严海洲

关键词：Z-Stack协议栈；无线传输；工程实践；创新能力

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2023）12-0086-03

0 引言

基于Z-Stack协议栈的环境数据无线传输实验的硬件环境为UP-MOBNET-A9-II型移动互联网教学科研平台，软件开发平台为IAR Embedded Work?bench for MCS-51 ，实现无线组网及通信的协议栈是ZStack-2.3.0-1.4.0。本实验是《无线传感网络技术》课程中难度较大的综合性实验项目，通过本实验，可以让学生理解无线传感网络系统硬件的构成、具体功能和工作原理，进一步掌握无线传感网络软件集成开发环境IAR Embedded Workbench的功能、使用方法和特点。培养他们应用无线传感网络开发平台的基本技能、工程思维和团队协作精神。

在实验的整体设计方面，考虑到涉及相关知识点的多面性与综合性，为降低学习难度，采用由基础实验到高级实验，由简单模块实验到复杂系统实验的递进式实现方法。先安排两个前置实验，传感器实验（以温湿度传感器为例）和TI CC2530 Z-Stack协议栈IAR工程配置实验。前者的主要目的是为了熟悉Zig?Bee（TI CC2530） 模块相关硬件接口、传感器（以温湿度传感器为例）的工作原理和时序操作；后者的主要目的是为了学生熟悉Z-Stack协议栈的安装、结构，掌握Z-Stack协议栈中SampleApp工程的具体应用流程，以及IEEE802.15.4标准和ZigBee协议在无线传感网络架构中的作用。完成这两个前置实验后，再去做难度较高的基于Z-Stack协议栈的环境数据（以温湿度传感器为例）无线传输实验，掌握ZigBee（TI CC2530） 模块的无线组网、数据无线收发的原理与过程。

1 基于Z-Stack 的环境数据无线传输实验的两个前置实验

1.1 传感器实验（以温湿度传感器为例）

系统配套的温湿度传感器，与ZigBee（TI CC2530） 模块的A/D 排针相连，这样我们可以知道，温湿度传感器模块的时钟线与ZigBee 模块的P0_0 IO引脚相连，温湿度传感器的数据线与P0_1 IO引脚相连[1]。因此，我们要监测温湿度传感器状态，只需要在代码中对对应的引脚进行输入输出控制，从而模拟该传感器的时序即可。我们在IAR开发环境中编译、运行、调试程序，设置ZigBee（TI CC2530） 模块的IO的状态，不仅模拟温湿度传感器的时序，同时将数据线的上拉电阻功能打开。其中温湿度传感器（UPM-1303 SHT GID=0x08） 的数值转换公式为[2]：

Uint16 humi_val = BUILD_UINT16（HUMI_L，HUMI_H）;

Uint16 temp_val = BUILD_UINT16（TEMP_L，TEMP_H）;

Double humi = -4 + 0.0405*humi_val - 2.8*pow（10， -6）*pow（humi_val， 2）;

Double temp = -39.6 + 0.01*temp_val;

采集到温湿度值后，通过硬件平台的串口打印方式输出相应的温湿度数据。将显示终端（如PC机）的串口与之相连，即可从终端的显示窗口（如PC机支持的超级终端软件窗口）观察到温湿度数据。

1.2 TI CC2530 Z-Stack 协议栈IAR 工程配置实验

Z-Stack协议栈是TI公司基于CC2530芯片推出的、符合IEEE802.15.4标准和ZigBee2007协议的协议栈，该协议栈为用户提供了能实现各个功能的框架代码，让他们在Z-Stack协议栈的框架上进行修改和补充，即可实现用户需要的功能。

IEEE802.15.4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层。PHY层由射频收发器以及底层的控制模块组成。MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口[3]。而ZigBee协议定义了网络层（NWK） 和应用层。ZigBee协议的网络层主要提供网络管理功能。规范了建立新网络、设备入网或与网络断开的操作。ZigBee协议在应用层定义了一些组件，主要由APS子层、ZigBee协议设备对象（ZOD） 和设备商自定义的应用组件组成[4]。

TI CC2530 Z-Stack協议栈IAR工程配置实验基于ZigBee（TI CC2530） 模块，通过Z-Stack 协议栈IAR 工程的配置过程，可以学习TI Z-Stack协议栈和实际需要相结合的基本开发过程。

