zigbee实验报告.docx
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zigbee实验报告
《接入技术课题报告》
学院：
计算机与信息学院
专业班级：
通信工程一班
课题名称：
Zigbee实现树状网络
日期：
2014年5月9日
课题任务：
1.用zigbee开发套件实现zigbee设备的组网；
2.了解PAN协调器的启动过程；
3.了解路由器与设备加入网络的过程；
4.通过zigbee网络传输温度与湿度的数据；
5.理解Z-stack的协议架构；
6.用抓包器分析MAC帧的内容。
课题结果：
任务1：
用zigbee开发套件实现zigbee设备的组网
Zigbee组网就是调用协议栈的组网函数、加入网络函数，实现网络的建立与节点的加
入。
组网可有多种方案而且还有不同的拓扑结构，如任务4中我们所建立的数据传输网络也是其中的一部分。
详见任务4。
任务2：
了解PAN协调器的启动过程
建立网络是一个自动的过程，协调器在应用指定的网络信道范围内进行能量扫描，通过在各个信道上进行监听，获取各信道能量水平。
协调器会选择一个干扰和冲突最少的信道建立网络。
确定了工作信道后，设备可以进一步设置其余网络参数，包括PAN标识，网络地址，扩展PAN标识等。
应用层通过NLME-NETWORK-FORMATION.request触发网络层进行网络建立过程。
原语包括扫描信道，扫描时间，信标阶，超帧阶，电池寿命扩展标志等参数。
网络建立的具体过程：
调用MAC层MLME-SCAN原语先后进行能量扫描和主动扫描，在选择好信道、PAN标识等参数后调用NLME-SET原语先后对参数进行设置，最后通过MLME-START原语启动协调器。
具体过程如下：
ZSEGintmain（void）
{
……
//初始化操作系统
osal_init_system（）;
……
}
OSAL.c
byteosal_init_system（void）
{
……
//初始化系统的任务
osalInitTasks（）;
……
}
OSAL_SampleApp.c
voidosalInitTasks（void）
{
……
ZDApp_Init（taskID++）;
SampleApp_Init（taskID）;
}
ZDApp.c
voidZDApp_Init（bytetask_id）
{
ZDAppTaskID=task_id;
//InitializetheZDOglobaldeviceshortaddressstorage
ZDAppNwkAddr.addrMode=Addr16Bit;//地址模式为16bit短地址
ZDAppNwkAddr.addr.shortAddr=INVALID_NODE_ADDR;//短地址=0xFFFE
（void）NLME_GetExtAddr（）;//API函数，用于得到64bitIEEE地址
//InitializeZDOitemsandsetupthedevice-typeofdevicetocreate.
ZDO_Init（）;
afRegister（（endPointDesc_t*）&ZDApp_epDesc）;//为设备注册端点0描述符
//Startthedevice?
if（devState!
=DEV_HOLD）//无HOLD_AUTO_START此项预编译，所以devState=DEV_INIT
{
ZDOInitDevice（0）;
}
ZDApp_RegisterCBs（）;
}
ZDApp.c
uint8ZDOInitDevice（uint16startDelay）
{
uint8networkStateNV=ZDO_INITDEV_NEW_NETWORK_STATE;//0x01,初始化该设备新的网络状态
devState=DEV_INIT;//无连接
ZDAppDetermineDeviceType（）;//确定该设备的类型
extendedDelay=（uint16）（（NWK_START_DELAY+startDelay）
+（osal_rand（）&EXTENDED_JOINING_RANDOM_MASK））;//加入网络的时延
ZDApp_NetworkInit（extendedDelay）;//开始形成网络
}
ZDApp.c
voidZDApp_NetworkInit（uint16delay）
{
if（delay）
{
//Waitawhilebeforestartingthedevice
osal_start_timerEx（ZDAppTaskID,ZDO_NETWORK_INIT,delay）;
}
else
{
osal_set_event（ZDAppTaskID,ZDO_NETWORK_INIT）;
}
}
UINT16ZDApp_event_loop（bytetask_id,UINT16events）
{
if（events&ZDO_NETWORK_INIT）//网络初始化事件处理
{
//Initializeappsandstartthenetwork
devState=DEV_INIT;
ZDO_StartDevice（（uint8）ZDO_Config_Node_Descriptor.LogicalType,devStartMode,
