基于无线传感器网络技术实现msstatePAN协议栈的移植

作者：陈彦明;王秋光

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，一般不需要很高的信道带宽，但应具有较低的传输延时和极低的功率消耗，使用户能在有限的电池寿命内完成任务。IEEE 802．15．4／ZigBee标准把低功耗、低成本作为主要目标，为无线传感器网络提供了一种互连互通的平台。因此将ZigBee技术与无线传感器网络技术结合起来研究具有现实意义。

1 ZigBee技术的体系结构

在ZigBee技术中，其体系结构通常由层来量化它的各个简化标准。每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供服务。ZigBee技术的体系结构主要由物理（PHY）层、媒体接入控制（MAC）层、网络／安全层以及应用框架层构成，其各层的分布如图1所示。

2 ZigBee技术的网络拓扑结构

ZigBee技术网络有2种拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构，如图2所示。其中定义了两种设备：全功能设备（Full Funetion Device，FFD）和精简功能设备（Re—dueed Function Device，RFD）。与RFD相比，FFD在硬件功能上比较完备。在通信能力方面，FFD可以与所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和与其关联的FFD进行通信。与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的“协调器（Coordinator）”。在整个网络中，有一个FFD充当网络协调器（PAN Coordinator）。除直接参与应用外，网络协调器还需要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

本文移植的协议栈拓扑结构是对等拓扑网络中的一种——树簇网络。在树簇网络中大部分没备为FFD，RFD只能作为树枝末尾处的叶节点，这主要是由于RFD 一次只能连接一个FFD。任何一个FFD都可以作为主协调器，并为其他从设备或主设备提供同步服务。在整个PAN中，只要该设备相对于PAN巾其他设备具有更多资源，这样的设备都可以成为该PAN的主协调器。

在建立一个PAN时，首先，PAN主协调器将其自身设置为一个簇标识符（CID）为O的簇头（CLH）。然后，选择一个没有使用的PAN标识符，并向邻近的其他设备以广播的方式发送信标帧，从而形成第一簇网络。接收到信标帧的候选设备可以在簇头中请求加入该网络，如果PAN主协调器允许该设备加入，该设备就将主协调器作为它的父节点加到它的邻近表中，成为该网络的一个从设备；同样，其他设备都按照同样的方式，请求加入到网络中。如果候选设备不能加入到该网络中，那么它将寻找其他的父节点。在树簇网络中，最简单的网络结构是只有一个簇的网络，但是多数网络结构由多个相邻的网络构成。一旦第一簇网络满足预定的应用或网络需求，PAN主协调器将会指定一个从设备为另一个簇的簇头，使得该从设备成为一个主协调器。随后其他的从设备将逐个加入，形成一个多簇网络，如图3所示。

3 无线传感器网络的节点结构

本文移植的目标板是自行设计的无线传感器网络节点模块。其中，处理器模块采用Atreel公司的AT—megal28L，无线通信模块采用TI公司的CC2420，电源模块使用NCPl402芯片将2节电池进行DC—DC变换后得到，传感器模块采用DSl8820。

CC2420利用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四个引脚表示收发数据的状态。ATmegal28L通过CC2420的SPI接口（CSn、SO、 SI、SCK）与CC2420交换数据、发送命令，利用RSTn引脚复位芯片；并且利用VREG_EN引脚使能CC2420的电压调整器，使其产生 CC2420所需要的1．8 V电压，从而使CC2420进入正常工作的状态。CC2420通过单极天线或PCB天线进行通信。节点总体框图如图4所示。

4 zigBee协议栈的移植

4．1 msstatePAN协议栈的移植

msstatePAN协议栈是由密西西比大学的R．Reese教授为广大无线技术爱好者开发的精简版ZigBee协议栈，基于标准C语言编写，基本具备了 ZigBee协议标准所规定的功能，最新版本为V0．2．6，该版本支持多种开发平台，包括PICDEM Z、CC2430评估板、MSP430+CC2420（Tmote）以及WIN32虚拟平台。由于该协议栈的上述特点以及源代码的开放性，本文选择它作为学习和移植的对象。

移植是将msstatePAN协议栈在PICDEM Z平台下的代码移植到上面设计的目标板中，采用winavr20070525作为编译器，并通过JTAG接口将程序下载到目标板中。下面介绍一下移植过程。

（1）编写makefile文件

winavr 20070525采用GCC编译器，要编写makefile文件以完成程序的编译。指定MCU为ATmegal28，定义CPU工作频率F_CPU为8 000 000 Hz；定义编译后生成的文件类型FORMAT为ihex；将TARGET改为项目主文件的文件名，由于后面测试用ing_pong．c这个文件，此处将 TARGET定义为ping_pong；最后定义SRC，在SRC中应包含整个项目中的所有文件，并且各个文件名之间要用空格格开。协议栈为规定当前编译器编译的是协调器代码、IEEE 64位长地址等，要用到LRWPAN_COORDINATOR等宏定义，因此要在makefile文件中加入相应的宏定义代码。

