基于Z-stack协议栈ZCL库且符合HA规范的ZigBee应用开发

引言

目前，国内市场上ZigBee产品虽然很多，但大多采用 的都是私有协议栈，阻碍了不同厂家产品之间的互用和替代， 这也是ZigBee市场规模无法迅速扩大的一个重要原因，因 此，开发具有符合标准规范的ZigBee产品成为当务之急。目 前国内的ZigBee行业规范还正在处于形成阶段，但国际上的 ZigBee规范已经建立并受到国际上众多厂商的追随，因此， 本文就如何开发符合ZigBee联盟规定的HA规范的ZigBee 应用进行了探讨。

Z-stack是TI公司推出的ZigBee协议栈系统，这是一个 通过ZigBee联盟认证的符合ZigBee2007规范的平台。借由 TI公司ZigBee芯片及SOC产品在国内的广泛接受，Z-stack 也称为众多芯片厂商提供的协议栈中开发者接受度比较广的一 款ZigBee协议栈。本文探讨的ZigBee产品应用开发是基于 Z-stack协议栈的。

收稿日期:2013-01-30

ZCL 库(ZigBee cluster library)111

在ZigBee协议栈中，簇是一组命令和属性的集合，这些 命令和属性组合起来，构成了实现某一功能的实体。

ZCL是由ZigBee联盟制定的包含了大量功能簇(cluster) 的大集合。在应用开发中，以ZCL中已有的簇作为功能单元 来使用，可以增强通用性，避免重复开发。

ZCL对功能簇进行了分类和描述。每个功能簇都包含有 一个或多个属性及命令，ZCL对每个属性都进行了定义和描 述，包括属性ID、名称、数据类型、数值范围、初始值、可 读写性以及强制性;同时，也对此簇所包含的命令进行了定义， 包括命令ID、命令名称、命令数据帧内容和触发效果等。

ZCL中的通信是基于Client/Server模型的以簇为单位进 行的。两个不同功能设备之间的相互通信，是基于某一个或多 个功能簇的。用来储存这些簇属性的设备，称为Server端； 而用来操作这些簇属性的设备，称为Client端。针对Client/ Server端口类型的不同，同一个簇也具有不同的属性和命令。例如，操作属性的命令，通常由Client端发送给Server 端；而用针对这些操作命令的回复，通常由Server端发送给 Client 端。另外，报告类型的命令(report attribute command) 通常由Server端发送给Client端。以On/Off簇为例，该簇的 作用是实现开关设备的开/关状态的控制，体现在设备上，分 为Client端和Server端两种角色的设备，比如开关是Client端, 而某个具有ZigBee模块的灯节点则代表了相应的Server端。 Server端作为命令的接收者，必须能够识别开/关/切换这几 个来自Client端的命令(在ZCL中，已经规定好这些命令对 应的ID,如0x00代表关,0x01代表开,0x02代表切换)，同时, 由于命令操作的是属性，因此，该Server端必须保存有开关 状态这一属性。

另外，ZCL制定了基于cluster的各类命令帧的格式(包 括读、写、报告等)；定义了用于寻址的各指示参数(包括规 范ID、设备ID、簇ID、属性ID和命令ID)；规定了用于各 属性和命令中各类数据的数据类型；还规定了在通信中可能 会出现的所有状态的枚举数组。

HA(home automation)规范[2]

HA规范是由ZigBee联盟(ZigBee alliance)制定的对用 于住宅环境的各类常见应用的设备描述和操作规范。通过这 一规范，为不同厂商的ZigBee HA设备提供了标准的接口和 定义，确保其相互之间能够相互通信并协同工作。

HA规范的范围主要集中在对家用设备进行的实时操 作，该规范可以构筑在ZigBee2007的两个子规范(ZigBee、 ZigBee pro)之上。

HA规范可以简单分成围绕网络特性的参数设置和围绕 功能实现的设备描述分类(包括相应设备的簇以及特性和功 能)这两大部分的内容。

2.1参数设置

HA规范对涉及到协议栈各功能方面的一些参数进行 了明确的规定，例如用于设备启动时的启动参数集(startup attribute sets),要求每个设备都必须内置这些参数，例如将 PAN ID设置成0xffff等。还有比如用于网络重连接的时间间 隔、安全中心连接秘钥等等参数。

在安全参数的设置方面，HA规范中规定，设备的初始 网络安全秘钥(network key)是空的，即每个设备的网络安全 秘钥必须由安全中心来统一分配；而安全中心连接秘钥(trust center link key)是每个设备都预置好的。

2.2设备描述

HA规范对可能会用到的设备进行了划分并设置了相应的 ID,在HA网络中的每个终端都必须符合至少一项该分类图 中给出的设备描述分类(如果同时符合多个设备描述的话，需 要在自己的设备描述中枚举这些设备类型)。

