《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)》課件5-1 任務(wù)1 ZigBee協(xié)議棧點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信

Zigbee協(xié)議棧簡(jiǎn)介01目錄任務(wù)：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信-無(wú)線點(diǎn)燈02ZigBee的特點(diǎn)（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10~250kb/s，專注于低傳輸應(yīng)用。（2）功耗低：在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用6個(gè)月到2年的使用時(shí)間。由于不同應(yīng)用具有不同的功耗，因此具體的使用時(shí)間還受具體應(yīng)用場(chǎng)合的影響。（3）成本低：因?yàn)閆igBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)ZigBee設(shè)備可以與254個(gè)設(shè)備相連接，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納65536個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。（5）有效范圍?。河行Ц采w范圍10~200m之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。（6）工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國(guó)），均為免執(zhí)照頻段。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信信道分IEEE802.15.4(ZigBee)工作在ISM頻帶，定義了兩個(gè)頻段，2.4GHz頻段和896/915MHZ頻帶。在IEEE802.15.4中共規(guī)定了27個(gè)信道：?在2.4GHz頻段，共有16個(gè)信道，信道通信速率為250kbps;?在915MHz頻段，共有10個(gè)信道，信道通信速率為40kbps;在896MHz頻段，有1個(gè)信道，信道通信速率為20kbps。ISM頻段信道分布圖如圖所示。應(yīng)用領(lǐng)域ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域主要包括家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、公共場(chǎng)所、農(nóng)業(yè)控制、商業(yè)和醫(yī)療等。其應(yīng)用領(lǐng)域如圖所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要分為三種：協(xié)調(diào)器（Coordinator）：協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許一個(gè)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID(也稱之為PANID，即PersonalAreaNetworkID)，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。路由器（Router）：主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，以及關(guān)聯(lián)其他節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點(diǎn)（EndDevice）：主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。ZigBee設(shè)備類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBeeCoordinator（協(xié)調(diào)器）ZigBeeRouter（路由器）ZigBeeEndDevice（終端節(jié)點(diǎn)）ClusterTree串Mesh網(wǎng)Star星1、信道2.4~2.4835GHz頻段有16個(gè)獨(dú)立的信道，每個(gè)信道間隔為5MHz11~26信道：

默認(rèn)為11信道:0x800ZigBee基本概念2、PANID（personalareanetwork,PAN）PANID指網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，用來(lái)區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器是通過(guò)選擇網(wǎng)絡(luò)信道及PANID來(lái)啟動(dòng)一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的。PANID的有效范圍為0~0x3FFF。若PANID參數(shù)設(shè)置為0xFFFF，協(xié)調(diào)器將根據(jù)自身的IEEE地址建立一個(gè)隨機(jī)的PANID分配。PANID可以看做班級(jí)名稱。二ZigBee基本概念ZigBee基本概念3、IEEE物理地址每個(gè)ZigBee設(shè)備都有一個(gè)64位的IEEE長(zhǎng)地址，即MAC地址。物理地址是在出廠時(shí)候初始化的。它是全球唯一的。就像身份證ID，每個(gè)人一個(gè)。4、

