zigbee技術(shù)與應(yīng)用

1、ZigBee技術(shù)與應(yīng)用 演講人：演講人： 黎青黎青 2015年年10月月16日日目錄1 ZigBee簡介2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)概念3 Z_stack協(xié)議棧介紹4 CC2530及IAR軟件介紹5 溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)1.1 ZigBee vZigBee名稱這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò) ZigBee來源 為解決已有無線通信技術(shù)中功耗大、組網(wǎng)規(guī)模小、通信協(xié)議過于復(fù)雜等問題，IEEE成立802.15.4工作小組，在Home RF Lite無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上開發(fā)802

2、.15.4協(xié)議。2001年，ZigBee聯(lián)盟成立，隨后Invensys（英國），Mitsubishi(日本），Matoraola(美國)和Philips(荷蘭)宣布加入ZigBee聯(lián)盟，此后ZigBee迅速發(fā)展狀大，于2004年發(fā)布ZigBee 1.0（ZigBee2004）vZigBee的發(fā)展2004年，ZigBee聯(lián)盟發(fā)布了ZigBee 1.0，但這個時候的ZigBee只能組成星狀網(wǎng)和樹狀網(wǎng)，不能組成網(wǎng)狀網(wǎng)，而且穩(wěn)定性極差，只能用于學(xué)習(xí)和研究。到了2006年，ZigBee聯(lián)盟了發(fā)布ZigBee 2006（ ZigBee 1.1 ），同年，TI完成對chipcon的收購，進入ZigBee開發(fā)

3、的陣營。2007年年底，ZigBee聯(lián)盟發(fā)布ZigBee 2007/PRO（ZigBee Pro Feature）。2008年，802.15.4c標準通過1.2 ZigBee芯片v目前全球有多家公司供應(yīng)ZigBee芯片，附表說明：公司代表芯片TICC2420/CC2430/CC2431/CC2520/CC2480/CC2530Radio PulseMANGO-MG2400/MG2450 JennicJN5152MicrochipMRF24J40MAFreescaleMc13191/192AtmelAT86RF212(900Mhz)1.3 ZigBee的特點v低功耗 ，兩支干電池可支持節(jié)點工作半

4、年以上。 這是Zigbee的突出優(yōu)勢（在傳感控制領(lǐng)域）。相比較,藍牙能工作數(shù)周、WiFi可工作數(shù)小時。v低速度，最高帶寬250kbps2.4G, 40kbps915M,20kbps868M. 2Mbps的規(guī)范目前也正在研究當中。v近距離，一般通信距離在100m，目前增加RF發(fā)射功率后可以擴展到1km。 這指的是相鄰節(jié)點間的距離。如果通過路由和節(jié)點間通信的接力,傳輸距離將可以更遠（理論上無限）v高容量，理論上限65535個，實際上用51核的soc能做到200個，在推出ARM+ZigBee的芯片后應(yīng)該有較大的提高。v低延時，醒喚時間小于15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms ,進一步節(jié)省了電能，

5、相比較,藍牙需要310 s、WiFi 需要3 s。v短時延，一般的通信延遲在ms級v低成本，ZigBee芯片已經(jīng)大幅降價 通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10) ,降低了對通信控制器的要求,按預(yù)測分析,以8051的8位微控制器測算,全功能的主節(jié)點需要32KB代碼,子功能節(jié)點少至4KB代碼,而且Zigbee免協(xié)議專利費。每塊芯片的價格大約為8美元。v高安全，AES-128加密v免執(zhí)照，2.4G全球ISM波段，915M（美國），868（歐洲）。1.4 Zigbee基礎(chǔ)vZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是基于標準的七層開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但僅對那些涉及ZigBee的層予以定義。vIEEE802.1

6、5.4標準定義了最下面的兩層：物理層(PHY physical layer)和介質(zhì)接入控制子層(MAC medium access control)。vZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對象1.4.2 Zigbee節(jié)點類型vZigBee 協(xié)調(diào)器(ZC coordinator) （1）上電啟動和配置網(wǎng)絡(luò)（例如設(shè)定網(wǎng)絡(luò)標示符 ，選擇信道），一旦完成后相當于路由器功能。（2）每各ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須有一個.vZigBee 路由器(ZR router) (1)允許其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入 (

