ZigBee通信协议栈中的内存和时间管理技术研究

    1、前言

    ZigBee（IEEE802.15.4）是一种低速率（2~200kbps）WPAN IEEE标准，传输速率只有100kbps；同时，它又具有功耗低、架构简单、成本低的特点，满足多种无线要求，尤其在工控（监视器、传感器和自动控制设备）等领域更是显示出其独有的优势。
随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快。本文在分析了ZigBee网络特点的基础上，对ZigBee通信协议栈实现中的内存，时钟管理等关键技术进行了研究，并提出了相应的实现方案。

    2、ZigBee技术及其优势

    ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。

    2.1 ZigBee协议栈结构

图1 ZigBee的体系结构

    ZigBee Protocol Stack体系结构如图1所示，它主要有5层体系组成。由ZigBee联盟与IEEE 802. 15.4的任务小组来共同担任标准的制定。其中物理层、MAC层标准主要由IEEE802. 15. 4的任务小组完成.而数据链路接层，以及传输过程中的网络层、还有与用户的接口是由ZigBee联盟主导。

    在这个通信协议层次中，IEEE802.15.4/ZigBee各层协议的功能如下：

    ◆ 物理层。IEEE802.15.4运行在2.4 GHz ISM频段。采用直接序列扩频DSSS(Direct Sequence SpreadSpectrum)调制方式，以降低数字集成电路的成本，并且都使用相同的包结构，以便低作业周期、低功耗地运作。

    ◆ MAC层。负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号和同步信号，支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路等。

    ◆ 网络接口层。负责处理ZigBee网络路由，实现网络地址和MAC地址的相互转换。

    ◆ 应用层。为用户应用进程间数据通信提供的接口。

    发送时，ZIGBEE应用进程在调用应用层服务时，应该提供所有服务所需的参数;然后由应用层服务将数据经过编码后，传给网络接口层对象，调用网络层数据传输服务把数据发送出去。

    接收时，应用层收到来自通信端口的数据后，上传给应用层服务;由应用层服务根据服务报文中的目的应用进程标识ID，将接收到的数据传送到应用层中相应的用户应用进程，由用户应用进程对相应的参量进行更新和进一步的处理。

    2.2 Zigbee技术的主要优点
 
    1) 省电。由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式， Zigbee技术可以确保2节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间，当然不同的应用功耗是不同的。

    2) 可靠。采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突.MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

    3) 成本低。模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1. 5美元到2. 5美元之间，且Zigbee协议是免专利费的。

    4) 时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。

    5) 网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

    6) 安全。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。

    3、ZIGBEE协议中的内存管理

    嵌入式系统软件设计中采取的内存管理方案有两种――静态分配和动态分配。一般来说，嵌入式系统总是两种方案的组合，纯粹的静态分配一般只使用在不计成本来保证严格实时性的场合，而且静态分配容易使系统失去灵活性。考虑到ZigBee协议栈主要应用于低速率低传输量的网络设备中，所以我们在ZigBee协议栈设计中主要采用动态内存管理方式。动态内存管理机制在嵌入式软件设计是难点，也是直接关系到整个系统性能的关键，它必须满足以下几个特性：

• 快速性：为保证实时性，要求简单，快速地分配内存，有时候不需要过于复杂和完善。
• 可靠性：内存分配地请求必须得到满足，内存分配失败可能带来灾难性的的后果。
• 高效性：在嵌入式系统中，内存资源有限，所以必须高效的利用系统中有限的内存资源。

    在ZigBee协议栈设计中，针对网络部分和非网络部分的内存需求，我们把整个系统内存分成报文缓冲区和通用缓冲区两个不同的区域。先从系统申请固定大小的静态内存做为报文缓冲区和通用缓冲区，在每块内存区上定义自身的内存分配和回收算法，通过这种设计，能够确保网络系统不使用系统全部可用内存，应用程序也不会使用网络已用内存，从而实现了内存区域隔离，也防止了协议栈耗尽所有系统内存，提高了系统的稳定性和可靠性。

    3.1 报文缓冲区
 
    ZigBee协议中用户数据从本地嵌入式设备传输到远程设备的过程中，要经过各层协议，对消息的封装，去封装和拷贝操作几乎是不可避免的。而通常所采用的用一段连续的内存区来存储，传递数据的做法会有一下的缺陷：

    （1）当从上层向下层传递数据时，下层协议需要对数据进行封装，而上层在申请内存时不会考虑到下层的需要。这样就会导致下层协议处理时需要重新申请内存并进行内存拷贝，从而影响程序的效率。

    （2）当从下层向上层传递数据时，下层协议专有的数据结构赢得对上层协议不可见。因此也需要重新申请内存进行拷贝。

    （3）随着数据的逐层处理，其内容可能有所增删，而连续内存很难处理这样动态的数据增删。
  
    因此，必须要有一种能适应数据动态增删，而在逻辑上又呈现连续性的数据结构，以满足各层之间的数据传递，而不是进行内存拷贝。因此在ZigBee协议栈设计中采取的报文内存管理方案必须满足以下要求：
    
    （1）适合存放不同长度的数据。
    （2）方便地操作变长缓存。
    （3）尽量减少为完成这些操作所做的数据拷贝。