基于Z-stack協(xié)議棧ZCL庫且符合HA規(guī)范的ZigBee應(yīng)用開發(fā)

時間：2021-10-20 22:46:47

關(guān)鍵字： Z-stack HA規(guī)范 ZCL Zigbee

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[導(dǎo)讀]摘要：鑒于國內(nèi)ZigBee產(chǎn)品協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的現(xiàn)狀和市場對符合統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee產(chǎn)品的需求，為了實(shí)現(xiàn)基于 Z-stack協(xié)議棧且符合HA規(guī)范的應(yīng)用開發(fā)，通過對ZigBee聯(lián)盟制定的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)文件的學(xué)習(xí)和解讀，結(jié)合Z-stack協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其提供的函數(shù)庫，總結(jié)歸納了基于該協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)HA規(guī)范的ZigBee應(yīng)用開發(fā)的基本流程和相關(guān)注意事項(xiàng)。

引言

目前，國內(nèi)市場上ZigBee產(chǎn)品雖然很多，但大多采用的都是私有協(xié)議棧，阻礙了不同廠家產(chǎn)品之間的互用和替代，這也是ZigBee市場規(guī)模無法迅速擴(kuò)大的一個重要原因，因此，開發(fā)具有符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的ZigBee產(chǎn)品成為當(dāng)務(wù)之急。目前國內(nèi)的ZigBee行業(yè)規(guī)范還正在處于形成階段，但國際上的 ZigBee規(guī)范已經(jīng)建立并受到國際上眾多廠商的追隨，因此，本文就如何開發(fā)符合ZigBee聯(lián)盟規(guī)定的HA規(guī)范的ZigBee 應(yīng)用進(jìn)行了探討。

Z-stack是TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧系統(tǒng)，這是一個通過ZigBee聯(lián)盟認(rèn)證的符合ZigBee2007規(guī)范的平臺。借由 TI公司ZigBee芯片及SOC產(chǎn)品在國內(nèi)的廣泛接受，Z-stack 也稱為眾多芯片廠商提供的協(xié)議棧中開發(fā)者接受度比較廣的一款ZigBee協(xié)議棧。本文探討的ZigBee產(chǎn)品應(yīng)用開發(fā)是基于 Z-stack協(xié)議棧的。

收稿日期:2013-01-30

ZCL 庫(ZigBee cluster library)111

在ZigBee協(xié)議棧中，簇是一組命令和屬性的集合，這些命令和屬性組合起來，構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)某一功能的實(shí)體。

ZCL是由ZigBee聯(lián)盟制定的包含了大量功能簇(cluster) 的大集合。在應(yīng)用開發(fā)中，以ZCL中已有的簇作為功能單元來使用，可以增強(qiáng)通用性，避免重復(fù)開發(fā)。

ZCL對功能簇進(jìn)行了分類和描述。每個功能簇都包含有一個或多個屬性及命令，ZCL對每個屬性都進(jìn)行了定義和描述，包括屬性ID、名稱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)值范圍、初始值、可讀寫性以及強(qiáng)制性;同時，也對此簇所包含的命令進(jìn)行了定義，包括命令I(lǐng)D、命令名稱、命令數(shù)據(jù)幀內(nèi)容和觸發(fā)效果等。

ZCL中的通信是基于Client/Server模型的以簇為單位進(jìn) 行的。兩個不同功能設(shè)備之間的相互通信，是基于某一個或多個功能簇的。用來儲存這些簇屬性的設(shè)備，稱為Server端；而用來操作這些簇屬性的設(shè)備，稱為Client端。針對Client/ Server端口類型的不同，同一個簇也具有不同的屬性和命令。例如，操作屬性的命令，通常由Client端發(fā)送給Server 端；而用針對這些操作命令的回復(fù)，通常由Server端發(fā)送給 Client 端。另外，報告類型的命令(report attribute command) 通常由Server端發(fā)送給Client端。以O(shè)n/Off簇為例，該簇的作用是實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的開/關(guān)狀態(tài)的控制，體現(xiàn)在設(shè)備上，分為Client端和Server端兩種角色的設(shè)備，比如開關(guān)是Client端, 而某個具有ZigBee模塊的燈節(jié)點(diǎn)則代表了相應(yīng)的Server端。 Server端作為命令的接收者，必須能夠識別開/關(guān)/切換這幾個來自Client端的命令(在ZCL中，已經(jīng)規(guī)定好這些命令對應(yīng)的ID,如0x00代表關(guān),0x01代表開,0x02代表切換)，同時, 由于命令操作的是屬性，因此，該Server端必須保存有開關(guān) 狀態(tài)這一屬性。