7、2)多跳路由 (3)協(xié)助電池供電的子節(jié)點通信 (4)自己作為終端節(jié)點應(yīng)用vZigBee 終端節(jié)點 (ZED end device)（1）向路由節(jié)點傳遞數(shù)據(jù)（2）沒有路由功能（3）低功耗（Zigbee的低功耗主要體現(xiàn)在這里） （4）可選擇睡眠與喚醒。（路由因不斷轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)需電源供電，終端節(jié)點電池供電）補充：設(shè)備類型FFD(full-function device)全功能設(shè)RFD（reduced-function device）精簡功能設(shè)備 vFFDFFD：可以擔任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其他的可以擔任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡(luò)，讓其他的FFDFFD或是精簡功能裝置（或是精簡功能裝置（RFDRFD）連結(jié)，

8、）連結(jié)，F(xiàn)FDFFD具備控制具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。器的功能，可提供信息雙向傳輸。 附帶由標準指定的全部附帶由標準指定的全部802.15.4802.15.4功能和所有特征功能和所有特征 更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡(luò)更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡(luò)路由器作用路由器作用 也能用作終端設(shè)備也能用作終端設(shè)備vRFDRFD：RFDRFD只能傳送信息給只能傳送信息給FFDFFD或從或從FFDFFD接收信息。接收信息。 附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性附帶有限的功能來控制成本和復(fù)雜性 在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。在網(wǎng)絡(luò)中通常用作終端設(shè)備。 ZigBee ZigBee相對簡

9、單的實現(xiàn)自然節(jié)省了費用。相對簡單的實現(xiàn)自然節(jié)省了費用。RFDRFD由于由于省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了省掉了內(nèi)存和其他電路，降低了ZigBeeZigBee部件的成本，部件的成本，而簡單的而簡單的8 8位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。位處理器和小協(xié)議棧也有助于降低成本。1.4.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ZigBee CoordinatorZigBee RouterZigBee End DeviceCluster Tree串Mesh網(wǎng)Star星1.4.4 Zigbee的應(yīng)用v辦公環(huán)境v數(shù)字家庭v無線抄表v手持終端v動物監(jiān)控v工業(yè)控制v節(jié)能應(yīng)用ServiceCenterNETWORKOPERATO

10、RINFRASTRUCTURE Confirmationfor buying “Il fuggiasco”.Push Ok.ZigBee Network這個手機操作可以傳輸相關(guān)數(shù)據(jù): 信任中心信任中心: 授權(quán) 加值服務(wù)加值服務(wù) 服務(wù)管理服務(wù)管理 1.4.5 2.4G無線技術(shù)的發(fā)展趨勢目前主流的和極具潛力的無線電技術(shù)有藍牙、Wi-Fi、Zigbee、UWB、FM、GSM，RDID等，讓這些的標準互連、互通、互相彌補，進而在技術(shù)上和芯片都達到統(tǒng)一，做出單芯片解決方案是當前的發(fā)展主流。而同在2.4G頻段的Zigbee、藍牙和Wi-Fi可能會最先完成整合，目前正在制定當中的藍牙3.1（低功耗版本）已經(jīng)

11、將前述事宜納入計劃。1.4.6 ZigBee和簡單無線通訊之間 最大區(qū)別v簡單的點到點，點到多點通訊（目前很多這樣的數(shù)傳模塊），包裝結(jié)構(gòu)比較簡單，主要為同步序言，數(shù)據(jù)，校驗幾部分組成。而ZigBee是采用數(shù)據(jù)幀的概念，每個無線幀包括了大量無線包 裝，包含了大量時間，地址，命令，同步等信息，真正的數(shù)據(jù)信息只占很少部分，而這正是ZigBee可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組織管理，實現(xiàn)高可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵。 1.4.7 行業(yè)熱點v物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of things）是指通過各種信息傳感設(shè)備，如傳感器、射頻識別（RFID）技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等各種裝置與技術(shù)，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程，采

