1、 ZigBee實驗十節點的建網與入網分析10.1 實驗簡介在前面實驗中，我們都是直接的去使用了一個網絡，如果不是想對內核進行深入研究，完全可以不用去考慮TI協議棧的工作細節，只要懂得關鍵使用部分也一樣可以對ZIGBEE進行開發。為了對協議棧有更深入的了解認識，本實驗對“協調器”的建網以及“路由器”“終端”的入網，做個簡單的邏輯性介紹。實驗目的10.2 訓練目的 10.2.1 通過本實驗了解Z-STACK啟動的過程中建網與入網的一個流程。10.3實驗設備10.3.1 硬件：（1） ZIGBEE 調試底板2個：可調電阻ZigBee_DEBUG指示燈紅外發射ZigBee復位ZigBee按鍵撥碼開關節

2、點按鍵復位傳感器接口1J-LINK接口傳感器接口3傳感器接口2電源開關電源圖10-1 ZIGBEE調試底板（2） UART轉接板與轉接線各1個：UART轉接線轉接串口輸入，連接到ZIGBEE調試底板轉接串口輸出，連接到電腦串口圖10-2 UART轉接板與轉接線（3） ZIGBEE仿真器1個；10PIN下載接口電源（上）和狀態指示燈USB接口圖10-3 ZIGBEE仿真器（4） ZIGBEE模塊2個；圖10-4 ZIGBEE模塊（5） 電源2個圖10-5 電源（6） 串口延長線1根圖10-6 串口延長線（7） 硬件連接圖連接電腦串口ZigBee調試底板與串口轉接板連接電源連接電腦USBZIGBE

3、E DeBug連接口圖10-7 硬件連接10.3.2 軟件（1） IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A集成開發環境；（2） TI Z-STACK;（3） 仿真器驅動；（4） 串口調試助手。實驗知識10.4 10.4.1 網絡形成每個設備都有一組能被配置的參數（如被PC工具或者外部處理器配置），整個配置參數在代碼中已經定義了默認值(在f8wconfig.cfg中)。在同一個網絡中，所有設備的“網絡細節”配置參數(如PANID,Channel等)應該被配置成一樣的值。每個設備的“設備細節”配置參數(Coordinator,Router,Enddevice等

4、)可以配置為不同的值。但是，ZCD_NV_LOGICAL_TYPE必須被設置，確保：1、 有正確的一個設備作為協調器被配置；2、 所有電池供電的設備作為終端設備被配置。一旦這些工作都完成，這個設備就可以以任意方式啟動。協調器設備將建立網絡，其他設備將發現和加入到這個網絡中。10.4.2 協調器格式化網絡協調器將掃描DEFAULT_CHANLIST(在f8wConfig.cfg里定義)指定的通道，最后在其中之一上形成網絡。設備的PANID值與ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值設置有關（ZDAPP_CONFIG_PAN_ID這個參數在配置文件f8wConfig.cfg）。如果協調器的ZDAP

5、P_CONFIG_PAN_ID設置為OxFFFF,則協調器將產生一個隨機的PANID，如果協調器的ZDAPP_CONFIG_PAN_ID設置為非0xFFFF值，則協調器根據自身的網絡長地址(IEEE地址)或ZDAPP_CONFIG_PAN_ID值隨機產生一個PANID，如果協調器的PANID的設置值為小于等于0x3FFF的有效值，協調器就會以這個特定的PANID值建立網絡，但是，如果在默認的信道上已經有了該PANID值的網絡存在，則協調器會繼續搜尋其他的PANID，直到找到網絡不沖突為止。當所有參數配置好后，可以調用下面函數來格式化網絡（以下函數不開源）：ZStatus_t NLME_Netw

6、orkFormationRequest( uint16 PanId,uint8* ExtendedPANID, uint32 ScanChannels,byte ScanDuration, byte BeaconOrder,byte SuperframeOrder, byte BatteryLifeExtension );但一般不直接使用上面的函數建立網絡，而是使用ZDO_StartDevice()函數來啟動一個設備10.4.3 路由器和終端設備加入網絡路由器和終端設備啟動后，將掃描DEFAULT_CHANLIST指定的頻道，如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID沒有被定義為0xFFFF,

