ZigBee網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文的目的是為了測(cè)試采用ZigBee協(xié)議開發(fā)的設(shè)備或者產(chǎn)品是否符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)之間的一致性與互通性。為此，設(shè)計(jì)了一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)測(cè)試與驗(yàn)證平臺(tái)，通過對(duì)接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)檢測(cè)，來完成ZigBee協(xié)議的測(cè)試工作。

關(guān)鍵詞：ZigBee；一致性與互通性；ZigBee協(xié)議；測(cè)試節(jié)點(diǎn)

中圖分類號(hào)：TP311.52

2007年，ZigBee聯(lián)盟宣布了認(rèn)證計(jì)劃。為了確保ZigBee[1]產(chǎn)品的可靠性以及在無線組網(wǎng)中工作的穩(wěn)定性，ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)實(shí)施、管理了認(rèn)證測(cè)試。每一個(gè)產(chǎn)品都基于公共應(yīng)用規(guī)范，以保證各個(gè)設(shè)備制造商的產(chǎn)品之間的互操作性。目前，全球只有三家實(shí)驗(yàn)室為ZigBee聯(lián)盟指定的完整測(cè)試服務(wù)授權(quán)廠商[2]。國內(nèi)還沒有一個(gè)廣受認(rèn)可的官方ZigBee測(cè)試規(guī)范。因此，就需要一個(gè)測(cè)試規(guī)范來檢測(cè)ZigBee設(shè)備是否達(dá)到ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該平臺(tái)是一個(gè)專門用于測(cè)試一個(gè)采用ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的ZigBee設(shè)備是否符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，是為了保證ZigBee設(shè)備的一致性、互通性。平臺(tái)由ZigBee測(cè)試節(jié)點(diǎn)、以太網(wǎng)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和PC機(jī)控制端組成。

硬件方面，ZigBee節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集和上傳數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)從ZigBee協(xié)議環(huán)境下到TCP/IP協(xié)議環(huán)境下的轉(zhuǎn)換，并且能在無人看管的條件下長期運(yùn)行。軟件方面，應(yīng)具備如下功能：準(zhǔn)確地接收節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、存儲(chǔ)并可隨時(shí)查看歷史數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的修改和反饋，達(dá)到驗(yàn)證ZigBee節(jié)點(diǎn)是否符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的目的。當(dāng)對(duì)ZigBee測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)起的網(wǎng)絡(luò)，將節(jié)點(diǎn)各層屬性數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，當(dāng)傳輸距離超過一跳傳輸距離時(shí)，數(shù)據(jù)以多跳方式傳輸，觸發(fā)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)接收程序，該程序模塊通過調(diào)用函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)解析成TCP/IP協(xié)議下的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)處理后，使用Socket網(wǎng)絡(luò)編程，將數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī)軟件，軟件調(diào)用合適的函數(shù)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的顯示在軟件界面中，采用合適的方法，完成對(duì)該節(jié)點(diǎn)的測(cè)試與驗(yàn)證。該測(cè)試平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件組成

一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的硬件組成包含ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)以及終端節(jié)點(diǎn)三種，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備（FFD）和半功能設(shè)備（RFD）。其中，F(xiàn)FD設(shè)備可提供全部的IEEE 802.15.4的MAC層服務(wù)，可充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備，因?yàn)镕FD設(shè)備不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能；而RFD設(shè)備只提供部分的IEEE 802.15.4 MAC層服務(wù)，因此只能充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)，而不能充當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，因此它只負(fù)責(zé)將自身的屬性數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能。

整個(gè)節(jié)點(diǎn)硬件電路主要包括射頻模塊、電源模塊、傳感器、嵌入式控制器和時(shí)鐘五個(gè)部分組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用了以ATmega128為核心控制模塊，以CC2530芯片為無線收發(fā)模塊的設(shè)計(jì)方法[3]，ATmega128與CC2530芯片是通過SPI方式進(jìn)行相互之間的通訊的，ATmega128采用主模式，CC2530采用從模式。電源采用連接式電源。時(shí)鐘電路主要是采用ATmega128晶振來產(chǎn)生同步信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)射頻模塊與處理器之間的同步。

在節(jié)點(diǎn)上由ATmega128為主控芯片及其外圍芯片及電路組成的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換設(shè)備，完成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)到以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。圖2為實(shí)際開發(fā)節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面包括硬件節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)和PC機(jī)端的軟件設(shè)計(jì)。