12、集其聲、光、熱、電等各種需要的信息，與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合形成的一個巨大網(wǎng)絡(luò)。其目的是實現(xiàn)物與物、物與人，所有的物品與網(wǎng)絡(luò)的連接，方便識別、管理和控制。2 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相關(guān)概念 2.1 ISO（國際標準化組織）制定的（國際標準化組織）制定的OSI網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議七層模型絡(luò)協(xié)議七層模型 物理層物理連接，電纜，網(wǎng)卡，串口并口數(shù)據(jù)鏈路層以幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，主要任務(wù)是建立數(shù)據(jù)封裝及鏈接網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)之間的通信問題，提供路由，即最佳路徑傳輸層解決傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，提供可靠的端到端的數(shù)據(jù)傳輸會話層會話連接到傳輸連接的映射，數(shù)據(jù)傳送，會畫連接的恢復(fù)和釋放，會畫管理，令牌管理和活動管理表示層數(shù)據(jù)語法轉(zhuǎn)換，語法表示，數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)

13、據(jù)加密應(yīng)用層直接面對用戶的具體應(yīng)用，包含用戶應(yīng)用程序執(zhí)行通信任務(wù)所需要的協(xié)議和功能2.2 TCP/IP協(xié)議的四層模型協(xié)議的四層模型TCP/IPOSI應(yīng)用層應(yīng)用層 表示層 會話層主機到主機層（TCP）傳輸層網(wǎng)絡(luò)層（IP）網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)接口層數(shù)據(jù)鏈路層物理層TCP/IP結(jié)構(gòu)對應(yīng)OSI結(jié)構(gòu)2.3 IEEE802.15.4兩個名詞：兩個名詞：個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（personal area network, PAN）無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（wireless personal area network, WPAN）IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)具有如下特點： （1）不同的載波頻率下實現(xiàn)了20、40

14、、250kbps三種不同的傳輸速率 （2）支持星型和點對點兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu) （3）有16位和64位兩種地址格式（4）支持沖突避免的載波多路偵聽技術(shù)（ CSMA-CA）（5）支持確認（ACK）機制，保證傳輸可靠性IEEE 802.15.4標準只定義了標準只定義了PHY層和數(shù)據(jù)鏈路層層和數(shù)據(jù)鏈路層的的MAC子層子層PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務(wù)接口務(wù)接口轉(zhuǎn)到轉(zhuǎn)到pdf講解各層講解各層IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的建立過程網(wǎng)絡(luò)的建立過程首先，每個設(shè)備的協(xié)議棧必須要對

15、其首先，每個設(shè)備的協(xié)議棧必須要對其PHY和和MAC層初始化層初始化每個網(wǎng)絡(luò)必須有一個也只能有一個每個網(wǎng)絡(luò)必須有一個也只能有一個PAN Co-ordinatorPAN ID作為網(wǎng)絡(luò)標識，可以被人為的預(yù)定義作為網(wǎng)絡(luò)標識，可以被人為的預(yù)定義除除64位位IEEE MAC 地址外，還須分配一個地址外，還須分配一個16位的短地址位的短地址例如例如Zigbee技術(shù)選擇技術(shù)選擇2.4GHz設(shè)備以設(shè)備以Co-ordinator的模式啟動，然后就開放請求應(yīng)答的模式啟動，然后就開放請求應(yīng)答有可以利用的有可以利用的Co-ordinator，設(shè)備就可以申請加入網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備就可以申請加入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備被設(shè)備被Co-ordinat