（2） 替换与编译器相关的定义

本移植用的是GCC编译器，所以要将与PIC编译器相关的代码进行替换，为此修改compiler．h头文件及特定编译器的数据定义。例如对ROM数据类型进行替换，或者直接删除该数据类型。

（3）移植与硬件平台相关的部分

该部分代码涉及的都是最底层的东西，通过对协议栈的透彻理解，总结出要修改的文件有halStack．c、hal．h、halHeepSpace．h、cc2420．c／．h、 evboard．c／．h、evbRadio．h、evbConfig．h等。其中halStack．c和evboard．c两个文件改动很大。这两个文件中包括硬件接口定义、串口定义、LED灯定义、硬件系统初始化定义，以及中断处理函数和协议栈时钟函数的实现。首先移植中断处理函数，注意采用下降沿触发中断。其次，移植协议栈时钟，目标板用ATmegal28L的定时器1作为协议栈的运行时钟。由于单片机采用8 MHz晶振，当定时器使用64分频时（At—megal28L定时器1没有128分频），此时定时器计数一次所需要的时间为8μs，而在协议栈中每传输一个符号（symbo1）所需要的时间为16μs，故将定时器计数2次定义为一个symbol时间。所以在设计中，要修改hal—MacTicksToUs 函数及SYMBOLS_TO_MACTICKS（x）和MSECS_TO_MACTICKS（x）宏定义。

（4）对协议栈内部各层进行适当修改

这部分的移植工作与第3步相比简单些，一些与硬件联系紧密的MAC层和PHY层相关的函数都放在ev—board．c和halStack．c文件中。具体分析如下：

①根据自己的需求修改协议栈需要的堆栈，协议中默认为l 024字节，可以根据实际情况做些调整。

②debug．c函数中的一些定义在运行时需要大量RAM，如果选择编译的是协调器，则整个协议栈需要RAM存储单元大于6KB，而ATmagal28L 内部只有4 KB RAM，为此屏蔽了一些调试显示信息，以达到系统要求。

③修改staticbind．h函数，由于该协议栈是静态分配地址，而该函数的作用就是定义其地址，所以该函数在整个协议栈运行中至关重要。首先要考虑其地址是不是和makefile中定义的相吻合，如果不吻合应进行相应修改，否则CC2420地址译码就通不过，以至于无法建立网络。其次，应该确定数据存储是按大端模式还是小端模式，如果弄反了，地址就会不一样。ATmegal28L是小端模式，这和PIC单片机是一致的，因此不需要修改，但要修改函数中的宏定义，让编译器选择相应的程序进行编译，生成正确的地址。

（5）编译下载

通过上面的移植，程序应该能正确进行编译以及链接，生成HEX文件；再用AVRStudio4．12软件将程序下载到相应节点中，进行协议栈测试。

4．2 测试方法

为了测试协议栈移植是否成功，采用2个节点进行实验。其中，一个作为协调器，另一个作为RFD设备节点。在makefile中设定协调器的IEEE地址为 Ox001248000001216F，RFD设备的IEEE地址为0x0012480000012170，并使用ping_pong．c文件提供的功能进行测试。

首先完成网络的建立，协调器调用aplFormNetwork（）函数建立一个网络；然后等待RFD设备的加入，RFD设备调用 aplJoinNetwork（）函数申请加入网络。在网络建立成功后执行ping_pong过程，该过程就像打乒乓球一样，先是协调器发送数据给RFD 设备，RFD设备接收到信息后回发给协调器。如此往返．这也是文件名为ping_pong的原因，具体程序流程如图5所示。

编译、链接ping_pong．c文件时务必注意：如果是协调器，—定要加入宏LRWPAN_COORDINATOR，否则编译的程序为RFD设备的程序。编译完成后，将生成的文件分别下载至各节点，并将节点连接到串口调试助手，按程序要求设置串口调试助手的参数，如波特率、数据位长度等。完成这些设置后，分别打开各节点，首先启动协调器节点，然后再启动RFD设备节点。图6是协凋器连接的串口调试助手的显示信息。

从图6中可以知道，节点Ox0012480000012170加入到网络，其IEEE的长地址为Ox0012480000012170；协调器分配给该节点的短地址为Oxl699，协调器有一个邻居节点，2个节点之间已经开始数据的传送。由此可见，移植成功。

结语

无线传感器网络是一门新兴的技术，目前传感器网络硬件节点价格比较昂贵，软件支持也有不足。如果能移植一个相对成熟的协议栈，将最大限度地降低节点成本。本文就是从这个角度出发，设计出了相应的硬件平台，并成功移植了msstatePAN协议栈，从学习和科研角度考虑具有借鉴意义。