基于聯(lián)創(chuàng)中控物聯(lián)網(wǎng)平臺應用程序與ZigBee網(wǎng)關通信協(xié)議的研究

魏　鋼（錦州師范高等?？茖W校，遼寧　錦州　121000）

?

基于聯(lián)創(chuàng)中控物聯(lián)網(wǎng)平臺應用程序與ZigBee網(wǎng)關通信協(xié)議的研究

魏鋼
（錦州師范高等?？茖W校，遼寧錦州121000）

摘要：ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸具有一定數(shù)據(jù)格式，物聯(lián)網(wǎng)應用程序通過對這些數(shù)據(jù)讀寫實現(xiàn)對設備的控制。本文通過對“聯(lián)創(chuàng)中控物聯(lián)網(wǎng)平臺”應用程序與ZigBee網(wǎng)關通信協(xié)議的研究，介紹數(shù)據(jù)通信的格式，促進開發(fā)人員對設備的了解和應用程序的編寫。

關鍵詞：ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關

0　引言

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，它是一種短距離、低功耗的無線通信技術。聯(lián)創(chuàng)中控研發(fā)的無線傳感網(wǎng)絡實驗教學平臺整體上包括ZigBee網(wǎng)絡，Android智能網(wǎng)關服務程序和Android終端應用程序三部分。通信過程是傳感器節(jié)點通過CC2530無線射頻將數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)調器節(jié)點上，協(xié)調器節(jié)點通過串口與Android智能網(wǎng)關服務程序進行通信，Android終端應用程序通過3G/WIFI或以太網(wǎng)方式與Android智能網(wǎng)關服務程序進行通信，進而實現(xiàn)控制各個傳感器節(jié)點。實際開發(fā)中Android終端應用程序主要使用了以太網(wǎng)Socket編程技術，Android終端應用程序作為TCP通信的客戶端，Android智能網(wǎng)關程序作為TCP通信的服務端，客戶端把數(shù)據(jù)通過TCP通信把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務端，服務端以串口通信方式把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點解析數(shù)據(jù)發(fā)送給各個傳感器節(jié)點實現(xiàn)控制［1］。研究終端應用程序與ZigBee網(wǎng)關應用程序通信協(xié)議是開發(fā)應用程序的前提，協(xié)議的測試與使用方法具體內(nèi)容如下：

1　上位機與網(wǎng)關進行組網(wǎng)

首先，上位機的網(wǎng)絡配置。對于Win7操作系統(tǒng)右擊桌面的網(wǎng)絡，點擊屬性打開網(wǎng)絡和共享中心，點擊本地連接，前提是網(wǎng)卡與無線路由器設備之間有物理連接，點擊屬性進行網(wǎng)卡配置，使用靜態(tài)IP地址，輸入IP地址為192.168.1.2，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，默認網(wǎng)關為192.168.1.1。

其次，準備一臺無線路由器，用于實現(xiàn)通訊設備間無線或有線組網(wǎng)。啟動IE瀏覽器，在地址欄里輸入http://192.168.1.1，進行無線路由器配置。對于不同廠家的無線路由器的IP和配置方式可能不同，查看產(chǎn)品使用說明書即可。設置無線路由器的登錄密碼，設置密碼與確認密碼保持一致，如果忘記密碼，按Reset鍵可以恢復出廠設置。上網(wǎng)設置可以跳過，輸入無線名稱和無線密碼，IP地址使用默認192.168.1.1。

最后，網(wǎng)關的網(wǎng)絡配置。物理連接好網(wǎng)關和無線路由器，啟動智能網(wǎng)關的Android系統(tǒng)。點擊設置關閉WIFI，選擇以太網(wǎng)絡。點擊打開網(wǎng)絡，進行網(wǎng)絡配置。獲取IP方式選擇靜態(tài)IP，輸入IP地址192.168.1.3，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，網(wǎng)關為192.168.1.1，保存配置。配置結束后，在上位機上啟動命令提示符，輸入ping 192.168.1.3，測試上位機與網(wǎng)關設備組網(wǎng)是否成功。

2　通信協(xié)議的命令格式

終端應用程序與ZigBee網(wǎng)關的通信協(xié)議是具有一定格式的，每一條命令由起始位、命令、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)和校驗五部分構成，具體說明如表1所示。