16、or接受，將獲得短地址作為標識，便可接受，將獲得短地址作為標識，便可傳輸數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)2.4 zigbee網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址1個是64位的IEEE地址，通常也叫作MAC地址或者擴展地址（Extended address），另一個是16位的網(wǎng)絡(luò)地址，也叫做邏輯地址（Logical address）或者短地址64位長地址是全球唯一的地址，并且終身分配給設(shè)備。這個地址可由制造商設(shè)定或者在安裝的時候設(shè)置，是由IEEE來提供當設(shè)備加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)被分配一個短地址，在其所在的網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。這個地址主要用來在網(wǎng)絡(luò)中辨識設(shè)備，數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)包路由等一個節(jié)點是一個設(shè)備，有一個射頻端，一個64位IEEE地址，一

17、個16位網(wǎng)絡(luò)地址3. 1 Z_stack協(xié)議棧相關(guān)概念（1）TI公司開發(fā)的Z-Stack是ZigBee協(xié)議棧，并且經(jīng)過了ZigBee聯(lián)盟的認可而為全球眾多開發(fā)商所廣泛采用（2）我們沒必要弄懂zigbee協(xié)議棧所有源代碼，所謂開發(fā)或應(yīng)用主要是對主函數(shù)及操作系統(tǒng)的修改應(yīng)用，許多庫函數(shù)據(jù)項目要求而做修改即可）（3）TI公司的Z-Stack協(xié)議棧裝載在一個基于IAR開發(fā)環(huán)境的工程里（4）Z-Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用事件輪循機制，當各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進入低功耗模式如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件這種

18、軟件構(gòu)架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗這種軟件構(gòu)架可以極大地降級系統(tǒng)的功耗（7）整個Z-stack的主要工作流程，大致分為系統(tǒng)啟動，系統(tǒng)啟動，驅(qū)動初始化，驅(qū)動初始化，OSAL初始化和啟動，進入任務(wù)輪循初始化和啟動，進入任務(wù)輪循幾個階段（5）Z-Stack實際上是幫助程序員方便開發(fā)ZigBee的一套系 （6）整個Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)硬件抽象層（HAL）提供各種硬件模塊的驅(qū)動，包括定時器Timer，通用I/O口GPIO，通用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口API，提供各種服務(wù)的擴展集操作系統(tǒng)抽象層OSAL實現(xiàn)了一個易用的操作系統(tǒng)平臺，通過時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多

19、任務(wù)處理機制。用戶可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個獨立的任務(wù)來實現(xiàn)zigbeeZ-stack流程圖流程圖3.1 主函數(shù)主函數(shù)協(xié)議棧已經(jīng)將主函數(shù)放在了庫文件當中，是通用文件main函數(shù)-存在于Zmain函數(shù)當中，程序先是從main函數(shù)開始運行的，main函數(shù)實現(xiàn)的功能是，初始化硬件、初始化網(wǎng)絡(luò)（加入/創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)）、初始化任務(wù)列表、進入任務(wù)處理循環(huán)詳細說明如下：int main( )主函數(shù)實現(xiàn)硬件的初始化其中包括主函數(shù)實現(xiàn)硬件的初始化其中包括關(guān)總中斷osal_int_disable( INTS_ALL )初始化板上硬件設(shè)置HAL_BOARD_INIT( )初始

20、化I/O口InitBoard( OB_COLD )初始化HAL層驅(qū)動HalDriverInit( )初始化非易失性存儲器sal_nv_init( NULL )初始化MAC層ZMacInit( )分配64位地址zmain_ext_addr( )初始化操作系統(tǒng)osal_init_system( )等3.2 OSAL操作系統(tǒng)函數(shù)操作系統(tǒng)函數(shù)順利完成上述初始化后，開中斷執(zhí)行順利完成上述初始化后，開中斷執(zhí)行osal_start_system( )函數(shù)開始運行函數(shù)開始運行OSAL系統(tǒng)系統(tǒng)該任務(wù)調(diào)度函數(shù)按照優(yōu)先級檢測各個任務(wù)是否就緒，如果存在就緒的任務(wù)則調(diào)用tasksArr 中相對應(yīng)的任務(wù)處理函數(shù)去處理該事

