任务十 基于Z-Stack的点对点通信

目 录 一、实训目的 二、实训内容 三、实训原理 四、实训步骤

实训目的 通过实训，掌握在IAR环境下Z-Stack的使用，了解Z-Stack的基本架构，学会在IAR环境下Z-Stack的应用层的开发，能基于Z-Stack实现两个ZigBee节点进行点对点通信。

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实训内容 采用两个ZigBee模块，一个作为协调器（ZigBee节点1），另一个作为终端节点（ZigBee节点2），当ZigBee节点2发送“NEWLab”六个字符，ZigBee节点1收到数据后，对接收到的数据进行判断，如果收到的数据正确，则ZigBee节点1上LED2会闪烁，否则点亮LED2。数据传输模型如图10.1所示。

实训内容 ZigBee节点2 终端节点或路由器 ZigBee节点1 协调器 ZigBee无线网络 NEWLab 图10.1 数据传输模型

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实训原理 TI公司推出CC253x射频芯片的同时，还向用户提供了ZigBee的Z-Stack协议栈，这是经过ZigBee联盟认可，并被全球很多企业广泛采用的一种商业级协议栈。Z-Stack协议栈中包括一个小型操作系统（抽象层OSAL），其负责系统的调度，操作系统的大部分代码被封装在库代码中，用户查看不到的。对于用户来说，只能使用API来调用相关库函数。IAR公司开发的IAR Embedded Workbench for 8051软件可以作为Z-Stack协议栈的集成开发环境。 10. 1 Z-Stack协议栈结构

实训原理 Z-Stack协议栈由物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC）、网络层（NWK）和应用层（APS）组成，如图10.2所示。其中应用层包括应用程序支持子层、应用程序框架层和ZDO设备对象。在协议栈中，上层实现的功能对下层来说是不知道的，上层可以调用下层提供的函数来实现某些功能。

实训原理 图10.2 Z-Stack协议栈的结构

实训原理 1. 物理层（PHY） 物理层负责将数据通过发射天线发送出去，以及从天线上接收数据。 2. 介质访问控制层（MAC） 介质访问控制层提供点对点通信的数据确认，以及一些用于网络发现和网络形成的命令，但是介质访问控制层不支持多跳、网型网络等拓扑结构。

实训原理 3. 网络层（NWK） 网络层主要是对网型网络提供支持，如在全网范围内发送广播包，为单播数据包选择路由，确保数据包能够可靠地从一个节点发送到另一个节点。此外，网络层还具有安全特性，用户可以自行选择所需要的安全策略。 4. 应用层（APS） （1）应用程序支持子层主要提供一些API函数供用户调用，此外，绑定表也是存储在应用程序支持子层。

实训原理 （2）应用程序框架中包括了最多240个应用程序对象，每个应用程序对象运行在不同的端口上。因此，端口的作用是区分不同的应用程序对象。 （3）ZDO设备对象是运行在端口0的应用程序，对整个ZigBee设备的配置和管理，用户应用程序可以通过端口0与ZigBee协议栈的应用程序支持子层、网络层进行通信，从而实现对这些层的初始化工作。 10. 2 Z-Stack协议栈基本概念

实训原理 1. 设备类型 在ZigBee网络中存在三种设备类型：协调器（Coordinator）、路由器（Router）和终端设备（End-Device）。ZigBee网络中只能有一个协调器，可以有多个路由器和多个终端设备。如图10.3所示，黑色节点为协调器，灰色节点路由器，白色节点为终端设备。

实训原理 图10.3 ZigBee网络示意图

实训原理 （1）协调器的作用 ① 协调器是每个独立的Zigbee网络中的核心设备，也是唯一一个协调器设备，负责选择一个信道和一个网络ID（也称PAN ID），启动整个ZigBee网络。 ② 协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定。 ③ 协调器的主要角色是负责建立和配置网络。由于Zigbee网络本身的分布特性，一旦Zigbee网络建立完成后，整个网络的操作就不再依赖协调器是否存在，与普通的路由器没有什么区别。

实训原理 （2）路由器的作用 ① 允许其他设备加入网络，多跳路由协助由终端设备通信。 ② 一般情况，路由器需要一直处于工作状态，必须使用电力电源供电。但是当使用树型网络拓扑结构时，允许路由器间隔一定的周期操作一次，则路由器可以使用电池供电。 （3）终端设备（终端节点）的作用 ① 终端设备是Zigbee实现低功耗的核心，它的入网过程和路由器是一样的。终端设备没有维持网络结构的职责，所以它并不是时刻都处在接收状态的，大部分情况下它都将处于IDLE或者低功耗休眠模式。因此，它可以由电池供电。