表1　命令格式

SOP表示命令的開始，長度為1個字節(jié)，取固定值為0x02。

CMD表示命令標識碼，長度為2個字節(jié)，用于區(qū)別不同的命令。其中0x2900表示上位機向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)；0x6900表示網(wǎng)關向上位機響應；0x6980表示網(wǎng)關向上位機響應具體數(shù)據(jù)。

LEN表示DATA域的長度，長度為1個字節(jié)，為0表示沒有數(shù)據(jù)域。DATA表示數(shù)據(jù)格式，長度為n個字節(jié)，由EP和APP_MSG構成。其中EP為固定一個字節(jié)取值為 0x02；APP_MSG為具體的數(shù)據(jù)通信幀，由2個字節(jié)的網(wǎng)絡地址、2個字節(jié)的命令id和x個字節(jié)數(shù)據(jù)包構成，詳細說明如表2所示。

表2　APP_MSG格式

FCS表示數(shù)據(jù)校驗，長度為1個字節(jié)，從CMD到DATA的異或和。

3　傳感器節(jié)點網(wǎng)絡地址測試

ZigBee有兩種類型地址，一種是64位IEEE地址，即MAC地址，它是全球唯一的地址，一經(jīng)分配就將跟隨設備一生，它通常由制造商或者被安裝時設置，這些地址由IEEE組織來維護和分配。另一種是16位的網(wǎng)絡地址，相對于IEEE地址又叫做短地址，可以由開發(fā)人員自己指定，但是為了防止指定網(wǎng)絡地址沖突，通常使用分布式尋址方案來動態(tài)分配網(wǎng)絡地址，從而保證整個網(wǎng)絡中所有分配的地址都是唯一的［2］。在單一的ZigBee網(wǎng)絡內(nèi)部主要通過網(wǎng)絡地址來區(qū)分不同的設備，默認ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調器節(jié)點的網(wǎng)絡地址為0x0000。

測試傳感器節(jié)點網(wǎng)絡地址可以通過測試協(xié)調器節(jié)點鄰居表的辦法來獲得，鄰居表的參數(shù)標示為0015。啟動Android智能網(wǎng)關，選擇啟用ZigBee網(wǎng)關。在上位機上安裝網(wǎng)絡調試助手工具，協(xié)議選擇TCP Client，本地主機地址自動獲得為192.168.1.2，遠程主機地址和端口為192.168.1.3:8320，其中8320為智能網(wǎng)關TCP服務端的端口號，點擊連接，按鈕變成紅色表示網(wǎng)絡連接成功，選中按十六進制發(fā)送，輸入命令02 29 00 07 02 00 00 00 01 00 15 38，表示向協(xié)調器詢問鄰居表信息，命令說明如下：

02表示命令開始，2900表示上位機向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，07表示發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，02表示數(shù)據(jù)開始，0000表示目標地址是協(xié)調器，0001表示要讀信息，0015表示要讀取節(jié)點的鄰居表信息，38表示29 00 07 02 00 00 00 01 00 15的異或和結果。在協(xié)議研究中由于經(jīng)常要用到異或和，可以設計一個用于實現(xiàn)異或計算的類，實現(xiàn)自動計算異或功能［3］，代碼如下：

點擊發(fā)送后，接收區(qū)返回數(shù)據(jù)為02 69 00 01 00 68 02 69 80 0C 00 00 80 01 00 00 15 02 2F 3E 46 D6 F2，信息說明如下：

第一部分，02 69 00 01 00 68，表示網(wǎng)關向上位機響應。

第二部分，02 69 80 0C 00 00 80 01 00 00 15 02 2F 3E 46 D6 F2，表示網(wǎng)關向上位機響應的數(shù)據(jù)信息。其中02表示命令開始，6980表示網(wǎng)關向上位機響應，0C表示響應數(shù)據(jù)的長度，0000表示響應的節(jié)點地址，8001表示讀參數(shù)響應，00表示讀參數(shù)響應正常，0015表示鄰居表參數(shù)，02表示鄰居表個數(shù)，2F3E表示第一個鄰居表網(wǎng)絡地址，46D6表示第二個鄰居表網(wǎng)絡地址，F(xiàn)2表示69 80 0C 00 00 80 01 00 00 15 02 2F 3E 46 D6異或和。