21、件，直到執(zhí)行完所有就緒的任務(wù)如果任務(wù)列表中沒有就緒的任務(wù)，則可以使處理器進入睡眠狀態(tài)實現(xiàn)低功耗osal_start_system( )一旦執(zhí)行，則不再返Main( )函數(shù)3.3 OSAL程序流程圖程序流程圖OSAL是協(xié)議棧的核心是協(xié)議棧的核心Z-stack的任何一個子系統(tǒng)都作為的任何一個子系統(tǒng)都作為OSAL的一個任務(wù)，因此在開發(fā)應(yīng)用層的一個任務(wù)，因此在開發(fā)應(yīng)用層的時候，必須通過創(chuàng)建的時候，必須通過創(chuàng)建OSAL任務(wù)來運任務(wù)來運行應(yīng)用程序行應(yīng)用程序通過通過osalInitTasks( )函數(shù)創(chuàng)建函數(shù)創(chuàng)建OSAL任任務(wù)，其中務(wù)，其中TaskID為每個任務(wù)的唯一標識為每個任務(wù)的唯一標識號號任何任何OS

22、AL任務(wù)必須分為兩步：任務(wù)必須分為兩步：一是進行任務(wù)初始化一是進行任務(wù)初始化二是處理任務(wù)事件二是處理任務(wù)事件4.1 CC2530芯片介紹4.1.1 CC2430與CC2530 的比較項目項目cc2430cc2530引腳引腳4840大小7*7mm6*6mmFlash32/64/128KB32/64/128/256KB軟件平臺IARIAR定時/計數(shù)器4個4個中斷源18個18個I/O21個21個微控制器增強型c8051增強型c8051抗干擾CSMA/CACSMA/CA功耗RX 27mATX 25mARX 24mATX 29mACC2530是TI 09年推出的，在CC2430的基礎(chǔ)上根據(jù)CC2430實

23、際應(yīng)用的一些問題做了一些改進，緩存加大了，存儲容量最大支持到256K，CC2530的通信距離可以達到400m，不用在用CC2430外加功放來擴展距離CC2530的主要特點：的主要特點：高性能和低功耗的8051微控制器核。集成符合IEEE802154標準的24 GHz的RF無線電收發(fā)機。優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性。在休眠模式時僅1A的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)在待機模式時少于0.4A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)硬件支持CSMACA功能。較寬的電壓范圍(2036 V)。數(shù)字化的RSSILQI支持和強大的DMA功能。具有電池監(jiān)測和溫度感測功能。集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC。集成AE

24、S安全協(xié)處理器。帶有2個強大的支持幾組協(xié)議的USART，以及2個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器。強大和靈活的開發(fā)工具Zigbee芯片芯片CC2530上圖用1個32 MHz的石英諧振器(XTAL1)和2個電容(C231和C211)構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路。用1個32768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個電容(C321和C331)構(gòu)成一個32768 kHz的晶振電路。4.2 IAR快速入門 CC2530可以使用KEIL/IAR開進行開發(fā).同時支持C,匯編等語言.但是建議使用IAR軟件. 原因有兩點:vTI Z-Stack協(xié)議棧使用IAR開發(fā)完成,要使用免費的ZigBee協(xié)議,就要

25、使用IAR.v使用IAR才能獲得其他技術(shù)支持4.2.1 IAR版本與ZigBee的關(guān)系vIAR 7.20H 支持 Z-Stack 1.4.2及以前版本vIAR 7.30B 支持 Z-Stack 1.4.3vIAR高版本兼容低版本,但這不適用于Z-Stack的開發(fā)4.2.2 IAR軟件演示打開存在的項目創(chuàng)建一個新項目選擇空項目保存項目添加源文件添加一個存在的源文件新建源文件編寫代碼保存源文件保存工作窗口添加源文件添加一個新編寫的源文件項目設(shè)置選擇芯片型號選擇防真方式選擇防真器的接口方式編譯連接查看信息窗口調(diào)試反匯編窗口觀察寄存器窗口查看變量窗口斷點設(shè)置5.1 系統(tǒng)方案選則5.1.1 可行方案可行方案(1) ZigBee RF+MCU TI CC2420（CC2520）