在HA规范中，每个设备描述都详细规定了其所支持的 簇，以及所支持的特性和功能。以通用设备中的开关(On/Off Switch)设备为例。其所支持的簇如表1所列。

也就是说，如果某个设备是开关的Client端节点，则必 须具有On/Off簇，用以发出控制On/Off属性的命令。

针对每一类设备，HA规范都通过特性和功能描述对其 进行行为上的描述，而通过其所包含的cluster来对其进行程 序层面上功能域与接口的界定。从整体上来讲，HA规范中为 一个设备应该实现什么以及如何实现进行了明确的说明。

Z-stack中的ZCL库及使用

Z-stack协议栈中包含有针对ZigBee联盟的ZCL规范进 行编写的ZCL库，用以在自己的协议栈中支持ZCL的实现叫 ZCL层API封装了大量针对ZCL的包括帧格式、命令ID等 细节，而只是向开发者提供了简单明了的命令函数，通过引入 ZCL层API,可以大大简化标准化应用的开发。在Z-stack中， 利用ZCL层API开发符合HA规范的应用的步骤如下叫 3.1 ZCL层的注册及初始化

首先，必须将ZCL层初始化并注册到任务列表中 去。ZCL的初始化是在osalInitTasks函数中添加zcl_Init( taskID++ )语句，用来给ZCL层的事件分配一个任务ID ；注 册即是在OSAL的任务列表tasksArr[]中，添加zcl_event_ loop, zcl_event_loop是在zcl.c里定义的用来处理ZCL层事 件的一个任务循环函数。

ZCL层的注册和初始化必须放在应用层之前。

3.2应用层的注册和初始化

用ZCL来构建基于HA规范的应用层，与ZCL层的注 册和初始化相类似，也必须在任务列表里添加应用层的任务 循环，并在初始化函数中进行初始化。

应用层的初始化主要包括以下几个方面。

3.2.1终端节点的注册

通过zclHA_Init函数对终端节点进行注册，表明该节点 是HA规范中的一个节点，该注册过程同时也包括了该节点相 应功能簇的注册。

3.2.2 ZCL回调函数集的注册

ZCL中每一类设备都会包含一系列与其实现功能相关的命令（包括自身发出的和来自其他设备的），ZCL回调函数集 用以接收并处理这些来自其他设备发出的命令。

HA规范中每个功能域都有不同的回调函数集，用以接收 不同种类的命令。以HA规范中的General功能域为例，其所 包含的回调函数类型如下：

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;

每个节点根据功能域的划分来选择对应的回调函数集的 类型（例如节点用到的是General功能域下的某些功能簇，则 使用zclGeneral_AppCallbacks_t类型来构建回调函数集），并 根据实际功能的需要来裁剪和自定义自己的回调函数集。

在完成回调函数集的构建之后，通过调用相应功能 域的注册函数来注册该功能域的回调函数集（如要注册 zclGeneral_AppCallbacks_t类型的回调函数集，则需要使用 相应的 zclGeneral_RegisterCmdCallbacks 函数）。

3.2.3 ZCL属性的注册

每个簇都有相应的一个或者多个属性，在Z-stack中, 簇属性由zclAttribute_t类型来表征。具体结构如下所示：

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;

由于每个簇可能有多个属性，并且每个节点可以有多个功 能簇，因此，通过属性列表zclAttrRec_t类型来表征一个节 点所具有的属性集合。

typedef struct

{

uint16 clusterID; // Cluster ID

zclAttribute_t attr; // Attribute record

} zclAttrRec_t;

开发人员在构建了该应用节点的属性列表之后，通过zcl_ registerAttrList函数完成这些属性的注册。

3.2.4 ZCL层消息的注册

由于ZCL是一个中间层，其负责接收并初步处理的一些 消息需要上传至应用层来处理。为了实现这一功能，需要调用 zcl_registerForMsg函数来在应用层进行注册，确保经ZCL层 预加工的消息能够传达到应用层。

3.2.5其他注册

其他注册包括一般应用都需要的按键事件的注册、ZDO 层消息的注册［5］以及一些非HA规范节点的注册等。

3.3应用层逻辑的实现

应用层逻辑的开发与一般应用开发的区别，主要就是 使用ZCL层API来进行命令的发送，比如当触发开关按 键时，使用ZCL库的API来发送相应的命令zclGeneral_ SendOnOff_CmdOn,可以看到，在应用层只需写入这种标准 命令函数，协议栈会自动调用下层的函数库来进行相应的操作 并实现命令的发送。

另外还需要注意的一点是，在应用层的节点行为以及网 络层的参数设置上，也必须符合HA规范给出的限定，例如 PAN ID的设置、安全相关的一些秘钥的初始值设置以及终端 设备向父节点轮询的时间间隔等参数和行为的设定。

4结语

可以看到，通过在协议栈中引入ZCL层，可以大大简化 符合HA标准的ZigBee应用的开发:来自应用层的数据通过 ZCL层的封装处理后，实现了数据和命令格式的标准化;同样, 来自其他设备或节点的消息通过ZCL层的分析和提取，能够 将应用层敏感的命令和相关数据直接呈现给应用层，从而保 证应用层只需关注于其节点自身功能的实现，而将繁琐的标准 化通信任务交给下层来处理。

20211020_61702baf2afa0__基于Z