实训原理 ② 终端设备会定时同自己的父节点进行通信，询问是否有发给自己的消息，这个过程被形象地成为“心跳”。心跳周期也是在f8wConfig.cfg里配置的：-DPOLL_RATE=1000。Zstack默认的心跳周期为1000ms，终端节点每1s会同自己的父节点进行一次通信，处理属于自己的信息。因此，终端的无线传输是有一定延迟的。对于终端节点来说，它在网络中的生命是依赖于自己的父节点的，当终端的父节点由于某种原因失效时，终端能够“感知”到脱离网络，并开始搜索周围NETWORK ID相同的路由器或协调器，重新加入网络，并将该设备认作为自己新的父节点，保证自身无线数据收发的正常进行。

实训原理 2. 信道 ZigBee采用的是免执照的工业科学医疗（ISM）频段，所以ZigBee使用了3个频段，分别为：868MHz（欧洲）、915MHz（美国）、2.4GHz（全球）。 因此，ZigBee共定义了27个物理信道。其中，868MHz频段定义了一个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。具体信道分配如表10.1所示。

实训原理 表10.1 ZigBee信道分配 信道编号 中心频率（MHz） 信道间隔（MHz） 频率上限（MHz） 频率下限（MHz） k=0 868.3   868.6 868.0 k =1,2,3……10 906+2×( k-1 ) 2 928.0 902.0 k =11,12,13……26 2401+5×( k-11 ) 5 2483.5 2400.0 理论上，在868MHz的物理层，数据传输速率为20Kb/s；在915MHz的物理层，数据传输速率为40Kb/s；在2.4GHz的物理层，数据传输速率为250Kb/s。实际上，除掉信道竞争应答和重传等消耗，真正能被应用所利用的速率可能不足100Kb/s，并且余下的速率可能要被临近多个节点和同一个节点的应用瓜分。

实训原理 注意：ZigBee工作在2.4GHz频段时，与其他通信协议的信道有冲突：15，20，25，26信道与Wi-Fi信道冲突较小；蓝牙基本不会冲突；无线电话尽量不与ZigBee同时使用。 3. PANID PANID其全称是Personal Area Network ID，一个网络只有一个PANID，主要用于区分不同的网络，从而允许同一地区可以同时存在多个不同PANID的ZigBee网络。 Z-Stack允许用两种方式配置PAN ID，当ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值不设置为0xFFFF时，那么设备建立或

实训原理 或加入一个“最优”的网络，协调器可以随机获取一个16位的PANID建立一个网络，路由器或者终端节点可以加入任意一个自己设定信道上的网络，则不去关心PANID。 注意：在不同地区或者同一地区不同的信道可以使用同一PANID。 10. 3 Z-Stack协议栈下载与安装 ZigBee协议栈有限多版本，不同厂商提供的ZigBee协议栈有一定的区别，本书选用TI公司推出的ZStack-CC2530-2.5.1a版本，用户可登录TI公司的官方网站下载，然后安装使用。另外，Z-Stack需要在IAR Assembler for 8051 8.10.1版本上运行。

实训原理 双击ZStack-CC2530-2.5.1a.exe文件，即可进行协议栈的安装，如图10.4所示，默认是安装到C盘根目录下。

实训原理 安装完成之后，在C:\Texas Instruments\ZStack-CC2530-2.5.1a目录下有4个文件夹，分别是Documents、Projects、Tools和Components。 1. Documents文件夹 该文件夹内有很多PDF文档，主要是对整个协议栈的进行说明，用户可以根据需要进行查阅。 2. Projects文件夹 该文件夹内包括用于Z-Stack功能演示的各个项目的例程，用户可以在这些例程的基础进行开发。

实训原理 3. Tools文件夹 该文件夹内包括TI公司提供的一些工具。 4. Components文件夹 Components是一个非常重要的文件夹，其内包括Z-Stack协议栈的各个功能函数，具体如下： （1）hal文件夹。为硬件平台的抽象层。 （2）mac文件夹。包括IEEE802.15.4物理协议所需要的头文件，TI公司没有给出这部分的具体源代码，而是以库文件的形式存在。 （3）mt文件夹。包括Z-tools调试功能所需要的源文件。