DEFAULT_BEACON_ORDER,DEFAULT_SUPERFRAME_ORDER）;
HalLedSet（HAL_LED_1,HAL_LED_MODE_ON）;//点亮LED1表示网络初始化完成。
ZDObject.c
voidZDO_StartDevice（bytelogicalType,devStartModes_tstartMode,bytebeaconOrder,bytesuperframeOrder）
{
devState=DEV_COORD_STARTING;
ret=NLME_NetworkFormationRequest（zgConfigPANID,zgDefaultChannelList,
zgDefaultStartingScanDuration,beaconOrder,superframeOrder,false）;
……
}
任务3：
了解路由器与设备加入网络的过程
zigbee协调器设备建立网络后，路由器设备或者终端设备，可以加入协调器建立的网络，具体加入网络有两种方式，一种是通过关联方式，就是待加入的设备发起加入网络，具体实现方式后面讨论，另一中是直接方式，就是待加入的设备具体加入到那个设备下，作为该设备的子节点，由以前网络中的设备，想待加入的设备作为其子设备决定。
由于我们一般都用方式一所以我们只了解方式一。
加入一个设备，是两个设备的事，即子设备和待定父设备，对于子设备，首先子设备调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语，设定待扫描的信道，以及每个信道扫描的时间，网络层收到这个原语，将要求MAC层执行被动或主动扫描。
具体发送到设备外的是一个beconrequest帧，当在这个信道中的设备收到该帧，将会发送becon帧，这是子设备通过BEACON-NOTIFY.indication原语，告知该设备的MAC层，该becon帧包含了发送该帧的地址信息，以及是否允许其他设备以其子节点的方式加入。
待加入的设备，在网络层，将检查该becon帧协议ID是否是zigbeeID。
如果不是，将忽略；如果是，该设备将复制收到每个becon帧的相关信息到其关联表中（neighbortable）。
一旦MAC层完成了扫描，将发送MLME-SCAN.confirm原语，告知网络层，网络层将发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm原语，告知应用层。
应用层收到该原语，应用层将根据情况，要么重新要求扫描，或者从关联表中选择所发现的网络加入。
调用NLME-JOIN.request原语，原语中各个参数的设置参看协议。
如果在关联表中找不到合适的准父节点，将调用原语告知应用层，如果由多个设备可以满足要求，将选择到协调器节点深度最低的设备，如果有几个设备的深度相同，且都是最小深度，将从中随机选择一个。
一旦潜在的父节点确定，网络层将调用MLME-ASSOCIATE.request原语到MAC层。
具体设置参看协议相关部分，连接状态将通过MLME-ASSOCIATE.confirm原语反馈。
如果试图加入不成功，网络层将收到MAC层通过MLME-ASSOCIATE.confirm告知的加入失败，如果收到的是潜在父节点拒绝该设备加入，这时候，网络层将会在关联表中，把该潜在父节点的相应部分，潜在父节点位（potentialparentbit）置为零，确保网络层，不再给这个设备二次发送加入请求。
如果一次加入没成功，将选择另一个潜在的父节点加入，指导找到一个合适的设备加入或者所有的设备都不适合。
如果加入成功，网络层收到的MLME-ASSOCIATE.confirm原语，将含有该设备可用的16唯一的逻辑地址，网络层将在关联表中设置与其父节点的关系，同时，这个父节点也会在其关联表中加入这个新设备。
如果是以路由器（router）形式成功加入网络，该设备的应用层将发送NLME-STAT_ROUTER. request原语，网络层将发送MLME-STAT.request 原语到MAC层。
收到了MLME-START.confirm原语，网络层将发送 NLME-START-ROUTER.confirm原语，含有同样的状态值。
对于父节点设备：
只有协调器或路由器，可以加入设备，进行该操作，首先从MAC层开始，MAC接收到一帧（ASSOCIATE）数据 ,通过MLME_ASSOCIATE.indication原语传到网罗层，潜在的父节点收到这帧数据，首先判断该设备是否已经存在其关联表中，如果找到，NLME将获取相应的16位网络地址，并发送association response到MAC层，如果没有找到，将分配一个在这个网络中唯一的地址给待加入的设备，如果潜在父节点已经用完了地址分配，NLME将中止，通过MLME-ASSOCIATE.reponse原语，告知该设备，不能接收子设备了，在多跳网络中，其他的设备还可以接收。
如果设备加入得到许可，这时候，将在关联表中创建一个表项，作为其子节点，并通过MLME-ASSOCIATE.reponse原语，告知该设备，已经成功加入网络。
代码：
路由器入网