4　傳感器節(jié)點類型測試

傳感器在加入ZigBee網(wǎng)之前要進行設備類型編號，設備類型參數(shù)為0005，常用類型編號如表3所示。

表3　傳感器設備編號

由于網(wǎng)絡地址是由ZigBee網(wǎng)絡動態(tài)生成，每次實驗的數(shù)據(jù)可能有所不同。經(jīng)測試協(xié)調器鄰居表的網(wǎng)絡地址為a75d，在網(wǎng)絡通訊助手工具上發(fā)送02 29 00 07 02 a7 5d 00 01 00 05 d2，查看傳感器的設備類型編號，命令說明如下：

02表示命令開始，2900表示上位機向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，07表示數(shù)據(jù)長度，02表示數(shù)據(jù)開始，a75d表示目標設備的網(wǎng)絡地址，0001表示讀信息，0005表示設備類型，d2表示29 00 07 02 a7 5d 00 01 00 05異或和。

點擊發(fā)送后，接受區(qū)返回數(shù)據(jù)為02 69 00 01 00 68 02 69 80 08 a7 5d 80 01 00 00 05 42 DD，其中倒數(shù)第2個字節(jié)數(shù)據(jù)42表示設備的編號，對照傳感器設備編號表，確認為直流電機傳感器。

5　傳感器節(jié)點使用的測試

傳感器節(jié)點操作可以分為讀和寫兩種。例如對直流電機傳感器節(jié)點的讀操作，可以查看當前電機的狀態(tài)；對直流電機傳感器節(jié)點的寫操作，可以控制電機正轉，反轉和停止。關于直流電機傳感器節(jié)點的設備參數(shù)說明如表4所示。

表4　直流電機傳感設備參數(shù)

5.1查看直流電機傳感器狀態(tài)

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 07 02 a7 5d 00 01 42 02 97

接受數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 08 a7 5d 80 01 00 42 02 00 DA，其中4202表示讀設備參數(shù)，00表示電機處于停止狀態(tài)。

5.2控制直流電機傳感器正轉

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 08 02 a7 5d 00 02 42 01 01 99，其中0002表示寫請求，4201表示寫設備參數(shù)，01表示電機的正轉數(shù)度。

收到數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 05 A7 5D 80 02 00 94 02 69 80 07 a7 5d 00 03 42 02 01 56，其中8002表示寫響應，00表示寫成功，0003表示自動上報直流電機傳感器的狀態(tài)，01是正轉。

5.3控制直流電機傳感器反轉

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 08 02 a7 5d 00 02 42 01 ff 67，其中0002表示寫請求，4201表示寫設備參數(shù)，ff表示電機的反轉的數(shù)度。

收到數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 05 A7 5D 80 02 00 94 02 69 80 07 a7 5d 00 03 42 02 ff 58，其中8002表示寫響應，00表示寫成功，0003表示自動上報直流電機傳感器的狀態(tài)，ff是反轉。

5.4控制直流電機傳感器停止

發(fā)送數(shù)據(jù)：02 29 00 08 02 a7 5d 00 02 42 01 00 98，，其中0002表示寫請求，4201表示寫設備參數(shù)，00表示電機停止。

收到數(shù)據(jù)：02 69 00 01 00 68 02 69 80 05 A7 5D 80 02 00 94 02 69 80 07 a7 5d 00 03 42 02 00 57，其中8002表示寫響應，00表示寫成功，0003表示自動上報直流電機傳感器的狀態(tài)，00是停止。

6　結束語

通過對“聯(lián)創(chuàng)中控物聯(lián)網(wǎng)平臺”的使用，對傳感器節(jié)點網(wǎng)絡地址、傳感器節(jié)點設備類型和傳感器節(jié)點使用的測試，深入分析了應用程序與ZigBee網(wǎng)關通信協(xié)議的數(shù)據(jù)格式和使用方式，并給出了具體的測試方案，對于物聯(lián)網(wǎng)應用層程序開發(fā)人員具有一定指導作用。

參考文獻：

［1］聯(lián)創(chuàng)中控（北京）科技有限公司.ZigBee無線傳感網(wǎng)技術與應用系統(tǒng)開發(fā).

［2］周武斌.ZigBee無線組網(wǎng)技術的研究［D］.湖南：中山大學，2009.

［3］劉文杰，鄭玉，劉志昊.Java 7實用教程［M］.北京:清華大學出版社，2013.

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.11.129

作者簡介：魏鋼（1978-），男，遼寧盤錦人，碩士，講師，主要從事Java Web開發(fā)、物聯(lián)網(wǎng)應用程序開發(fā)研究。