7、則路由器將強制加入ZDAPP_CONFIG_PAN_ID定義的網絡。發現一個網絡將調用下面函數（以下函數不開源）：ZStatus_t NLME_NetworkDiscoveryRequest( uint32 ScanChannels, byte scanDuration);該函數要求網絡層去發現鄰居路由器節點，并且應該在進行網絡掃描之前調用，掃描的結果由ZStatus_t ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB()函數返回，其中：ScanChannels-準備掃描的信道號(信道號的范圍1126，即僅對2.4GHz頻段有效)。scanDuration-規定了在新的網絡開始建立

8、之前，其他網絡可以掃描每個信道的時間長度。發現網絡存在后，就調用下面的函數加入網絡。ZStatus_t NLME_OrphanJoinRequest( uint32 ScanChannels, byte ScanDuration )。該函數要求網絡層以孤節點的形式加入網絡。函數調用的結果由ZDO_JoinConfirmCB()函數返回。注意：如果協調器和路由器或終端設備都沒定義ZDAPP_CONFIG_PAN_ID為0xFFFF,則兩者之間不一樣的定義可能會出現一些意外的結果；如果ZDAPP_CONFIG_PAN_ID被定義為一個正確的值（小于或等于0x3FFFF），那么協調器就只在指定的PA

9、N ID上試圖建立網絡。實驗步驟10.510.5.1 在開始本實驗的仿真前，參看配套源資料中“關于節點板串口使用的統一說明”,先按照本說明去配置好串口，波特率38400，以便往下實驗能正常使用串口。圖10-8 節點板串口使用的統一說明10.5.2 啟動IAR Embedded Workbench，打開對應配套實驗源碼中“協調器”的SampleApp.eww工程：圖10-9 工程文件圖10-10 打開工程界面10.5.3 編譯鏈接程序代碼Make，這一步可以省略，因為進行DeBug前，IAR軟件會先編譯再下載代碼到目標板上去仿真，但對于編譯檢查錯誤，這一步也很有必要。如果正確編譯后文件右側的紅星

10、會消失。在Make之前，最好Clean一下，如下圖所示：圖10-11 編譯鏈接代碼文件紅色星星編譯后變沒有了編譯后生成圖10-12 編譯前后對比如果正確建立工程并正確配置了工程，則此時編譯是無錯誤的，編譯無錯誤如圖 圖10-13 編譯鏈接無錯誤圖10-14 編譯連接有錯誤10.5.4 按照前面“實驗設備”小節中的“硬件連接圖”連接好硬件并打開電源，點擊DEBUG按鈕或者”Project->Debug”或者快捷鍵“Ctrl + D”進行程序下載并Debug。如有出錯，請檢查硬件連接或拔掉仿真器USB再重接圖10-15 Debug 調試圖10-16 程序正在下載到目標板10.5.5 正確進入

11、DeBug界面，如下圖：圖10-17 仿真調試界面10.5.6 通過以上步驟已將協調器程序下載到節點，此時的節點叫“協調器”。10.5.7 在配套資料“提高實驗”文件夾下找到“超級單片機工具軟件.exe”，如果是WIN7系統，右鍵“以管理員身份運行”，選擇電腦對應的端口，設置和程序對應的波特率“38400”，數據位“8”，停止位“1”，校驗位“NONE”，然后點擊“打開串口”圖10-18 超級單片機工具軟件圖10-19 超級單片機工具軟件界面10.5.8 按下“全速運行”按鈕進行試驗驗證，串口打印出協調器啟動過程中的第幾步。具體參看“實驗驗證”。步出函數步入函數單步運行復位全速運行按鈕圖10-