首先，我们安装TI CC2530 Z-Stack协议栈：打开TI CC2530 Z-Stack协议栈的安装包，启动其中的协议栈安装程序ZStack-2.3.0-1.4.0.exe，可选择接收协议和典型安装。协议栈安装后，会在C盘Texas Instru?ments目录下新增一个ZStack-2.3.0-1.4.0目录，其中含有Components、Documents、Projects和Tools等4个文件夹。其中，在Projects 的zstack＼Samples＼Sample?App＼CC2530DB 路径下，含有一个名为SampleApp 的工程样例可以作为模板，我们用IAR Embedded Work?bench 打开TI CC2530 Z-Stack 协议栈安装目录中的SampleApp.eww工程，如图1所示。即可通过进一步的操作了解到协议栈的目录结构及相关软件流程。

在IAR Embedded Workbench 的Workspace 工作区，我们还可以看到这个SampleApp工程有8种模板可以选择（见图2） 。其中CoordinatorEB、RouterEB、EndDeviceEB和DemoEB等4种模板合乎ZigBee 2007 协议的ZigBee 功能指令集；此外4 种模板CoordinatorEB-Pro、RouterEB-Pro、EndDeviceEB-Pro和DemoEB-Pro合乎ZigBee 2007协议的ZigBee Pro功能指令集。这8种模板对应的设备类型各不相同。ZigBee标准确定了ZigBee网络中的三种设备：ZigBee 协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备[5]。一个Zig?Bee网络通常由一个ZigBee协调器以及多个ZigBee路由器和多个ZigBee终端设备组成。其中，ZigBee协调器在完成网络的启动和配置后，其工作角色即转化为一个路由器。这是ZigBee 网络本身的分布特性决定的，因为此时网络已不再需要协调器。

可以根据ZigBee（TI CC2530） 模块和传感器等硬件设备的配置情况，展开TI CC2530 Z-Stack协议栈的工程配置。我们既可以给某个ZigBee（TI CC2530） 模块下载CoordinatorEB工程，让它成为协调器，具备自动组建网络的功能；也可以给某个ZigBee（TI CC2530） 模块下载EndDeviceEB 工程，让它成为终端节点模块；还可以给某个ZigBee（TI CC2530） 模块下载Rou?terEB工程，让它成为路由模块。

结合UP-MOBNET-A9-II 型移动互联网教学科研平台的实际配置情况，现做一项较为简单的入门级的TI CC2530 Z-Stack 协议栈IAR 工程配置。选择2 个ZigBee（TI CC2530） 模块，通过IAR工程的Debug对其中的任意一个下载烧写协调器CoordinatorEB工程，对另一个下载烧写终端节点EndDeviceEB工程。然后先开启指定为协调器的ZigBee（TI CC2530） 模块，则其会自动组建网络，并在组网成功时点亮模块上的绿灯。接着打开指定为终端节点的ZigBee（TI CC2530） 模块，其在入网成功时也会点亮模块上的绿灯。至此，TI CC2530 Z-Stack 协议栈IAR 工程配置即告完成。

2 基于Z-Stack 协议栈的环境数据无线传输实验

为实现基于Z-Stack协议栈的环境数据的无线传输，我们需要ZigBee（TI CC2530） 模块能够无线组网和实现数据通信。我们继续以温湿度传感器为例，就是要求协调器（Coordinator） 能够自动组网，附带有温湿度传感器的终端节点（EndDevice） 能够自动入网，并能够按照一定周期广播传输采集到的温湿度数据。

本实验同前置实验Z-Stack协议栈IAR工程配置实验一样，也是使用IAR Embedded Workbench 开发环境打开ZStack-2.3.0-1.4.0 协议栈中的源码例程SampleApp.eww，将其中的工程样例作为模板。

在温湿度传感器状态的获取方面，与前置实验传感器实验（以温湿度传感器为例）相比也有提升：在传感器实验里面是通过配置TI CC2530 处理器的IO引脚P0_0、P0_1以模拟温湿度传感器的时序，进而取得传感器的状态。而本实验是在终端节点模块的函数中，加入温湿度采集数据，通过AF_DataRequest（）函数接口发送给PC计算机串口进行显示。

