基于RTOS的ZigBee協(xié)議物理層和MAC層的設計分析

摘要:該文基于嵌入式實時操作系統(tǒng)[1]對無線傳感器網(wǎng)絡[2-3]協(xié)議進行了研究。在分析RTOS和無線傳感器網(wǎng)絡特點的基礎上，提出了基于微小內(nèi)核的嵌入式實時操作系統(tǒng)的ZigBee[4-5]協(xié)議的物理層和MAC層的軟件設計方法，降低了無線網(wǎng)絡開發(fā)難度，有利于程序擴展和代碼移植，為以后網(wǎng)絡層和應用層的開發(fā)，提供了一個簡單易實現(xiàn)的平臺。

關鍵詞:ZigBee;無線網(wǎng)絡;實時操作系統(tǒng);軟件設計

中圖分類號: TN929 文獻標志碼:A文章編號:1009-3044(2009)36-10608-03

Design of Physical Layer and MAC Layer of ZigBee Protocol Based on Embedded Real-Time Operating System

SUN Yi

(Shandong Jiaotong University， Jinan 250357， China)

Abstract: This paper researches on wireless sensor network based on Embedded Real-Time Operating System. In analyzing RTOS and wireless sensor networks， a software design methods on physical and MAC layer of ZigBee is presented based on a micro-kernel embedded real-time operating system. This method reduced the difficulty of the wireless network development by programs expansion and codes migration. It provides a simple and easy to realize platform for the subsequent network layer and application layer development.

Key words: ZigBee; wireless sensor network; real time operating system; software design

隨著嵌入式系統(tǒng)、無線通信、微電子等技術的快速發(fā)展，具有感知、計算和無線網(wǎng)絡通信能力的傳感器，以及由其構成的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network， WSN)引起了人們的極大關注。實時操作系統(tǒng)(Real-Time Operating System，RTOS)是建立在單片機硬件系統(tǒng)之上的一個平臺，用戶的一切開發(fā)工作都在該平臺上進行，它定義了每個應用任務和內(nèi)核的接口，也促進了應用程序的標準化。應用程序標準化后便于軟件的存檔、交流、修改和擴展，減少開發(fā)管理工作量。ZigBee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡技術，國際上IEEE802.15.4工作組及ZigBee聯(lián)盟共同致力于該無線連接技術的推廣工作，其中，IEEE802.15.4只規(guī)定了ZigBee的物理層和MAC層的功能，僅處理這兩層的通信協(xié)議。ZigBee網(wǎng)絡通信過程，大致包括協(xié)調(diào)器組織網(wǎng)絡，節(jié)點器件加入、離開，發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，信標幀的產(chǎn)生、重發(fā)，安全機制以及PIB屬性管理等等過程，利用傳統(tǒng)的前后臺模式思路，開發(fā)過程和調(diào)試過程會非常復雜，甚至實時性、穩(wěn)定性較差。

本文正是鑒于ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議的復雜性和嵌入式RTOS平臺開發(fā)的方便性，在分析二者特點的基礎上，將ZigBee協(xié)議的物理層和MAC層移植到RTOS上。利用RTOS來開發(fā)，通過把復雜的過程劃分為幾個獨立的任務，任務之間的相互聯(lián)系通過事件來驅(qū)動，這樣會使設計過程簡單，降低開發(fā)難度，大大增加程序的移植性和代碼的可重復利用性。經(jīng)多次測試、使用，開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)運行效果良好，系統(tǒng)比較可靠、穩(wěn)定。

1 設計目標

軟件設計分為兩部分:系統(tǒng)級任務和應用級任務。系統(tǒng)級任務能夠獨立完成基礎性工作，不需要高層協(xié)議來管理，并且給應用級任務提供接口，能夠?qū)崿F(xiàn)任務的擴展;應用級任務通過系統(tǒng)級任務提供的交互與操作系統(tǒng)進行交互，應用級任務根據(jù)實際的需要來開發(fā)，利用操作系統(tǒng)提供的接口，利用系統(tǒng)級任務來實現(xiàn)具體的應用。

2 系統(tǒng)設計

在原有RTOS基礎上增加幾個系統(tǒng)任務，完成ZigBee網(wǎng)絡通信的基本功能，使RTOS成為符合ZigBee開發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)。其中增加的系統(tǒng)功能為:協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡組建功能，節(jié)點器件的加入網(wǎng)絡和斷開網(wǎng)絡功能，信標幀的產(chǎn)生功能，信標幀的跟蹤功能，數(shù)據(jù)接收功能，數(shù)據(jù)發(fā)送功能，數(shù)據(jù)確認重發(fā)功能以及網(wǎng)絡鄰居表的維護和PIB屬性的管理。整個通信主程序的流程圖如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)級任務分析

