天猫精灵控制Zigbee设备

天猫精灵控制Zigbee设备

1. 介绍

我们在天猫精灵控制ESP32设备的文章中已经知道如何利用阿里巴巴的Link Kit SDK跑在ESP32平台，连接到阿里云的智能生活开放平台，从而使得天猫精灵能够控制WiFi设备的灯的开关。理论上我们可以添加各种协议的方案通过串口和WiFi设备交换信息和命令，从而实现天猫精灵控制终端设备。 例如Zigbee, Bluetooth Mesh, Z-Wave, Proprietary等。天猫精灵本身就支持Bluetooth Mesh设备的直接控制，就没有必要通过这种云对云的方式来控制。那么我们今天要讨论的是如何基于以上技术来实现天猫精灵控制Zigbee的设备。

为了实现控制Zigbee的终端设备，我们需要一个Coordinator来组建Zigbee的Mesh网络，实现终端设备的加网，退网，控制，状态获取等，并通过自定义的协议和WiFi设备通讯，作为一个网络桥接器，和阿里云进行交互，进而实现天猫精灵对Zigbee终端设备的语音控制。

在这个文章中我们选择Silicon Laboratories公司的WSTK板，Radio Board型号是BRD4162A，板上芯片为EFR32MG12来做Zigbee的Coordinator。

2. 生成Zigbee的Coordinator

Zigbee协议中Coordinator作为控制中心可以创建Mesh网络，管理子设备入网，退网，命令和信息传输。
在官网下载并安装好Simplicity Studio (SS)， 然后在SS里面下载好Zigbee SDK.

2.1. 生成一个blank project

A) 在SS里点击"New Project"， 选择"ZCL Application Framework V2"，再选"EmberZNet 6.5.5.0 GA SoC 6.5.5.0"，然后勾选"Start with a blank application"，按Next

项目名起为Coordinator，按Next再Finish就生成了一个空的项目工程。
我们会看到项目里只有一个Coordinator.isc的文件，这个是用来配置Zigbee相关的参数，并根据配置自动生成源代码。

如图可以看到许多Tab用来配置不同的参数。

B) 选ZCL global tab，在Manufacturer code输入Ember [0x1002]

C) 选ZCL Clusters， 选择 ZCL device type为"ZigBee Custom->HA Home Gateway / Energy Management"。

选General->Basic->On/off, 使能Client

D) 选Plugins tab，使能

• Network Creator

• Network Creator Security

• Device Table

• NVM3 Library

• Simulated EEPROM version2 to NVM3 Upgrade Stub

  禁止Simulated EEPROM version 1 Libray, 这个和NVM3功能重叠了

E) 配置串口

在Plugins tab，选择Serial plugin，使能USART3。
选择HAL configuration tab， 点击"Open Hardware Configurator"打开硬件配置，enable"Virtual COM Port". 选择USART3，关掉Flow control mode, 存盘触发自动生成硬件配置文件，退出Hardware Configurator

F) 选Callbacks tab, 使能如下Callback函数

• Non-cluster related

  • Main Init, Main Tick, Hal Button Isr, Message Sent

• Plugins-specific callbacks

  • Device Left, New Device, State Change - Device Table plugin specific
  • Complete - Network Creator plugin specific

  在下面的章节我们会介绍这些callback函数的用法。

G) 选Includes tab，在Custom Event列表中添加commisioning, led, subdevState event controls

H) 打开项目属性， 将C Library中Print float和Scanf float勾选上，这样处理以后的JSON浮点数就没有问题了

I) 在Coordinator.isc右上角点击Generate按钮生成源代码

J) 去除编译错误

由于Device Table是默认在Linux下Gateway工程下工作，有些配置在Soc下编译是不能通过的，需要修改。

• device-table-discovery.c

  添加头文件的包含

#include "app/util/zigbee-framework/zigbee-device-common.h"