1.2.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)功能主要為：（1）創(chuàng)建并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，維護(hù)節(jié)點(diǎn)加入和退出時(shí)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（2）接收PC機(jī)服務(wù)器端發(fā)送來的控制指令，并將其通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給各路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。（3）將ZigBee網(wǎng)絡(luò)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)的各層屬性數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和融合，最后通過ZigBee模塊發(fā)送給PC機(jī)服務(wù)器端。

1.2.2 路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的作用是采集數(shù)據(jù)，路由器除了采集數(shù)據(jù)以外還負(fù)責(zé)建立數(shù)據(jù)路由，其主要功能如下：（1）通過掃描可用信道尋找可用網(wǎng)絡(luò)，如果存在可用網(wǎng)絡(luò)，則終端節(jié)點(diǎn)/路由器節(jié)點(diǎn)就開始請(qǐng)求加入到網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)成功加入網(wǎng)絡(luò)后，終端節(jié)點(diǎn)/路由器節(jié)點(diǎn)便開始向目標(biāo)服務(wù)器發(fā)送自身的各層屬性數(shù)據(jù)。（2）采用中斷方式，接收由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的命令，并對(duì)命令進(jìn)行判斷，如果命令被判斷為控制命令，終端節(jié)點(diǎn)/路由器節(jié)點(diǎn)則根據(jù)命令幀收發(fā)數(shù)據(jù)，如果命令是修改命令，則根據(jù)命令，終端節(jié)點(diǎn)/路由器節(jié)點(diǎn)完成對(duì)對(duì)應(yīng)屬性值的修改。

1.2.3 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

該平臺(tái)軟件是以Windows XP為操作系統(tǒng)，采用C++語言，選用Visual Studio 2010程序開發(fā)工具以及MFC對(duì)界面程序及其它應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)[4]。軟件界面如圖3所示。

PC機(jī)軟件主要包含四個(gè)模塊：（1）網(wǎng)絡(luò)通信模塊，對(duì)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽；（2）數(shù)據(jù)處理模塊，解析ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，接收網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包，分析數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，對(duì)解析好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類；（3）數(shù)據(jù)顯示模塊，在軟件中顯示接收的各節(jié)點(diǎn)IP地址及TCP/IP模型各層數(shù)據(jù)；（4）驗(yàn)證模塊，ZigBee節(jié)點(diǎn)接收服務(wù)器的修改命令，對(duì)節(jié)點(diǎn)屬性進(jìn)行修改和反饋。

（1）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。為完成PC機(jī)軟件端對(duì)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽，ZigBee測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用TCP/IP協(xié)議的Socket編程與服務(wù)器端建立連接，使用了IO完成端口（Completion Port）網(wǎng)絡(luò)通信模型。實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議通信所采用的臨時(shí)端口號(hào)為10012。

（2）數(shù)據(jù)處理模塊。與服務(wù)器端建立連接后，采用函數(shù)inet_ntoa（）將一個(gè)32位數(shù)字表示的IP地址轉(zhuǎn)換成點(diǎn)分十進(jìn)制IP地址字符串，存入名為IPAddressForTreeCtrl的Vector全局容器中，以方便測(cè)試過程中更好地對(duì)IP地址查看和使用。當(dāng)各個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的各層屬性數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到數(shù)據(jù)中心之后，數(shù)據(jù)中心的程序動(dòng)態(tài)新建一個(gè)CNode類對(duì)象，并將接收到的數(shù)據(jù)存入Vector容器中，以便以后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將處理后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在軟件界面中。

（3）數(shù)據(jù)顯示模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊一方面顯示節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)IP地址，另一方面顯示節(jié)點(diǎn)各層的屬性值。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)IP地址顯示在界面中的網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)列表欄中，是通過PC軟件端對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析實(shí)現(xiàn)的，通過解析后可以得知各節(jié)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的三種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，然后分別顯示在樹控件對(duì)應(yīng)的根結(jié)點(diǎn)下。

經(jīng)過處理后的各節(jié)點(diǎn)的屬性數(shù)據(jù)全部顯示在界面中間部分的Tab控件中，通過解析數(shù)據(jù)幀，將數(shù)據(jù)分別顯示在基本屬性、APS層屬性、NWK層屬性、MAC層屬性和PHY層屬性五個(gè)子頁面中。每個(gè)子界面中包括各層中的一些主要屬性的屬性名、獲取的屬性值以及一個(gè)確定按鈕，屬性值的獲取采用實(shí)時(shí)更新。