12、20 調試功能按鈕10.5.9 此時一個“協調器”的啟動過程已經驗證完。將仿真器從“協調器”中拆下，讓“協調器”成為一個單獨個體，重啟運行，讓協調器處于一直運行狀態。再將另一個節點按照“硬件連接圖”連接好，再按“實驗步驟”將“路由器”的程序下載到節點中，然后全速運行驗證串口打印出來的結果。10.5.10 實驗完畢。實驗驗證10.6 10.6.1 查看串口調試助手打印出來的設備啟動步驟：圖10-21 協調器啟動過程圖10-22 路由器啟動過程實驗部分參考程序解析（完整程序見源程序文件）10.7代碼解釋：10.7.1 協調器建網過程:STEP 1: zigbee設備應用層初始化ZDApp_Init

13、 ()【ZDApp.c】：在任務初始化osalInitTasks()中，調用了ZIGBEE設備應用層初始化函數：void osalInitTasks( void ) uint8 taskID = 0; tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt); osal_memset( tasksEvents, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt); macTaskInit( taskID+ ); / MAC初始化，MAC任務ID為0，此函數不開源無法查看源碼。 nwk_init( ta

14、skID+ ); / nwk初始化，nwk任務ID為1，此函數不開源無法查看源碼。 Hal_Init( taskID+ ); / Hal初始化，hal(硬件抽象層)任務ID為2，僅賦值ID號。#if defined( MT_TASK ) MT_TaskInit( taskID+ ); / MT(monitortest監視器)初始化，如果有使用，則此任務ID為3，如果要使用UART串口，必須要初始化此任務.本程序沒使用。#endif APS_Init( taskID+ );/ APS(應用支持子層)初始化，APS任務ID為3，此函數不開源無法查看源碼。#if defined ( ZIGBEE_F

15、RAGMENTATION ) APSF_Init( taskID+ ); / 應用支持子層消息分割層,此處沒編譯使用#endif ZDApp_Init( taskID+ ); / zigbee設備應用層初始化，ZDApp任務ID為4,開始器件的啟動.#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) | defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLICT ) ZDNwkMgr_Init( taskID+ );/ 網絡管理層初始化，任務ID為5.#endif SampleApp_Init( taskID ); / 用戶任務初始化，任務ID為6.Main()

16、4;osal_init_system()àosalInitTasks()àZDApp_Init():在ZDApp_Init()當中，獲取了設備的IEEE地址和對按鍵啟動的檢測等，其中重要的是ZDOInitDevice()函數，可以說此函數是網絡建立的入口。因為IAR預編譯了HOLD_AUTO_START，所以devState初始化賦值為DEV_HOLD（在ZDApp.C中）：#if defined( HOLD_AUTO_START ) devStates_t devState = DEV_HOLD;#else devStates_t devState = DEV_INIT;

17、#endif所以語句 if ( devState != DEV_HOLD )不成立，故ZDOInitDevice()函數留用戶調用去啟動。STEP 2:用戶任務初始化SampleApp_Init()【SampleApp.c】：用戶任務初始化函數SampleApp_Init()中重要的地方就是調用了ZDOInitDevice()函數，而在調用ZDOInitDevice()前，要對設備類型進行定義，可以在用戶任務初始化調用ZDOInitDevice()前或是在ZDOInitDevice()函數的開始地方定義，此設備為“協調器”，所以定義為zgDeviceLogicalType = ZG_DEVIC

18、ETYPE_COORDINATOR。STEP 3:ZIGBEE設備初始化ZDOInitDevice()【ZDApp.c】：ZDOInitDevice()函數，先對網絡的各種動作以及參數做個配置，配置完成后調用ZDApp_NetworkInit()對網絡進行初始化。STEP 4：網絡初始化ZDApp_NetworkInit()【ZDApp.c】：在ZDApp_NetworkInit()函數里，實際上并沒有做其他的一些初始化，而是將ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定時器列表中去等待系統調度執行。STEP 5：ZIGBEE設備應用事件處理ZDApp_event_loop()【ZDApp.c

19、】：上一步將ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定時器列表中，現在ZDApp_event_loop()事件處理函數執行ZDO_NETWORK_INIT事件，其中調用了ZDO_StartDevice（）函數對特定類型的設備進行啟動初始化。STEP 6:設備啟動ZDO_StartDevice()【ZDObject.c】：啟動設備就是對特定的設備類型進行啟動，協調器就是創建網絡（而路由器則是搜索網絡），具體則是調用NLME_NetworkFormationRequest()去完成，這函數不開源。STEP 7:網絡創建NLME_NetworkFormationRequest()【NLMEDE.h