另外，ZCL制定了基于cluster的各類命令幀的格式(包括讀、寫、報告等)；定義了用于尋址的各指示參數(shù)(包括規(guī) 范ID、設(shè)備ID、簇ID、屬性ID和命令I(lǐng)D)；規(guī)定了用于各屬性和命令中各類數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型；還規(guī)定了在通信中可能會出現(xiàn)的所有狀態(tài)的枚舉數(shù)組。

HA(home automation)規(guī)范[2]

HA規(guī)范是由ZigBee聯(lián)盟(ZigBee alliance)制定的對用于住宅環(huán)境的各類常見應(yīng)用的設(shè)備描述和操作規(guī)范。通過這一規(guī)范，為不同廠商的ZigBee HA設(shè)備提供了標(biāo)準(zhǔn)的接口和定義，確保其相互之間能夠相互通信并協(xié)同工作。

HA規(guī)范的范圍主要集中在對家用設(shè)備進(jìn)行的實(shí)時操作，該規(guī)范可以構(gòu)筑在ZigBee2007的兩個子規(guī)范(ZigBee、 ZigBee pro)之上。

HA規(guī)范可以簡單分成圍繞網(wǎng)絡(luò)特性的參數(shù)設(shè)置和圍繞功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)備描述分類(包括相應(yīng)設(shè)備的簇以及特性和功能)這兩大部分的內(nèi)容。

2.1參數(shù)設(shè)置

HA規(guī)范對涉及到協(xié)議棧各功能方面的一些參數(shù)進(jìn)行了明確的規(guī)定，例如用于設(shè)備啟動時的啟動參數(shù)集(startup attribute sets),要求每個設(shè)備都必須內(nèi)置這些參數(shù)，例如將 PAN ID設(shè)置成0xffff等。還有比如用于網(wǎng)絡(luò)重連接的時間間隔、安全中心連接秘鑰等等參數(shù)。

在安全參數(shù)的設(shè)置方面，HA規(guī)范中規(guī)定，設(shè)備的初始網(wǎng)絡(luò)安全秘鑰(network key)是空的，即每個設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)安全秘鑰必須由安全中心來統(tǒng)一分配；而安全中心連接秘鑰(trust center link key)是每個設(shè)備都預(yù)置好的。

2.2設(shè)備描述

HA規(guī)范對可能會用到的設(shè)備進(jìn)行了劃分并設(shè)置了相應(yīng)的 ID,在HA網(wǎng)絡(luò)中的每個終端都必須符合至少一項(xiàng)該分類圖中給出的設(shè)備描述分類(如果同時符合多個設(shè)備描述的話，需要在自己的設(shè)備描述中枚舉這些設(shè)備類型)。

在HA規(guī)范中，每個設(shè)備描述都詳細(xì)規(guī)定了其所支持的簇，以及所支持的特性和功能。以通用設(shè)備中的開關(guān)(On/Off Switch)設(shè)備為例。其所支持的簇如表1所列。

基于Z-stack協(xié)議棧ZCL庫且符合HA規(guī)范的ZigBee應(yīng)用開發(fā)

也就是說，如果某個設(shè)備是開關(guān)的Client端節(jié)點(diǎn)，則必須具有On/Off簇，用以發(fā)出控制On/Off屬性的命令。

針對每一類設(shè)備，HA規(guī)范都通過特性和功能描述對其進(jìn)行行為上的描述，而通過其所包含的cluster來對其進(jìn)行程序?qū)用嫔瞎δ苡蚺c接口的界定。從整體上來講，HA規(guī)范中為一個設(shè)備應(yīng)該實(shí)現(xiàn)什么以及如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了明確的說明。

