無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）是由多個節點組成的面向任務的無線自組織網絡，一般不需要很高的信道帶寬，但應具有較低的傳輸延時和極低的功率消耗，使用戶能在有限的電池壽命內完成任務。IEEE 802．15．4／ZigBee標準把低功耗、低成本作為主要目標，為無線傳感器網絡提供了一種互連互通的平臺。因此將ZigBee技術與無線傳感器網絡技術結合起來研究具有現實意義。

1 ZigBee技術的體系結構

在ZigBee技術中，其體系結構通常由層來量化它的各個簡化標準。每一層負責完成所規定的任務，并且向上層提供服務。各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務。ZigBee技術的體系結構主要由物理（PHY）層、媒體接入控制（MAC）層、網絡／安全層以及應用框架層構成，其各層的分布如圖1所示。

2 ZigBee技術的網絡拓撲結構

ZigBee技術網絡有2種拓撲結構：星型拓撲結構和對等拓撲結構，如圖2所示。其中定義了兩種設備：全功能設備（Full Funetion Device，FFD）和精簡功能設備（Re—dueed Function Device，RFD）。與RFD相比，FFD在硬件功能上比較完備。在通信能力方面，FFD可以與所有其他的FFD或RFD通信，而RFD只能和與其關聯的FFD進行通信。與RFD相關聯的FFD設備稱為該RFD的“協調器（Coordinator）”。在整個網絡中，有一個FFD充當網絡協調器（PAN Coordinator）。除直接參與應用外，網絡協調器還需要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。

本文移植的協議棧拓撲結構是對等拓撲網絡中的一種——樹簇網絡。在樹簇網絡中大部分沒備為FFD，RFD只能作為樹枝末尾處的葉節點，這主要是由于RFD 一次只能連接一個FFD。任何一個FFD都可以作為主協調器，并為其他從設備或主設備提供同步服務。在整個PAN中，只要該設備相對于PAN巾其他設備具有更多資源，這樣的設備都可以成為該PAN的主協調器。

在建立一個PAN時，首先，PAN主協調器將其自身設置為一個簇標識符（CID）為O的簇頭（CLH）。然后，選擇一個沒有使用的PAN標識符，并向鄰近的其他設備以廣播的方式發送信標幀，從而形成第一簇網絡。接收到信標幀的候選設備可以在簇頭中請求加入該網絡，如果PAN主協調器允許該設備加入，該設備就將主協調器作為它的父節點加到它的鄰近表中，成為該網絡的一個從設備；同樣，其他設備都按照同樣的方式，請求加入到網絡中。如果候選設備不能加入到該網絡中，那么它將尋找其他的父節點。在樹簇網絡中，最簡單的網絡結構是只有一個簇的網絡，但是多數網絡結構由多個相鄰的網絡構成。一旦第一簇網絡滿足預定的應用或網絡需求，PAN主協調器將會指定一個從設備為另一個簇的簇頭，使得該從設備成為一個主協調器。隨后其他的從設備將逐個加入，形成一個多簇網絡，如圖3所示。

3 無線傳感器網絡的節點結構

本文移植的目標板是自行設計的無線傳感器網絡節點模塊。其中，處理器模塊采用Atreel公司的AT—megal28L，無線通信模塊采用TI公司的CC2420，電源模塊使用NCPl402芯片將2節電池進行DC—DC變換后得到，傳感器模塊采用DSl8820。

CC2420利用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發數據的狀態。ATmegal28L通過CC2420的SPI接口（CSn、SO、 SI、SCK）與CC2420交換數據、發送命令，利用RSTn引腳復位芯片；并且利用VREG_EN引腳使能CC2420的電壓調整器，使其產生 CC2420所需要的1．8 V電壓，從而使CC2420進入正常工作的狀態。CC2420通過單極天線或PCB天線進行通信。節點總體框圖如圖4所示。

4 zigBee協議棧的移植

4．1 msstatePAN協議棧的移植

msstatePAN協議棧是由密西西比大學的R．Reese教授為廣大無線技術愛好者開發的精簡版ZigBee協議棧，基于標準C語言編寫，基本具備了 ZigBee協議標準所規定的功能，最新版本為V0．2．6，該版本支持多種開發平臺，包括PICDEM Z、CC2430評估板、MSP430+CC2420（Tmote）以及WIN32虛擬平臺。由于該協議棧的上述特點以及源代碼的開放性，本文選擇它作為學習和移植的對象。

移植是將msstatePAN協議棧在PICDEM Z平臺下的代碼移植到上面設計的目標板中，采用winavr20070525作為編譯器，并通過JTAG接口將程序下載到目標板中。下面介紹一下移植過程。

（1）編寫makefile文件

winavr 20070525采用GCC編譯器，要編寫makefile文件以完成程序的編譯。指定MCU為ATmegal28，定義CPU工作頻率F_CPU為8 000 000 Hz；定義編譯后生成的文件類型FORMAT為ihex；將TARGET改為項目主文件的文件名，由于后面測試用ing_pong．c這個文件，此處將 TARGET定義為ping_pong；最后定義SRC，在SRC中應包含整個項目中的所有文件，并且各個文件名之間要用空格格開。協議棧為規定當前編譯器編譯的是協調器代碼、IEEE 64位長地址等，要用到LRWPAN_COORDINATOR等宏定義，因此要在makefile文件中加入相應的宏定義代碼。