系統(tǒng)初始化設計:主要是對寄存器等基本硬件進行設置，對變量賦初始值等。

1)消息泵任務emMsg_Pump()。該任務是整個系統(tǒng)消息機制核心部分，負責接收并處理每個任務發(fā)給系統(tǒng)的消息，并根據(jù)消息值觸發(fā)相應的任務。是系統(tǒng)優(yōu)先級最低的任務，永遠處于就緒狀態(tài)。系統(tǒng)運行之初，如果沒有其他優(yōu)先級高的任務，系統(tǒng)便會運行此任務，處于就緒狀態(tài)。在整個嵌入式系統(tǒng)運行期間，所有任務之間通信機制是消息驅(qū)動機制，具體做法是某個進程運行結束時，產(chǎn)生系統(tǒng)消息，并把它放入系統(tǒng)的消息隊列，等到消息分發(fā)任務運行時候，它從消息隊列中提取消息，然后分發(fā)消息到需要觸發(fā)的任務當中，修改觸發(fā)任務的運行狀態(tài)為就緒狀態(tài)，當系統(tǒng)再次調(diào)度時，運行要觸發(fā)的任務。流程圖如圖2所示。

2)組建網(wǎng)絡或加入網(wǎng)絡任務emAssociation_Join()。要實現(xiàn)節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間通信，必須構成一個基本的ZigBee無線網(wǎng)絡。IEEE802.15.4標準中規(guī)定無線個人局域網(wǎng)的構成至少有一個協(xié)調(diào)器，最大網(wǎng)絡容量為255個節(jié)點。該任務就是實現(xiàn)構建網(wǎng)絡的過程。若器件是協(xié)調(diào)器，它首先完成創(chuàng)建一個網(wǎng)絡的過程，若是節(jié)點器件，則完成加入網(wǎng)絡的過程。具體組網(wǎng)的過程實現(xiàn):協(xié)調(diào)器首先進行頻道掃描確定未使用的信道，并在自己電磁波輻射范圍內(nèi)通過接收的信標幀來捕捉其它協(xié)調(diào)器的信息，從而確定此范圍內(nèi)正在使用的信道和網(wǎng)絡標識符，然后根據(jù)某種算法選擇一個未使用網(wǎng)絡標號更新系統(tǒng)的macPANId，通過自己的信道發(fā)送信標幀，通知周圍的節(jié)點。網(wǎng)絡節(jié)點器件被動的掃描，捕捉附近的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，選擇合適的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，發(fā)送加入網(wǎng)絡請求，收到ack應答后開始在最大響應時間內(nèi)等待協(xié)調(diào)器的響應幀。如果協(xié)調(diào)器允許此節(jié)點加入網(wǎng)絡，則會分配一個16位的短地址給節(jié)點，并把此節(jié)點的信息存入網(wǎng)絡鄰居表，網(wǎng)絡節(jié)點收到允許加入的響應幀后更新自己的地址信息。否則，繼續(xù)掃描其他的協(xié)調(diào)器，請求加入其他網(wǎng)絡。當協(xié)調(diào)器和節(jié)點器件完成上述過程后，也就完成了組網(wǎng)的過程。當組網(wǎng)過程結束后，會改變系統(tǒng)的狀態(tài)機，產(chǎn)生消息MSG_JOIN_NET并觸發(fā)另一個任務的運行。

3)斷開網(wǎng)絡連接的任務emAssociation_Leave()。該任務是節(jié)點器件任務。當網(wǎng)絡節(jié)點想離開當前加入的網(wǎng)絡，就發(fā)送離開網(wǎng)絡的請求命令，協(xié)調(diào)器允許其離開，會在信標幀中通知此節(jié)點同時將其信息從網(wǎng)絡鄰居表中刪除。網(wǎng)絡節(jié)點完成該任務后，產(chǎn)生系統(tǒng)消息MSG_LEAVE_NET，并修改系統(tǒng)的狀態(tài)機。

4)數(shù)據(jù)幀報文發(fā)送任務emPacket_Send()。當協(xié)議上層要發(fā)送數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，并產(chǎn)生系統(tǒng)消息給RTOS，由RTOS來完成數(shù)據(jù)報文發(fā)送。RTOS便會調(diào)用該數(shù)據(jù)幀報文發(fā)送任務，首先填寫幀控制、地址等報文頭信息，復制數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，加上CRC校驗碼，完成數(shù)據(jù)報文封包工作。其次打開射頻收發(fā)器的發(fā)送開關，通過對CCA檢測，判斷通信信道的狀態(tài)，從而實現(xiàn)沖突碰撞檢測機制。若信道空閑，則發(fā)送報文，若信道處于忙狀態(tài)，則隨機等待一段時間，再次檢測信道狀態(tài)，直到其空閑，完成數(shù)據(jù)報的發(fā)送過程，同時發(fā)送系統(tǒng)消息MSG_SEND_END觸發(fā)確認重發(fā)任務，在macAckWaitDuration時間內(nèi)等待收到報文的設備發(fā)送ack確認報文。在上述時間段內(nèi)收到ack確認，便返回一個數(shù)據(jù)發(fā)送成功的狀態(tài)，否則便啟動重發(fā)機制，若重發(fā)次數(shù)超過aMaxFrameResponse，仍未收到確認，則丟棄報文，返回發(fā)送失敗的狀態(tài)。流程圖如圖3所示。