Z-stack中的ZCL庫及使用

Z-stack協(xié)議棧中包含有針對ZigBee聯(lián)盟的ZCL規(guī)范進(jìn) 行編寫的ZCL庫，用以在自己的協(xié)議棧中支持ZCL的實(shí)現(xiàn)叫 ZCL層API封裝了大量針對ZCL的包括幀格式、命令I(lǐng)D等細(xì)節(jié)，而只是向開發(fā)者提供了簡單明了的命令函數(shù)，通過引入 ZCL層API,可以大大簡化標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用的開發(fā)。在Z-stack中，利用ZCL層API開發(fā)符合HA規(guī)范的應(yīng)用的步驟如下叫 3.1 ZCL層的注冊及初始化

首先，必須將ZCL層初始化并注冊到任務(wù)列表中去。ZCL的初始化是在osalInitTasks函數(shù)中添加zcl_Init( taskID++ )語句，用來給ZCL層的事件分配一個任務(wù)ID ；注冊即是在OSAL的任務(wù)列表tasksArr[]中，添加zcl_event_ loop, zcl_event_loop是在zcl.c里定義的用來處理ZCL層事件的一個任務(wù)循環(huán)函數(shù)。

ZCL層的注冊和初始化必須放在應(yīng)用層之前。

3.2應(yīng)用層的注冊和初始化

用ZCL來構(gòu)建基于HA規(guī)范的應(yīng)用層，與ZCL層的注冊和初始化相類似，也必須在任務(wù)列表里添加應(yīng)用層的任務(wù) 循環(huán)，并在初始化函數(shù)中進(jìn)行初始化。

應(yīng)用層的初始化主要包括以下幾個方面。

3.2.1終端節(jié)點(diǎn)的注冊

通過zclHA_Init函數(shù)對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊，表明該節(jié)點(diǎn) 是HA規(guī)范中的一個節(jié)點(diǎn)，該注冊過程同時也包括了該節(jié)點(diǎn)相應(yīng)功能簇的注冊。

3.2.2 ZCL回調(diào)函數(shù)集的注冊

ZCL中每一類設(shè)備都會包含一系列與其實(shí)現(xiàn)功能相關(guān)的命令（包括自身發(fā)出的和來自其他設(shè)備的），ZCL回調(diào)函數(shù)集用以接收并處理這些來自其他設(shè)備發(fā)出的命令。

HA規(guī)范中每個功能域都有不同的回調(diào)函數(shù)集，用以接收不同種類的命令。以HA規(guī)范中的General功能域?yàn)槔?，其?包含的回調(diào)函數(shù)類型如下：

typedef struct

{

zclGCB_BasicReset_t pfnBasicReset; // Basic Reset zclGCB_Identify _t pfnIdentify; // Identify Response zclGCB_IdentifyQueryRsp_t pfnIdentifyQueryRsp; // Identify Query Rsp

zclGCB_OnOff_t pfnOnOff; // On/Off cluster zclGCB_LevelControlMoveToLevel_t pfnLevelControlMoveTbLevel; // MoveToLevel

zclGCB_LevelControlMove_t pfnLevelControlMove; // Move

zclGCB_LevelControlStep_t pfnLevelControlStep; // Step zclGCB_LevelControlStop_t pfnLevelControlStop; // Stop zclGCB_GroupRsp_t pfnGroupRsp; // Group Response zclGCB_SceneStoreReq_t pfnSceneStoreReq; // Scene Store Request

zclGCB_SceneRecallReq_t pfnSceneRecallReq; // Scene Recall Request

zclGCB_SceneRsp_t pfnSceneRsp; // Scene Response zclGCB_Alarm_t pfnAlarm; // Alarm Req & Rsp zclGCB_Location_t pfnLocation; // RSSI Location zclGCB_LocationRsp_t pfnLocationRsp; // RSSI Location Rsp

} zclGeneral_AppCallbacks_t;