20、】：網絡創建函數就會在預設定的信道內檢測是否有相同的PAN ID的網絡存在，沒有的話則開始創建一個新的網絡，創建了網絡后，由回調函數ZDO_NetworkFormationConfirmCB()去返回一個結果。因為這部分的程序不開源，所以只能看回調函數的結果。STEP 8:創建網絡結果狀態返回ZDO_NetworkFormationConfirmCB()【ZDApp.c】：回調函數ZDO_NetworkFormationConfirmCB()就是調用網絡格式化函數后，返回網絡創建的結果，如果返回狀態是成功的，則設置設備狀態devState為DEV_COORD_STARTING，然后設置事件os

21、al_set_event( ZDAppTaskID, ZDO_NETWORK_START )STEP 9:網絡開始事件ZDApp_event_loop()àZDO_NETWORK_START【ZDApp.c】上一步觸發了ZDO_NETWORK_START網絡開始事件，這事件主要就是調用了ZDApp_NetworkStartEvt(),這個函數就是處理網絡啟動的一個函數。STEP 10:網絡啟動處理ZDApp_NetworkStartEvt()【ZDApp.c】:判斷網絡狀態nwkStatus，這里分成兩種狀態：nwkStatus為ZSuccess時，也就是說網絡創建成功了，將設備狀態

22、devState設置為對應的DEV_ZB_COORD，然后設置事件ZDO_STATE_CHANGE_EVT，也即網絡狀態發送改變的事件，轉到SETP 11.nwkStatus為非ZSuccess時，也就是網絡創建不成功，然后增大功率再次回到 STEP 5去進行對網絡格式化。如果發射功率已經是最大了，那么設置devState為DEV_INIT狀態(此狀態可以說是創建網絡失敗)，再設置事件ZDO_STATE_CHANGE_EVT跳到STEP 11處理。STEP 11：狀態改變事件ZDApp_event_loop()àZDO_STATE_CHANGE_EVT【ZDApp.c】這一步僅僅調用

23、一個網絡更新函數ZDO_UpdateNwkStatus()，根據之前的一些事件的結果更新網絡狀態。STEP 12:更新網絡狀態ZDO_UpdateNwkStatus()【ZDObject.c】：根據之前的步驟的返回結果更新網絡狀態，然后對在系統里注冊的端口(每個端口對應于一個任務)發送一個狀態改變的消息事件ZDO_STATE_CHANGE。STEP 13:消息事件處理SampleApp_ProcessEvent()àSYS_EVENT_MSGà ZDO_STATE_CHANGE【SampleApp.c】這個是用戶的消息事件處理，當協調器創建一個網絡，最終不管是成功還是失敗，

24、都會產生一個消息事件去通知每一個任務，各個任務就根據狀態結果去做相應的動作。至此，一個協調器的啟動過程已經完成。10.7.2 路由器(終端設備)入網過程STEP 1: zigbee設備應用層初始化ZDApp_Init ()【ZDApp.c】：在任務初始化osalInitTasks()中，調用了ZIGBEE設備應用層初始化函數：void osalInitTasks( void ) uint8 taskID = 0; tasksEvents = (uint16 *)osal_mem_alloc( sizeof( uint16 ) * tasksCnt); osal_memset( tasksEve

25、nts, 0, (sizeof( uint16 ) * tasksCnt); macTaskInit( taskID+ ); / MAC初始化，MAC任務ID為0，此函數不開源無法查看源碼。 nwk_init( taskID+ ); / nwk初始化，nwk任務ID為1，此函數不開源無法查看源碼。 Hal_Init( taskID+ ); / Hal初始化，hal(硬件抽象層)任務ID為2，僅賦值ID號。#if defined( MT_TASK ) MT_TaskInit( taskID+ ); / MT(monitortest監視器)初始化，如果有使用，則此任務ID為3，如果要使用UART串