实训原理 （4）osal文件夹。包括操作系统抽象层所需要的文件。 （5）services文件夹。包括Z-Stack提供的两种服务所需要的文件，即寻址服务和数据服务。 （6）stack文件夹。其是Components文件夹最核心的部分，是ZigBee协议栈的具体实现部分，在该文件夹下，包括7个文件夹，分别是af（应用框架）、nwk（网络层）、sapi（简单应用接口）、sec（安全）、sys（系统头文件）、zcl（ZigBee簇库）和zdo（ZigBee设备对象）。 （7）zmac文件夹。包括Z-Stack MAC导出层文件。

实训原理 Z-Stack中的核心部分的代码都是编译好的，以库文件的形式给出，比如安全模块、路由模块、Mesh自组网模块等等。若要获得这部分的源代码，可以向TI公司购买。TI公司提供的Z-Stack代码并非我们理解的“开源”，仅仅提供了一个Z-Stack开发平台，用户可以在Z-Stack的基础上进行项目开发，根本无法看到有些函数的源代码。

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实训步骤 第一步，打开Z-Stack的SampleApp.eww工程。 在路径C:\Texas Instruments\ZStack-CC2530-2.5.1a\Projects\zstack\Samples\SampleApp\ CC2530DB目录下找到SampleApp.eww工程，如图10.5所示。 打开该工程后，可以看到SampleApp.eww工程文件布局，如图10.6所示。

实训步骤 图10.5 SampleApp.eww工程路径

实训步骤 图10.6 SampleApp.eww工程文件布局

实训步骤 第二步，编写协调器程序。 1.移除SampleApp工程中文件 将SampleApp工程中的SampleApp.h移除，移除方法为：选择SampleApp.h单击右键，在弹出的下拉菜单中选择Remove，如图10.7所示。

实训步骤 图10.7 移除SampleApp.h

实训步骤 按照上面的方法移除SampleApp.c、SampleAppHw.c、SampleApphw.h。 2.添加源文件 单击File，在弹出的下拉菜单中选择New，然后选择File，将文件保存为Coordinator.h，然后以同样的方法新建一个Coordinator.c和Enddevice.c文件，文件的保存路径为“C:\Texas Instruments\ZStack-CC2530-2.5.1a\Projects\zstack\Samples\SampleApp\Source”。 选择SampleApp工程中的App单击右键，在弹出的下拉菜单中选择Add，然后选择Add Files，选择刚才新建的三个文件（Coordinator.h、Coordinator.c、Enddevice.c）即可。

实训步骤 3.编写Coordinator.h程序 在Coordinator.h文件中输入以下代码： #ifndef SAMPLEAPP_H #define SAMPLEAPP_H #include "ZComDef.h" #define SAMPLEAPP_ENDPOINT 20 #define SAMPLEAPP_PROFID 0x0F08 #define SAMPLEAPP_DEVICEID 0x0001 #define SAMPLEAPP_DEVICE_VERSION 0

实训步骤 #define SAMPLEAPP_FLAGS 0 #define SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS 2 #define SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID 1 extern void SampleApp_Init( uint8 task_id ); extern UINT16 SampleApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events ); #endif 说明：Coordinator.h文件中代码都是从SampleApp.h文件复制得到的。

实训步骤 4.编写Coordinator.c程序 在Coordinator.c中输入以下代码： #include "OSAL.h" #include "ZGlobals.h" #include "AF.h" #include "ZDApp.h" #include "Coordinator.h" #include "OnBoard.h" #include "hal_lcd.h" #include "hal_led.h"

实训步骤 #include "hal_key.h" const cId_t SampleApp_ClusterList[SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS] ={ SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID }; //用来描述一个ZigBee设备节点，称为简单设备描述符 const SimpleDescriptionFormat_t SampleApp_SimpleDesc = { SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_PROFID, SAMPLEAPP_DEVICEID,

实训步骤 SAMPLEAPP_DEVICE_VERSION, SAMPLEAPP_FLAGS, SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS, (cId_t *)SampleApp_ClusterList, 0, (cId_t *)NULL }; endPointDesc_t SampleApp_epDesc; //节点描述符 uint8 SampleApp_TaskID; //任务优先级

实训步骤 uint8 SampleApp_TransID; //数据发送序列号 void SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pckt );//声明消息处理函数 //该任务的任务初始化函数 void SampleApp_Init( uint8 task_id ) { SampleApp_TaskID = task_id; SampleApp_TransID = 0; SampleApp_epDesc.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT; SampleApp_epDesc.task_id = &SampleApp_TaskID;

实训步骤 SampleApp_epDesc.simpleDesc = (SimpleDescriptionFormat_t *)&SampleApp_SimpleDesc; SampleApp_epDesc.latencyReq = noLatencyReqs; afRegister( &SampleApp_epDesc ); } uint16 SampleApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events ) { afIncomingMSGPacket_t *MSGpkt; //定义了一个指向接收消息结构体的指针MSGpkt