每個節(jié)點(diǎn)根據(jù)功能域的劃分來選擇對應(yīng)的回調(diào)函數(shù)集的類型（例如節(jié)點(diǎn)用到的是General功能域下的某些功能簇，則使用zclGeneral_AppCallbacks_t類型來構(gòu)建回調(diào)函數(shù)集），并根據(jù)實(shí)際功能的需要來裁剪和自定義自己的回調(diào)函數(shù)集。

在完成回調(diào)函數(shù)集的構(gòu)建之后，通過調(diào)用相應(yīng)功能域的注冊函數(shù)來注冊該功能域的回調(diào)函數(shù)集（如要注冊 zclGeneral_AppCallbacks_t類型的回調(diào)函數(shù)集，則需要使用相應(yīng)的 zclGeneral_RegisterCmdCallbacks 函數(shù)）。

3.2.3 ZCL屬性的注冊

每個簇都有相應(yīng)的一個或者多個屬性，在Z-stack中, 簇屬性由zclAttribute_t類型來表征。具體結(jié)構(gòu)如下所示：

typedef struct

{

uintl6 attrId; // Attribute ID

uint8 dataType; // Data Type - defined in AF.h

uint8 accessControl; // Read/write - bit field

void *dataPtr; // Pointer to data field

} zclAttribute_t;

由于每個簇可能有多個屬性，并且每個節(jié)點(diǎn)可以有多個功能簇，因此，通過屬性列表zclAttrRec_t類型來表征一個節(jié) 點(diǎn)所具有的屬性集合。

typedef struct

{

uint16 clusterID; // Cluster ID

zclAttribute_t attr; // Attribute record

} zclAttrRec_t;

開發(fā)人員在構(gòu)建了該應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的屬性列表之后，通過zcl_ registerAttrList函數(shù)完成這些屬性的注冊。

3.2.4 ZCL層消息的注冊

由于ZCL是一個中間層，其負(fù)責(zé)接收并初步處理的一些消息需要上傳至應(yīng)用層來處理。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，需要調(diào)用 zcl_registerForMsg函數(shù)來在應(yīng)用層進(jìn)行注冊，確保經(jīng)ZCL層預(yù)加工的消息能夠傳達(dá)到應(yīng)用層。

3.2.5其他注冊

其他注冊包括一般應(yīng)用都需要的按鍵事件的注冊、ZDO 層消息的注冊［5］以及一些非HA規(guī)范節(jié)點(diǎn)的注冊等。

3.3應(yīng)用層邏輯的實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用層邏輯的開發(fā)與一般應(yīng)用開發(fā)的區(qū)別，主要就是使用ZCL層API來進(jìn)行命令的發(fā)送，比如當(dāng)觸發(fā)開關(guān)按鍵時，使用ZCL庫的API來發(fā)送相應(yīng)的命令zclGeneral_ SendOnOff_CmdOn,可以看到，在應(yīng)用層只需寫入這種標(biāo)準(zhǔn) 命令函數(shù)，協(xié)議棧會自動調(diào)用下層的函數(shù)庫來進(jìn)行相應(yīng)的操作并實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送。

另外還需要注意的一點(diǎn)是，在應(yīng)用層的節(jié)點(diǎn)行為以及網(wǎng) 絡(luò)層的參數(shù)設(shè)置上，也必須符合HA規(guī)范給出的限定，例如 PAN ID的設(shè)置、安全相關(guān)的一些秘鑰的初始值設(shè)置以及終端設(shè)備向父節(jié)點(diǎn)輪詢的時間間隔等參數(shù)和行為的設(shè)定。

4結(jié)語

可以看到，通過在協(xié)議棧中引入ZCL層，可以大大簡化符合HA標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee應(yīng)用的開發(fā):來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通過 ZCL層的封裝處理后，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和命令格式的標(biāo)準(zhǔn)化;同樣, 來自其他設(shè)備或節(jié)點(diǎn)的消息通過ZCL層的分析和提取，能夠將應(yīng)用層敏感的命令和相關(guān)數(shù)據(jù)直接呈現(xiàn)給應(yīng)用層，從而保證應(yīng)用層只需關(guān)注于其節(jié)點(diǎn)自身功能的實(shí)現(xiàn)，而將繁瑣的標(biāo)準(zhǔn) 化通信任務(wù)交給下層來處理。

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