去除ezsp的调用，改为ember的调用函数。

static void setCurrentSourceRoute(uint16_t nodeId)
{
  emberAppendSourceRouteHandler(nodeId, EMBER_NULL_MESSAGE_BUFFER);
}

• device-table.c

  添加include的路径， 以及NVM3的头文件和KEY的定义

#include "app/framework/util/af-main.h"
#include "app/framework/util/attribute-storage.h"
#include "app/framework/util/common.h"

#if defined (USE_NVM3)
#include "nvm3.h"
#include "nvm3_hal_flash.h"
// Device table counter key and data key
#define NVM3_DT_CNT_KEY 0x1000
#define NVM3_DT_KEY     0x2000
#endif

Device Table的存取默认是在Linux下用文件形式操作，但是在Soc上我们要把接口替换为NVM3的方式来操作

void emAfDeviceTableSave(void)
{
  EmberAfPluginDeviceTableEntry *deviceTable = emberAfDeviceTablePointer();
  uint8_t i;
  uint32_t counter = 0;

  for (i = 0; i < EMBER_AF_PLUGIN_DEVICE_TABLE_DEVICE_TABLE_SIZE; i++) {
    if (deviceTable[i].nodeId != EMBER_AF_PLUGIN_DEVICE_TABLE_NULL_NODE_ID) {
      nvm3_writeData(nvm3_defaultHandle,NVM3_DT_KEY + counter, &deviceTable[i], sizeof(deviceTable[i]));
      counter++;
    }
  }
  // Write counter
  nvm3_writeCounter(nvm3_defaultHandle, NVM3_DT_CNT_KEY, counter);
}

void emAfDeviceTableLoad(void)
{
  EmberAfPluginDeviceTableEntry *deviceTable = emberAfDeviceTablePointer();
  uint8_t i;
  uint32_t counter = 0;
  // Read number of object of device table
  nvm3_readCounter(nvm3_defaultHandle, NVM3_DT_CNT_KEY, &counter);
  for (i = 0; i < counter; i++) {
    nvm3_readData(nvm3_defaultHandle,NVM3_DT_KEY + i, &deviceTable[i], sizeof(deviceTable[i]));
    deviceTable[i].state = EMBER_AF_PLUGIN_DEVICE_TABLE_STATE_JOINED;
    deviceTable[i].lastMsgTimestamp = halCommonGetInt32uMillisecondTick();
  }
}

处理完毕编译通过。

2.2 增添文件和功能函数

A) device-table-tracking.c

getCurrentState()函数需要被外部调用，去除其static的定义。另外添加一个getLastDeviceId()函数同样为外部调用。

B) cJSON.c, 用来处理JSON格式的信息

将本Repo的network\utility\cjson\下的cJSON.c和cJSON.h拷贝到和Coordinator_callbacks.c的同目录下。
把其中的动态内存分配的宏改为标准函数名字

#define internal_malloc malloc
#define internal_free free
#define internal_realloc realloc      

由于Zigbee的SDK没有考虑动态内存分配的事情，需要我们在Coordinator_callbacks.c定义一个64KB的数组，section为".heap"，这样动态内存分配函数就可以在heap区工作。

C) hal-config\hal-config.h, 将此头文件里的HAL_SERIAL_USART3_ENABLE 设置为1，否则USART3不能工作，每次isc重新生成文件后，此文件都会被覆盖，需要人工把它改过来。

D) Coordinator_callbacks.c

在这个文件里集中了我们生成的所有callback函数，我们把协议处理和WiFi处理器通讯部分都在此函数实现. 详情可以看本Repo的coordinator\coordinator_callbacks.c. 下面我们简要的介绍些流程和功能函数。

• emberAfMainInitCallback()

  此函数初始化时被调用，我们在这里初始化串口，LED，并启动一个延时子设备状态查询的Event，每30秒查询一次。

void emberAfMainInitCallback(void)
{
  halInternalInitLed();
  emberSerialInit(APP_COM, 115200, PARITY_NONE, 1);
  emberEventControlSetDelayMS(subdevStateEventControl, SUBDEV_STATE_PERIOD_MS);
}