实训步骤 if ( events & SYS_EVENT_MSG ) { MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID ); while ( MSGpkt ) switch ( MSGpkt->hdr.event ) case AF_INCOMING_MSG_CMD: SampleApp_MessageMSGCB( MSGpkt );

实训步骤 break; default: } osal_msg_deallocate( (uint8 *)MSGpkt ); MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID ); return (events ^ SYS_EVENT_MSG); //返回未处理的事件

实训步骤 } return 0; //丢弃未知的事件 void SampleApp_MessageMSGCB( afIncomingMSGPacket_t *pkt ) { unsigned char buffer[6]=" "; switch ( pkt->clusterId ) case SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID:

实训步骤 osal_memcpy(buffer,pkt->cmd.Data,6); //将接收到的数据拷贝到缓冲区buffer中 //判断接收到的数据是不是“NEWLab”这6个字符 if((buffer[0]=='N')||(buffer[1]=='E')||(buffer[2]=='W')||(buffer[3]=='L')||(buffer[4]=='a')||(buffer[5]=='b')) { HalLedBlink( HAL_LED_2, 0, 50, 500 ); //如果是“NEWLab”这6个字符，则使LED2闪烁 }

实训步骤 else { HalLedSet( HAL_LED_2,HAL_LED_MODE_ON); //如果不是“NEWLab”这6个字符，则点亮LED2 } break; } } 程序分析： 说明：Coordinator.c文件中代码大部分是从SampleApp.c文件复制得到的，头文件需要将#include "SampleApp.h"与#include "SampleAppHw.h"替换为#include "Coordinator.h"，即上述代码的第5行。

实训步骤 ① 第10—13行，SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS是在SampleApp.h文件中定义的宏，这主要是为了与协议栈里面数据的定义格式保持一致，下面代码中的常量都是以宏定义的形式实现的。 ② 第34行，初始化了任务优先级（任务优先级由协议栈的操作系统OSAL分配）。 ③ 第35行，将发送数据包的序号初始化为0，在ZigBee协议栈中，每发送一个数据包，该发送序号自动加1（协议栈里面的数据发送函数会自动完成该功能），因此，在接收端可以查看接收数据包的序号来计算丢包率。

实训步骤 ④ 第36－39行，对节点描述符进行初始化，初始化格式较为固定，一般不需要修改。 ⑤ 第40行，使用afRegister函数将节点描述符进行注册，只有注册以后，才可以使用OSAL提供的系统服务。 ⑥ 第47行，使用osal_msg_receive函数从消息队列上接收消息，该消息中包含了指向接收到的无线数据包的指针。 ⑦ 第52行，对接收到的消息进行判断，如果是接收到了无线数据，则调用第53行的函数对数据进行相应的处理。

实训步骤 ⑧ 第58行，接收到的消息处理完后，就需要释放消息所占据的存储空间，因为在ZigBee协议栈中，接收到的消息是存放在堆上的，所以需要调用osal_msg_deallocate函数将其占据的堆内存释放，否则容易引起“内存泄漏”。 ⑨ 第59行，处理完一个消息后，再从消息队列时接收消息，然后对其进行相应的处理，直到所有消息都处理完为止。 5.修改OSAL_SampleApp.c文件 将#include "SampleApp.h"注释掉，然后添加#include "Coordinator.h"即可。

实训步骤 6.设置Enddevice.c文件不参与编译 在Workspace下面的下拉列表框中选择CoordinatorEB，然后选择Enddevice.c文件单击右键，在弹出的下拉菜单中选择Options，在弹出的对话框中选择Exclude from build，使得Enddevice.c文件呈灰白显示状态。文件呈灰白显示状态说明该文件不参与编译，ZigBee协议栈正是使用这种方式实现对源文件编译的控制。 第三步，编写终端节点程序。 在Workspace下面的下拉列表框中选择EndDeviceEB，设置Coordinator.c文件不参与编译。在Enddevice.c文件中输入如下代码：

实训步骤 #include "OSAL.h" #include "ZGlobals.h" #include "AF.h" #include "ZDApp.h" #include "Coordinator.h" #include "OnBoard.h" #include "hal_lcd.h" #include "hal_led.h" #include "hal_key.h"