在打开SampleApp.eww 工程后，同前置实验ZStack协议栈IAR工程配置实验一样，先后完成协调器ZigBee（TI CC2530） 模块和终端节点ZigBee（TICC2530） 模块的编译和烧写，然后进行测试。在网络组建完成后，用串口线把PC 机的串口和ZigBee（TICC2530） 协调器模块对应的串口连接起来，调整串口终端设置，即可在超级终端上看到无线传感网络终端节点采集的温湿度数据。为确认显示的温湿度数据是该终端节点所采集的，可以通过人为干扰传感器造成温湿度数据变化进行证明，如图3所示：当把手指放到终端节点附带的温湿度传感器上以后，温湿度数据发生了明显的上升。

基于Z-Stack协议栈的环境数据无线传输有着广泛的用途，以温湿度传感器为例，农业生产、化学工程、天气预报、文物保护、大型服务器机房的监控，凡此种种都离不开温湿度的测量与调控。同理，此系统的终端节点也可附带其他种类的传感器，譬如广谱气体传感器、热释红外传感器、三轴加速度传感器、压力传感器、红外对射传感器，等。同时，类似于本实验的环境数据无线传输系统具有低复杂度、低功耗、低成本、短时延、网络容量大、运行稳定等特点。所有这些充分表明无线传感网络技术有着广泛的应用前景。

3 结束语

基于Z-Stack协议栈的环境数据无线传输实验是《无线传感网络技术》实验环节中的一个综合设计类实验项目，也是实验环节中的一个重点和难点。要求学生进一步掌握IAR开发环境下的程序设计，通过IAR开发环境编程，实现基于Z-Stack协议栈的无线传感器的网络数据传输，即协调器自动组网，终端节点自动入网。掌握ZigBee（TI CC2530） 模块无线组网的原理及过程，利用ZigBee（TI CC2530） 模块的IO口来监测温湿度传感器（也可以是前述的其他传感器）的状态，并通过串口把检测到的数据打印到显示终端上。

通过本实验项目可以培养学生自身的软件工程管理能力，能够对ZigBee（TI CC2530） 节点模块和各种环境传感器进行管理，同时学习和深刻理解Z-Stack 协议栈的丰富内容，加深对Z-Stack协议栈底层逻辑的理解。该实验项目被安排在整个实验周期的中间，符合循序渐进的专业学习路径。相关实验课基本包含“讲、练、思、创”四个方面的内容。

讲，是对实验项目相关知识点的梳理和讲解。如Z-Stack 协议栈的底层逻辑，ZigBee（TI CC2530） 模块无线组网的原理及过程，常用的几类环境传感器的驱动接口等。

练，让学生们放开手脚尝试实现实验项目。让每个学生都加到小组之中，动脑思考、动口交流、动手实施，充分参加到实验之中。只有通过一定的摸索和试错，才有可能真正熟悉和掌握整个项目实现的软硬件条件、SampleApp工程的架构等。才有可能让他们充分了解到无线传感网络系统的配置过程、各种不同外设的设置与调用方法。

思，提出若干問题或设想供学生思考并验证。以实验目的为指导，引导他们掌握相关实验由易到难的迭代过程。研读和思考Z-Stack协议栈中的Sample?App工程样例，探讨协调器自动组网和终端节点设备自动入网功能是如何实现的；以及发送periodic信息的流程，特别是Periodic消息是如何在ZigBee组网成功后，通过开启定时器来推送周期信息的。

创，指导学生通过举一反三，去创造新的实验结果。如尝试对实验平台上的其他传感器（如广谱气体传感器、红外对射传感器、磁场强度传感器、压力传感器和三轴加速度传感器，等）采集到的环境数据进行无线传输。此一阶段主要是协助一些能力较强的学生，对他们予以指导和鼓励，甚至在时间允许的情况下，让一两位做得比较好的学生上台分享他们的思路和编程技巧。

本实验项目通过软硬件协同的综合性设计，有利于培养学生对专业知识的综合运用能力、创新意识和实践能力，也有利于他们创新能力的培养。通过课程内容的递进式设计、实验过程的互动和自主设计实验的创新引领，延伸了学生的认识和思维过程、引导和发展了学生的创新能力。