• emberAfHalButtonIsrCallback()

  在有按键的情况下激活commissioningEventControl

• commissioningEventHandler()

  建立一个centralized network。 在网络建好后，button0触发开放网络允许子设备加入， button1关闭网络禁止设备加入。

• subdevStateEventHandler()

  从device table里依次找出子设备的device index, 发送Identify命令给子设备。子设备由于断电和加电会使得命令发送失败或者成功，我们就可以知道子设备在线与否。

• emberAfMessageSentCallback()

  每条对子设备发送的命令都会回调此函数，通过判断通讯成功和失败，来改变子设备的登记状态。

• emberAfPluginDeviceTableNewDeviceCallback()

  当有子设备加网成功，此函数会被调用，我们会在这里通知WiFi控制器新设备加入的信息，进而更新阿里云服务器上的设备拓扑关系。

• emberAfPluginDeviceTableDeviceLeftCallback()

  子设备退网触发此函数，同样通知阿里云改变设备拓扑关系。

• emberAfPluginDeviceTableStateChangeCallback()

  当子设备的device table的状态发生变化， 如在线，离线，未知等，发送response packet到WiFi控制器，进而改变设备在阿里云服务器上的在线和离线状态。

• cmdHandler() and sendResponsePacket()

  用来处理和WiFi控制器之间的通讯。

• emberAfMainTickCallback()

  在每个系统tick结尾处调用，用来查看串口是否有命令数据进来。超过4个字节就调用cmdHandler()来处理命令。

3. 生成WiFi的网桥

我们需要在network\app\example\linkkit_gateway\linkkit_example_gateway.c中做适当的修改来适应我们的完整功能需求。另外添加comm.c和comm.h来处理和Coordinator之间的通讯。
阿里巴巴在三月份更新了设备管理的API，原来旧有的接口例程放在了本目录的deprecated子目录下。 新的API接口还有些地方没有完善或者功能欠缺，给后期的开发带来不少麻烦，通过其他方式来做了补充。

下面我们按照执行顺序和功能模块来进行介绍。

3.1. 网桥设备注册登录阿里云

网桥设备是一机一密的方式，没有采用动态登录方式。
创建主设备，选择上海的云服务器，选择非动态登录方式，连接到阿里云

/* Register Callback */
IOT_RegisterCallback(ITE_TOPOLIST_REPLY, user_topolist_reply_event_handler);
IOT_RegisterCallback(ITE_INITIALIZE_COMPLETED, user_initialized);

/* Create Master Device Resources */
user_example_ctx->master_devid = IOT_Linkkit_Open(IOTX_LINKKIT_DEV_TYPE_MASTER, &master_meta_info);

/* Choose Login Server */
int domain_type = IOTX_CLOUD_REGION_SHANGHAI;
IOT_Ioctl(IOTX_IOCTL_SET_DOMAIN, (void *)&domain_type);

/* Choose Login Method */
int dynamic_register = 0;
IOT_Ioctl(IOTX_IOCTL_SET_DYNAMIC_REGISTER, (void *)&dynamic_register);

/* Start Connect Aliyun Server */
res = IOT_Linkkit_Connect(user_example_ctx->master_devid);

3.2. 获取网桥子设备拓扑关系

在网桥设备连云初始化完成后，会调用ITE_INITIALIZE_COMPLETED对应的回调函数user_initialized()。然后可以用ITM_MSG_QUERY_TOPOLIST选项来调用IOT_Linkkit_Query以获取与其存在拓扑关系的所有子设备信息. 列表信息将在ITE_TOPOLIST_REPLY事件回调中返回。

res = IOT_Linkkit_Query(user_example_ctx->master_devid, ITM_MSG_QUERY_TOPOLIST,NULL, 0);