ZDObject.c
voidZDO_StartDevice（bytelogicalType,devStartModes_tstartMode,bytebeaconOrder,bytesuperframeOrder）
{
devState=DEV_NWK_DISC;
ret=NLME_NetworkDiscoveryRequest（zgDefaultChannelList,zgDefaultStartingScanDuration）;
……
}
终端设备入网
ZDObject.c
voidZDO_StartDevice（bytelogicalType,devStartModes_tstartMode,bytebeaconOrder,bytesuperframeOrder）
{
devState=DEV_NWK_DISC;
ret=NLME_NetworkDiscoveryRequest（zgDefaultChannelList,zgDefaultStartingScanDuration）;
……
}
任务4：
通过zigbee网络传输温度与湿度的数据
代码如下：
#include
#include
#include"UART.H"
#include"DHT11.H"
voidmain（void）
{
Delay_ms（1000）;//让设备稳定
InitUart（）;//串口初始化
while
（1）
{
DHT11（）;//获取温湿度
P0DIR|=0x40;//IO口需要重新配置
/******温湿度的ASC码转换*******/
temp[0]=wendu_shi+0x30;
temp[1]=wendu_ge+0x30;
humidity[0]=shidu_shi+0x30;
humidity[1]=shidu_ge+0x30;
/*******信息通过串口打印********/
Uart_Send_String（temp1,5）;
Uart_Send_String（temp,2）;
Uart_Send_String（"\n",1）;
Uart_Send_String（humidity1,9）;
Uart_Send_String（humidity,2）;
Uart_Send_String（"\n",1）;
Delay_ms（2000）;//延时，使周期性2S读取1次
}
}
实验结果如图：
吹气前的结果：
对着温湿度传感器吹气的结果
显然可见吹气后所得到的温度和湿度数据明显变化，且之种变化也是符合常理的。
任务5：
理解Z-stack的协议架构
Z-Stack采用分层的软件结构，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。
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接口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。
整个Z-Stack协议栈结构如图
Z-Stack在项目中的目录结构：
1.APP:
应用层目录,这是用户创建各种不同工程的区域,在这个目录中包含了
应用层的内容和用户创建项目的主要内容,在协议栈里面是以操作系统的任务实
现的"
2.HAL:
硬件层目录,包含有与硬件相关的配置和驱动及操作函数"
3.MAC:
MAC层目录,包含了MAC层的参数配置文件及其MAC的LIB库的
函数接口文件"
4.MT：
监制调试层目录，该目录下的文件主要用于调试目的，即实现通过串口调试各层，与各层进行直接交互。
5.NWK:
网络层目录,含网络层配置参数文件及网络层库的函数接口文件,APS
层库的函数接口"
6.OSAL:
协议栈的操作系统"
7.Profile：
AF层目录，ApplicationFarmework应用框架，包含AF层处理函数接口文件。
8.Seeurity:
安全层目录,安全层处理函数
9.Services：
ZigBee和802.15.4设备地址处理函数目录，包括地址模式的定义及地址处理函数
10.Tools：
工作配置目录，包括空间划分及Z-Stack相关配置信息
11.ZDO：
指ZigBee设备对象，可认为是一种公共的功能集，文件用户用自定义的对象调用APS子层的服务和NWK层的服务
12.ZMac:
MAC层目录,包括MAC层参数配置及MAC层LIB库函数回调处理
函数"
13.ZMain:
主函数目录,包括入口函数及硬件配置文件
14.Output:
输出文件目录
任务6：
用抓包器分析MAC帧的内容
用PacketSniffer软件来分析MAC帧的内容，实验结果如下
总结：
通过此次作业的练习，学习到了很多东西。
第一是对Zigbee有了进一步的了解，；第二是加强了在资料的搜索与资料的筛选，；第三是一个小小的团队分工合作的重要性。
我们这个作业所涉及的内容很多，而且我和我的队友事先对我们这次的作业也没有太多的了解，很多东西都得自己去慢慢查阅和筛选资料，我和我队友进行分工合作，直到最后把作业完成。
参考文献：
FS_ZigBee协议栈实验指导书锋硕电子科技有限公司王锋
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