（2） 替換與編譯器相關的定義

本移植用的是GCC編譯器，所以要將與PIC編譯器相關的代碼進行替換，為此修改compiler．h頭文件及特定編譯器的數據定義。例如對ROM數據類型進行替換，或者直接刪除該數據類型。

（3）移植與硬件平臺相關的部分

該部分代碼涉及的都是最底層的東西，通過對協議棧的透徹理解，總結出要修改的文件有halStack．c、hal．h、halHeepSpace．h、cc2420．c／．h、 evboard．c／．h、evbRadio．h、evbConfig．h等。其中halStack．c和evboard．c兩個文件改動很大。這兩個文件中包括硬件接口定義、串口定義、LED燈定義、硬件系統初始化定義，以及中斷處理函數和協議棧時鐘函數的實現。首先移植中斷處理函數，注意采用下降沿觸發中斷。其次，移植協議棧時鐘，目標板用ATmegal28L的定時器1作為協議棧的運行時鐘。由于單片機采用8 MHz晶振，當定時器使用64分頻時（At—megal28L定時器1沒有128分頻），此時定時器計數一次所需要的時間為8μs，而在協議棧中每傳輸一個符號（symbo1）所需要的時間為16μs，故將定時器計數2次定義為一個symbol時間。所以在設計中，要修改hal—MacTicksToUs 函數及SYMBOLS_TO_MACTICKS（x）和MSECS_TO_MACTICKS（x）宏定義。

（4）對協議棧內部各層進行適當修改

這部分的移植工作與第3步相比簡單些，一些與硬件聯系緊密的MAC層和PHY層相關的函數都放在ev—board．c和halStack．c文件中。具體分析如下：

①根據自己的需求修改協議棧需要的堆棧，協議中默認為l 024字節，可以根據實際情況做些調整。

②debug．c函數中的一些定義在運行時需要大量RAM，如果選擇編譯的是協調器，則整個協議棧需要RAM存儲單元大于6KB，而ATmagal28L 內部只有4 KB RAM，為此屏蔽了一些調試顯示信息，以達到系統要求。

③修改staticbind．h函數，由于該協議棧是靜態分配地址，而該函數的作用就是定義其地址，所以該函數在整個協議棧運行中至關重要。首先要考慮其地址是不是和makefile中定義的相吻合，如果不吻合應進行相應修改，否則CC2420地址譯碼就通不過，以至于無法建立網絡。其次，應該確定數據存儲是按大端模式還是小端模式，如果弄反了，地址就會不一樣。ATmegal28L是小端模式，這和PIC單片機是一致的，因此不需要修改，但要修改函數中的宏定義，讓編譯器選擇相應的程序進行編譯，生成正確的地址。

（5）編譯下載

通過上面的移植，程序應該能正確進行編譯以及鏈接，生成HEX文件；再用AVRStudio4．12軟件將程序下載到相應節點中，進行協議棧測試。

4．2 測試方法

為了測試協議棧移植是否成功，采用2個節點進行實驗。其中，一個作為協調器，另一個作為RFD設備節點。在makefile中設定協調器的IEEE地址為 Ox001248000001216F，RFD設備的IEEE地址為0x0012480000012170，并使用ping_pong．c文件提供的功能進行測試。

首先完成網絡的建立，協調器調用aplFormNetwork（）函數建立一個網絡；然后等待RFD設備的加入，RFD設備調用 aplJoinNetwork（）函數申請加入網絡。在網絡建立成功后執行ping_pong過程，該過程就像打乒乓球一樣，先是協調器發送數據給RFD 設備，RFD設備接收到信息后回發給協調器。如此往返．這也是文件名為ping_pong的原因，具體程序流程如圖5所示。

編譯、鏈接ping_pong．c文件時務必注意：如果是協調器，—定要加入宏LRWPAN_COORDINATOR，否則編譯的程序為RFD設備的程序。編譯完成后，將生成的文件分別下載至各節點，并將節點連接到串口調試助手，按程序要求設置串口調試助手的參數，如波特率、數據位長度等。完成這些設置后，分別打開各節點，首先啟動協調器節點，然后再啟動RFD設備節點。圖6是協凋器連接的串口調試助手的顯示信息。

從圖6中可以知道，節點Ox0012480000012170加入到網絡，其IEEE的長地址為Ox0012480000012170；協調器分配給該節點的短地址為Oxl699，協調器有一個鄰居節點，2個節點之間已經開始數據的傳送。由此可見，移植成功。

結語

無線傳感器網絡是一門新興的技術，目前傳感器網絡硬件節點價格比較昂貴，軟件支持也有不足。如果能移植一個相對成熟的協議棧，將最大限度地降低節點成本。本文就是從這個角度出發，設計出了相應的硬件平臺，并成功移植了msstatePAN協議棧，從學習和科研角度考慮具有借鑒意義。

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