数据为JSON格式,如下两个设备范例

{"id":2,"code":200,"devid":0,
"topo":[{"deviceSecret":"ZI0OtnNGd4fFExOerguZRH0huyiUcDrW","productKey":"a1dOIDDEMGM","deviceName":"000b57fffe648d84"},
{"deviceSecret":"OODoAak2RWyHHxftQWbMhDEuQvtvzdJk","productKey":"a1dOIDDEMGM","deviceName":"000b57fffe648dc2"}]}

将接收到的子设备信息进行解析，调用device_table_add_subdev()添加到本地设备列表方面以后操作管理。

3.3. 子设备的登入和登出

在创建完本地的设备列表后，通过device_get_property()和Zigbee的Coordinator进行通讯查看相应的子设备是否在线。
命令格式 为 packet_len, ~packet_len, {“cmd”:CMD_GET_PROPERTY,“dn”:“000b57fffe648dc2”}

Coordinator收到命令后会汇报子设备的状态。响应包格式，packet_len, ~packet_len, {“dn”:“000b57fffe648dc2”,“cmd”:RSP_DEV_PROPERTY, “online”:online}. 根据返回的online的值来向阿里云汇报子设备的登入和登场状态。

if (online) {
    res = IOT_Linkkit_Report(devid, ITM_MSG_LOGIN, NULL, 0);    
} else {
    res = IOT_Linkkit_Report(devid, ITM_MSG_LOGOUT, NULL, 0);    
}

3.4. 子设备的添加与删除

当有新的子设备加入，Coordinator会向网桥汇报RSP_DEV_ADDED。命令中包含"model",表示是什么设备。 目前我们只支持两种设备， DEVICE_ID_DIMMABLE_LIGHT和DEVICE_ID_COLOR_DIMMABLE_LIGHT。其他的model我们会不处理。
准备好子设备的meta三元组数据，创建子设备，连接阿里云，更新本地设备列表，子设备登入。

devid = IOT_Linkkit_Open(IOTX_LINKKIT_DEV_TYPE_SLAVE, meta_info);
res = IOT_Linkkit_Connect(devid);
device_table_add_subdev(meta_info, devid);
res = IOT_Linkkit_Report(devid, ITM_MSG_LOGIN, NULL, 0);

删除子设备时，Coordinator向网桥汇报RSP_DEV_REMOVED。
登出子设备，汇报阿里云删除拓扑关系，关闭子设备，更新本地设备列表

res = IOT_Linkkit_Report(devid, ITM_MSG_LOGOUT, NULL, 0);   
res = IOT_Linkkit_Report(devid, ITM_MSG_DELETE_TOPO, NULL, 0);
res = IOT_Linkkit_Close(devid);
res = device_table_del_subdev(devid);

3.5. 子设备灯的开关控制

云端发送过来设备控制命令会触发ITE_PROPERTY_SET注册的回调函数。命令以JSON形式，如{“LightSwitch”:1}。 我们对云端发送过来的命令不做任何修改，跟随设备信息直接发送给coordinator。格式如下{“cmd”:67,“dn”:“000b57fffe648dc2”,“pk”:“a1dOIDDEMGM”,“payload”:{“LightSwitch”:1}}。这样做有利于以后支持新设备，不用修改网桥控制部分代码。
然后向阿里云汇报子设备开关状态，这里直接假设控制成功，如果子设备因为离线没能控制，会在RSP_DEV_PROPERTY中处理正确的状态。

res = IOT_Linkkit_Report(devid, ITM_MSG_POST_PROPERTY, (uint8_t *)request, request_len);

4. 天猫精灵控制设备灯的开关

在云智能App选择第三方服务，选中天猫精灵，设置好用户名和密码。在天猫精灵App里发现新添加的设备，起好名字。
对天猫精灵说"打开书房的灯", 灯开; “关闭书房的灯”, 灯灭; “现在灯是开的么?”, 回答"现在灯处于关闭状态"

至此我们实现了天猫精灵以云对云的方式来控制Zigbee设备。