1.3 數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證模塊

該模塊是通過對(duì)數(shù)據(jù)顯示模塊中的一些不符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的屬性參數(shù)進(jìn)行修改，向節(jié)點(diǎn)發(fā)送修改數(shù)據(jù)包，通過接收節(jié)點(diǎn)的修改反饋，來完成驗(yàn)證工作，檢驗(yàn)一個(gè)ZigBee測(cè)試節(jié)點(diǎn)能否適應(yīng)所在的符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

2 測(cè)試方法

目前，協(xié)議測(cè)試一般包含一致性測(cè)試（Conformance Testing）、互操作性測(cè)試（Interoperability Testing）以及性能測(cè)試（Performance Testing）[2]。一致性測(cè)試是檢測(cè)協(xié)議實(shí)現(xiàn)和協(xié)議描述的一致與否，互操作性測(cè)試檢測(cè)一個(gè)協(xié)議規(guī)范的不同實(shí)現(xiàn)之間的互通性和互操作性，性能測(cè)試是檢測(cè)一個(gè)協(xié)議的實(shí)現(xiàn)的性能是否滿足要求，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、吞吐率、響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)。一致性測(cè)試是其他測(cè)試的基礎(chǔ)。

協(xié)議測(cè)試的目的就是保證協(xié)議棧軟件對(duì)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的正確實(shí)現(xiàn)以及符合協(xié)議的不同廠商的設(shè)備能夠正常通信[5]。

該平臺(tái)選用一致性測(cè)試來完成ZigBee測(cè)試節(jié)點(diǎn)測(cè)試工作。測(cè)試步驟如下：

（1）搭建一個(gè)符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，采用有線的方式接入PC機(jī)遠(yuǎn)程控制端所在的以太網(wǎng)中，如下圖5所示。

（2）在Windows的平臺(tái)下，借助于Visual Studio 2010開發(fā)工具基于VC++完成PC機(jī)遠(yuǎn)程控制端的軟件設(shè)計(jì)，采用IOCP（IO完成端口）技術(shù)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器通信[6]，管理測(cè)試過程；

（3）當(dāng)ZigBee測(cè)試節(jié)點(diǎn)加入自組的ZigBee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，采用有線的方式連入以太網(wǎng)中，完成與PC機(jī)遠(yuǎn)程控制端的通信，依照協(xié)議定義的數(shù)據(jù)格式開始向PC機(jī)端發(fā)送數(shù)據(jù)包；PC機(jī)端接收到數(shù)據(jù)包后，依照協(xié)議解析數(shù)據(jù)包，將解析出來節(jié)點(diǎn)各層屬性參數(shù)，顯示在PC機(jī)控制端的界面中，觀察節(jié)點(diǎn)的屬性參數(shù)是否滿足ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)指標(biāo)，來分析測(cè)試結(jié)果；

（4）參照ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)指標(biāo)，對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)中不符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的屬性參數(shù)進(jìn)行修改，觀察測(cè)試節(jié)點(diǎn)屬性參數(shù)的修改狀況，通過對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)屬性參數(shù)的修改，確認(rèn)該測(cè)試節(jié)點(diǎn)能否適應(yīng)該ZigBee網(wǎng)絡(luò)，來分析測(cè)試結(jié)果。

預(yù)測(cè)結(jié)果：軟件控制端提取各層屬性數(shù)據(jù)，顯示在界面上，查看參數(shù)是否滿足各個(gè)屬性指標(biāo)。若滿足該屬性指標(biāo)，則該節(jié)點(diǎn)符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；若不滿足該參數(shù)指標(biāo)，則對(duì)該節(jié)點(diǎn)屬性值進(jìn)行修改測(cè)試，參照ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)指標(biāo)，對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)屬性值進(jìn)行修改，若修改成功，節(jié)點(diǎn)還能適應(yīng)該ZigBee網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)中正常運(yùn)行，則該節(jié)點(diǎn)符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)；若修改失敗，則該節(jié)點(diǎn)不符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)束語

ZigBee 技術(shù)以其低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中得到了廣泛的應(yīng)用，比如，在智能家居、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控領(lǐng)域具備都有著廣闊的市場(chǎng)[7]。致使以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的無線傳感網(wǎng)的研究，在國內(nèi)外的學(xué)術(shù)界以及產(chǎn)業(yè)界都開始蓬勃的發(fā)展。這意味著一個(gè)ZigBee測(cè)試認(rèn)證對(duì)其相關(guān)產(chǎn)品而言至關(guān)重要。

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作者簡介：申二星（1988-），男，河南焦作人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)；李祥攀（1985-），男，山東菏澤人，碩士研究生；許期長（1989-），男，重慶梁平人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

作者單位：重慶郵電大學(xué) 寬帶泛在接入技術(shù)研究所，重慶 400065