址。设备发现能使个人区域网络中的设备发现其它ZigBee设备提供的服务。它使用各种描述符来指定设备的功能。典型的绑定用于网络配置期间，即当用户需要将控制设备绑定到被控制设备（比如开关和灯光）时。特别地，终端设备绑定支持一个简化的绑定方法，即使用用户的输入来识别控制或被控制的设备对。绑定和取消绑定服务提供了创建和删除绑定表条目的功能，其中绑定表的功能是记录控制信息及其各自的目的地。网络管理服务提供了检索设备管理信息的功能，包括网络发现结果、路由表内容、到周边节点的链路质量以及绑定表内容。它还提供了通过断开与个人区域网络设备的联系来控制网络联系的功能。网络管理服务主要是针对用户或调试工具而设计，用来管理网络。以上三种功能的API将在下面的分节中讨论。1.1.2ZDO网络启动通过默认的ZDApp_Init()（在ZDApp.c中）启动ZigBee网络中的设备。但是一个应用程序可以跳过这个默认行为。对于控制网路设备启动的应用程序，必须包含HOLD_AUTO_START作为编译选项，还建议包含NV_RESTORE编译选项（以便在NV中保存ZigBee网络状态）。如果设备包含这些编译标志，将需要调用ZDOInitDevice()来启动网络中的设备。1.1.2.1ZDOInitDevice()启动网络中的设备。这个函数将读取ZCD_NV_STARTUP_OPTION(NV条目)的值来决定是否恢复设备的网络状态。要调用这个函数，设备必须先编译HOLD_AUTO_START编译标志。如果应用程序想要强制加入一个新设备，在调用此函数之前应用程序应该设置ZCD_NV_STARTUP_OPTIONNV条目下的ZCD_STARTOPT_DEFAULT_NETWORK_STATE位，加入新设备意味着不再恢复设备的网络状态。使用zgWriteStartupOptions()来设置这些选项[zgWriteStartupOptions(ZG_STARTUP_SET,ZCD_STARTOPT_DEFAULT_NETWORK_STATE);]。函数原型uint8ZDOInitDevice(uint16startDelay);参数描述startDelay—设备启动时延（单位为毫秒）。这一时延增加了一个变化幅度：((NWK_START_DELAY+startDelay)+(osal_rand()&EXTENDED_JOINING_RANDOM_MASK))返回值这个函数将返回下面值之一：ZDO_INITDEV_RESTORED_NETWORK_STATE该设备的网络状态为恢复状态。ZDO_INITDEV_NEW_NETWORK_STATE网络状态初始化。这可能意味ZCD_NV_STARTUP_OPTION说，不能恢复，或它可能意味着，没有任何网络状态恢复。ZDO_INITDEV_LEAVE_NOT_STARTED复位前，网络假发重返选项设置为TRUE。因此，该设备没有在网络中启动（仅一次）。下一次调用该函数它才会启动。1.1.3ZDO信息回调一个应用程序使用ZDO_RegisterForZDOMsg()登记信息，就能够接收任何无线信息（请求或响应）。1.1.3.1ZDO_RegisterForZDOMsg()调用此函数请求一个空中信息。该信息的复本会被送到OSAL信息的一个任务中。接收此信息的任务可以自己解析信息或调用一个ZDO解析函数来解析该信息。只有响应信息具有ZDO解析函数。登记信息之后，信息被接收（OTA：无线传送），作为一个ZDO_CB_MSG（OSAL信息）被发送至一个应用程序或任务。信息的主体（zdoIncomingMsg_t—定义在ZDProfile.h中）包含了OTA信息。函数原型ZStatus_tZDO_RegisterForZDOMsg(uint8taskID,uint16clust