5)數(shù)據(jù)幀報接收任務emPacket_Receive()。該任務對報文進行三級過濾，首先對報文進行地址辨識，檢測報文的發(fā)送目的地址是否是發(fā)給本網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，不是則丟棄報文，完成數(shù)據(jù)報文第一級過濾;其次對報文進行長度判斷，檢測報文長度是否符合協(xié)議規(guī)定，不符合則丟掉報文，完成第二級數(shù)據(jù)報文的過濾;接著對報文進行CRC校驗的判斷，不正確則丟掉報文，實現(xiàn)第三級報文過濾。最后根據(jù)報文種類的不同將其存入對應的接收緩沖區(qū)，修改信號量的值，表明數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)。流程圖如圖4所示。

該任務有中斷實現(xiàn)，執(zhí)行完畢并不觸發(fā)消息，只是修改接收緩沖區(qū)的信號量的值。原因在于網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)頻率較高，為了能夠及時響應，保證此任務不會使其它正在進行的任務重復重啟。從而提高了系統(tǒng)實時性，減少了數(shù)據(jù)報文的丟失率。

6)各種命令處理任務emCmd_Process()。在ZigBee無線網(wǎng)絡中，規(guī)定在接收到的報文中對確認幀是優(yōu)先處理的，其次是命令幀，最后才是數(shù)據(jù)幀。協(xié)調(diào)器處理的命令包括節(jié)點器件的請求加入網(wǎng)絡命令、離開網(wǎng)絡命令、網(wǎng)絡沖突命令、器件孤立命令。協(xié)調(diào)器收到這些命令，可能要發(fā)送響應命令，又涉及到?jīng)_突檢測、確認和重發(fā)的判定，為了減少對系統(tǒng)任務在實現(xiàn)一個簡單的功能反復切換，直接在命令處理任務中實現(xiàn)確認重發(fā)機制。協(xié)調(diào)器對請求加入網(wǎng)絡的命令要給予響應，分配短地址，加入網(wǎng)絡鄰居表;對來開網(wǎng)絡請求，要在信標幀中給予通知，并從網(wǎng)絡鄰居表中刪除節(jié)點信息。對網(wǎng)絡標識符沖突命令，要重新掃描、組網(wǎng)等。處理完畢產(chǎn)生系統(tǒng)消息MSG_CMD_END，觸發(fā)數(shù)據(jù)處理任務。

7)數(shù)據(jù)幀報文的處理任務emData_Process()。把數(shù)據(jù)幀的報文處理，單獨作為一個任務，主要原因在于數(shù)據(jù)幀是在協(xié)議上層來組織和處理，操作系統(tǒng)如果收到數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)請求命令，只給上層任務發(fā)送消息，觸發(fā)上層處理任務。具體的處理工作由上層處理任務完成，從而實現(xiàn)了操作系統(tǒng)完成基本的操作，給上層任務提供接口，供上層任務使用，為后續(xù)開發(fā)奠定了基礎。

8)定時發(fā)送信標幀的任務emBeacon_Send()，在信標使能的網(wǎng)絡中，所有的通信過程都是由協(xié)調(diào)器來主導，協(xié)調(diào)器通過信標幀來實現(xiàn)網(wǎng)絡內(nèi)所有節(jié)點的通信的同步，并且控制通信的節(jié)點，控制通信的時間等。節(jié)點器件加入網(wǎng)絡，也要首先對信標幀進行跟蹤捕捉，進行綜合判斷。所以在ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)，協(xié)調(diào)器每隔一定的時間來發(fā)送信標幀，網(wǎng)絡內(nèi)的各個節(jié)點器件通過信標幀安排自己的工作，從而實現(xiàn)了信標使能網(wǎng)絡的通信過程。發(fā)送信標幀后發(fā)送系統(tǒng)消息MSG_BEACON_OVER。這個任務是由定時器的定時消息驅(qū)動。當定時時間到達以后，發(fā)送定時到達的系統(tǒng)消息MSG_TIME_OUT，通過系統(tǒng)調(diào)度實現(xiàn)此任務的運行。

2.2 應用級任務分析

1)對數(shù)據(jù)請求命令的處理任務emDataRequest_Task()。這個任務收到操作系統(tǒng)的消息后，就會組織數(shù)據(jù)，發(fā)送給節(jié)點。它要做的只是發(fā)送一個消息給系統(tǒng)，消息的內(nèi)容包括發(fā)送數(shù)據(jù)的指針和數(shù)據(jù)的長度。

2)網(wǎng)絡PIB數(shù)據(jù)庫管理emPIB_Manage()，此任務可以用來更新、維護物理層和MAC層的屬性，包括能量設定管理，以適應不同情況下通信需要。

3 結束語

該文通過對嵌入式RTOS運行機制和無線傳感器網(wǎng)絡ZigBee協(xié)議的深入研究，成功將ZigBee協(xié)議的物理層和MAC層移植到RTOS上，對無線通信過程各個環(huán)節(jié)進行了較為詳細任務實現(xiàn)分析，該方法的實現(xiàn)降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，提高了開發(fā)效率，對于開發(fā)相關的應用軟件或進行硬件平臺的移植有一定參考價值。

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