26、口，必須要初始化此任務.本程序沒使用。#endif APS_Init( taskID+ );/ APS(應用支持子層)初始化，APS任務ID為3，此函數不開源無法查看源碼。#if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION ) APSF_Init( taskID+ ); / 應用支持子層消息分割層,此處沒編譯使用#endif ZDApp_Init( taskID+ ); / zigbee設備應用層初始化，ZDApp任務ID為4,開始器件的啟動.#if defined ( ZIGBEE_FREQ_AGILITY ) | defined ( ZIGBEE_PANID_CONFLI

27、CT ) ZDNwkMgr_Init( taskID+ );/ 網絡管理層初始化，任務ID為5.#endif SampleApp_Init( taskID ); / 用戶任務初始化，任務ID為6.Main()àosal_init_system()àosalInitTasks()àZDApp_Init():在ZDApp_Init()當中，獲取了設備的IEEE地址和對按鍵啟動的檢測等，其中重要的是ZDOInitDevice()函數，可以說此函數是網絡建立的入口。因為IAR預編譯了HOLD_AUTO_START，所以devState初始化賦值為DEV_HOLD（在ZDA

28、pp.C中）:#if defined( HOLD_AUTO_START ) devStates_t devState = DEV_HOLD;#else devStates_t devState = DEV_INIT;#endif所以語句 if ( devState != DEV_HOLD )不成立，故ZDOInitDevice()函數留用戶調用去啟動。STEP 2:用戶任務初始化SampleApp_Init()【SampleApp.c】：Main()àosal_init_system()àosalInitTasks()àSampleApp_Init():用戶任務初

29、始化函數SampleApp_Init()中重要的地方就是調用了ZDOInitDevice()函數，而在調用ZDOInitDevice()前，要對設備類型進行定義，可以在用戶任務初始化調用ZDOInitDevice()前或是在ZDOInitDevice()函數的開始地方定義，此設備為“路由器”，所以定義為zgDeviceLogicalType = ZG_DEVICETYPE_ROUTER。STEP 3:ZIGBEE設備初始化ZDOInitDevice()【ZDApp.c】：ZDOInitDevice()函數，先對網絡的各種動作以及參數做個配置，配置完成后調用ZDApp_NetworkInit()

30、對網絡進行初始化。STEP 4：網絡初始化ZDApp_NetworkInit()【ZDApp.c】：在ZDApp_NetworkInit()函數里，實際上并沒有做其他的一些初始化，而是將ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定時器列表中去等待系統調度執行。STEP 5：ZIGBEE設備應用事件處理ZDApp_event_loop()【ZDApp.c】：上一步將ZDO_NETWORK_INIT事件加入到定時器列表中，現在ZDApp_event_loop()事件處理函數執行ZDO_NETWORK_INIT事件，其中調用了ZDO_StartDevice（）函數對特定類型的設備進行啟動初始化。ST

31、EP 6:設備啟動ZDO_StartDevice()【ZDObject.c】：啟動設備就是對特定的設備類型進行啟動，路由器則是搜索發現網絡，具體則是調用NLME_NetworkDiscoveryRequest()去完成，這函數不開源。STEP 7:網絡創建NLME_NetworkDiscoveryRequest ()【NLMEDE.h】：網絡搜索發現函數就會在預設定的信道內檢測是否有相同的PAN ID的網絡存在，當找到了相同的PAN ID的網絡則加入網絡，由回調函數ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB ()去返回一個結果。因為這部分的程序不開源，所以只能看回調函數的結果。

32、STEP 8:搜索網絡結果狀態返回ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB()【ZDApp.c】：回調函數ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB()就是調用網絡搜索函數后，返回網絡搜索的結果，將搜索到的結果進行逐個比較，然后通過消息將反饋信息比較后發送到ZDA層。ZDApp_SendMsg(ZDAppTaskID,ZDO_NWK_DISC_CNF, sizeof(ZDO_NetworkDiscoveryCfm_t), (uint8 *)&msg );STEP 9:網絡請求加入事件ZDApp_event_loop()àSYS_EVENT_MSG【ZDApp.c】上一步發送了消息給ZDAppTaskID，而在ZDApp_event_loop里對消息進行處理又是調用了ZDApp_ProcessOSALMsg()函數，在消息處