实训步骤 const cId_t SampleApp_ClusterList[SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS] ={ SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID}; //用来描述一个ZigBee设备节点，与Coordinator.c文件中的定义格式一致 const SimpleDescriptionFormat_t SampleApp_SimpleDesc = { SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_PROFID, SAMPLEAPP_DEVICEID,

实训步骤 SAMPLEAPP_DEVICE_VERSION, SAMPLEAPP_FLAGS, 0, (cId_t *)NULL, SAMPLEAPP_MAX_CLUSTERS, (cId_t *)SampleApp_ClusterList }; endPointDesc_t SampleApp_epDesc; //节点描述符 uint8 SampleApp_TaskID; //任务优先级 uint8 SampleApp_TransID; //数据发送序列号

实训步骤 devStates_t SampleApp_NwkState; //保存节点状态 void SampleApp_SendPeriodicMessage( void );//声明数据发送函数 //任务初始化函数 void SampleApp_Init( uint8 task_id ) { SampleApp_TaskID = task_id; //初始化任务优先级 SampleApp_NwkState = DEV_INIT; //设备状态初始化 SampleApp_TransID = 0; //将发送数据包的序列号初始化为0

实训步骤 //对节点描述符进行初始化 SampleApp_epDesc.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT; SampleApp_epDesc.task_id = &SampleApp_TaskID; SampleApp_epDesc.simpleDesc = (SimpleDescriptionFormat_t *)&SampleApp_SimpleDesc; SampleApp_epDesc.latencyReq = noLatencyReqs; afRegister( &SampleApp_epDesc );//使用afRegister函数将节点描述符进行注册 }

实训步骤 uint16 SampleApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events ) { afIncomingMSGPacket_t *MSGpkt; if ( events & SYS_EVENT_MSG ) MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID ); while ( MSGpkt )

实训步骤 switch ( MSGpkt->hdr.event ) { //收到网络中设备状态有变化时 case ZDO_STATE_CHANGE: SampleApp_NwkState = (devStates_t)(MSGpkt->hdr.status); //读取节点的设备类型 if ( (SampleApp_NwkState == DEV_END_DEVICE) ) { SampleApp_SendPeriodicMessage(); }

实训步骤 break; default: } osal_msg_deallocate( (uint8 *)MSGpkt ); MSGpkt = (afIncomingMSGPacket_t *)osal_msg_receive( SampleApp_TaskID ); return (events ^ SYS_EVENT_MSG);

实训步骤 return 0; } void SampleApp_SendPeriodicMessage( void ) { unsigned char theMessageData[6] = "NEWLab"; afAddrType_t my_DstAddr; my_DstAddr.addrMode=(afAddrMode_t)Addr16Bit; my_DstAddr.endPoint=SAMPLEAPP_ENDPOINT; //初始化端口号

实训步骤 my_DstAddr.addr.shortAddr=0x0000; AF_DataRequest(&my_DstAddr,&SampleApp_epDesc,SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,6,theMessageData,&SampleApp_TransID,AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS); HalLedBlink(HAL_LED_2,0,50,500); } 程序分析： 说明：Enddevice.c文件中代码大部分是从SampleApp.c文件复制得到的，头文件与Coordinator.c一样。

实训步骤 ① 第36行，将设备状态初始化为DEV_INIT，表示该节点没有连接到ZigBee网络。 ② 第57行，对节点设备类型进行判断，如果是终端节点（设备类型码为DEV_END_DEVICE），再执行59行代码，实现无线数据发送。 ③ 第74行，定义了一个数组theMessageData，用于存放要发送的数据。 ④ 第75行，定义了一个afAddrType_t类型的变量my_DstAddr，因为数据发送函数AF_DataRequest的第一个参数就是这种类型的变量。

实训步骤 ⑤ 第76行，将发送地址模式设置为单播（Addr16Bit表示单播）。 ⑥ 第78行，在ZigBee网络中，协调器的网络地址是固定的，为0x0000，因此，向协调器发送时，可以直接指定协调器的网络地址。 ⑦ 第79行，调用数据发送函数AF_DataRequest进行无线数据的发送。 ⑧ 第80行，调用HalLedBlink函数，使终端节点的LED2闪烁。 第四步，下载程序、运行。 编译无误后，将两块ZigBee模块上电，在Workspace下面的下拉列表框中选择CoordinatorEB把协调器程序下载到ZigBee模块中，在Workspace下面的下拉列表框中选择

实训步骤 EndDeviceEB把终端节点程序分别下载到另一个ZigBee模块中。几秒钟后，会发现终端节点与协调器的LED1连接灯点亮，LED2灯闪烁，这说明协调器已经收到终端节点发送的数据。

谢谢！