網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址也稱短地址，通常用16位的短地址來(lái)標(biāo)識(shí)自身和識(shí)別對(duì)方，對(duì)于協(xié)調(diào)器來(lái)說(shuō)，短地址始終為0x0000，對(duì)于路由器和節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，短地址由其所在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器分配。就像學(xué)生的學(xué)號(hào)二ZigBee基本概念zigbee協(xié)議棧1協(xié)議與協(xié)議棧協(xié)議定義的是一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，通信雙方需要共同按照這一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的通信。協(xié)議棧是協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)形式，可通俗地理解為代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫(kù)，以便于開發(fā)人員調(diào)用。2、Zigbee的協(xié)議分為兩部分：IEEE802.15.4：定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范，zigbee聯(lián)盟：定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。Zigbee協(xié)議棧：就是將各層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并提供一些應(yīng)用層API供用戶調(diào)用。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)zigbee協(xié)議棧3Zigbee協(xié)議棧開發(fā)的基本思路（1）借助TI提供的協(xié)議棧中例程SampleApp進(jìn)行二次開發(fā)，用戶不需要深入研究復(fù)雜的zigbee協(xié)議棧，這樣可以減輕開發(fā)者的工作量。（2）zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集，只需要用戶在應(yīng)用層加入傳感器的讀取函數(shù)和添加頭文件即可實(shí)現(xiàn)。（3）如果考慮節(jié)能，可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集周期（zigbee協(xié)議棧例程已經(jīng)開發(fā)了定時(shí)程序）進(jìn)行定時(shí)，時(shí)間到就喚醒zigbee終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)被喚醒后，自動(dòng)采集傳感器數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)給路由器或直接發(fā)給協(xié)調(diào)器，即監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)定時(shí)匯報(bào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。（4）協(xié)調(diào)器根據(jù)下發(fā)的控制命令，將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)到具體的節(jié)點(diǎn)即控制節(jié)點(diǎn)，等待控制命令下發(fā)。一zigbee協(xié)議棧簡(jiǎn)介4Z-Stack協(xié)議棧的目錄結(jié)構(gòu)一zigbee協(xié)議棧簡(jiǎn)介Z-Stack協(xié)議棧軟件層次APP用戶應(yīng)用程序目錄HAL硬件接口層目錄MAC、NWK底層封裝目錄(無(wú)源碼)MT串口操作工具目錄OSAL操作系統(tǒng)抽象層目錄ZMAIN協(xié)議棧入口目錄ZDO設(shè)備對(duì)象層管理代碼目錄TOOL工程配置文件目錄(信道、PANID)等5Z-Stack協(xié)議棧軟件層次zigbee協(xié)議棧（1）App應(yīng)用層目錄（ApplicationProgrammingInterface，API）：一般都是在App應(yīng)用層目錄下編寫自己的應(yīng)用程序源代碼zigbee協(xié)議棧（2）硬件層目錄（HardwareAbstractLayer，HAL）zigbee協(xié)議棧（3）介質(zhì)訪問控制層（MediaAccessControl，MAC）zigbee協(xié)議棧（4）監(jiān)控調(diào)試層目錄（MonitorTest，MT）zigbee協(xié)議棧（5）網(wǎng)絡(luò)層目錄（NetworkLayer，NWK）zigbee協(xié)議棧（6）協(xié)議棧的操作系統(tǒng)（OperatingSystemAbstractionLayer，OSAL）zigbee協(xié)議棧（7）應(yīng)用框架層目錄(ApplicationFarmework，AF)zigbee協(xié)議棧（8）安全層目錄zigbee協(xié)議棧（9）Zigbee和802.15.4設(shè)備的地址處理函數(shù)目錄zigbee協(xié)議棧（10）工程配置目錄zigbee協(xié)議棧（11）Zigbee設(shè)備對(duì)象（ZigbeeDeviceObjects，ZDO）zigbee協(xié)議棧（12）Z-StackMAC移植層目錄（Z-StackMAC，ZMac）zigbee協(xié)議棧（13）Zigbee協(xié)議棧的主程序（Zigbeemain，ZMain）zigbee協(xié)議棧（14）輸出文件目錄zigbee協(xié)議棧四ZigBee協(xié)議術(shù)語(yǔ)（1）節(jié)點(diǎn)（device）：一個(gè)設(shè)備就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)設(shè)備有一個(gè)無(wú)線射頻端，具有唯一的IEEE地址和網(wǎng)絡(luò)地址。（2）端點(diǎn)（endpoint）：8位字段，描述一個(gè)射頻端所支持的不同應(yīng)用。0x00：尋址文件配置；0xff：用來(lái)尋址所有活動(dòng)端點(diǎn)；0xf1~0xfe預(yù)留。所以一個(gè)物理ZigBee射頻端在端點(diǎn)0x01~0xf0上共支持240個(gè)應(yīng)用，即一個(gè)物理信道最多可能有240個(gè)虛擬信道。節(jié)點(diǎn)和端口（endpoint）的關(guān)系：每個(gè)節(jié)點(diǎn)最多有240個(gè)端口，每個(gè)節(jié)點(diǎn)所有端口共用一個(gè)發(fā)射/接受天線，不同節(jié)點(diǎn)上的端口之間可以進(jìn)行通信。節(jié)點(diǎn)2上端口1和端口2的網(wǎng)絡(luò)地址是相同的，僅僅通過(guò)網(wǎng)絡(luò)地址無(wú)法區(qū)分，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)不但要指定網(wǎng)絡(luò)地址，還要指定端口號(hào)。結(jié)論：使用網(wǎng)絡(luò)地址來(lái)區(qū)分不同的節(jié)點(diǎn)；使用端口號(hào)來(lái)區(qū)分同一節(jié)點(diǎn)上的端口。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換。ZigBee協(xié)議術(shù)語(yǔ)（3）Profile（規(guī)范）：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)都是建立在應(yīng)用規(guī)范（ApplicationProfile）基礎(chǔ)上，不同的應(yīng)用規(guī)范規(guī)定不同的應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)應(yīng)用規(guī)范都有一個(gè)ID來(lái)標(biāo)識(shí)。profID應(yīng)用規(guī)范是為了使不同廠商的產(chǎn)品可以相互兼容，這些規(guī)范是由ZigBee聯(lián)盟定義的。智能家居商業(yè)樓宇自動(dòng)化ZigBee協(xié)議術(shù)語(yǔ)（4）簇（cluster）：一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)有很多屬性，每個(gè)屬性都有自己的值。一個(gè)簇（cluster）實(shí)際上是一些相關(guān)命令和屬性的集合，這些命令和屬性一起被定義為一個(gè)應(yīng)用接口。在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)簇都被分配了一個(gè)唯一的簇ID（clusterID）。簇的作用主要在于發(fā)送方和接收方關(guān)于通信的一種約定，接收方根據(jù)接收到的信息的簇ID來(lái)判定要對(duì)接收到的信息進(jìn)行怎樣的處理。簇可簡(jiǎn)單理解為設(shè)備的子功能數(shù)。（5）TaskID（任務(wù)編號(hào)）：即任務(wù)ID，OS負(fù)責(zé)分配的，也就是對(duì)一個(gè)事件作一個(gè)唯一的編碼，在每一個(gè)任務(wù)的初始化函數(shù)中，必須完成的功能是要得到設(shè)置任務(wù)的任務(wù)ID。相當(dāng)于一個(gè)任務(wù)的標(biāo)識(shí)，以區(qū)分不同的任務(wù)，任務(wù)ID不能重復(fù)。任務(wù)：無(wú)線點(diǎn)燈實(shí)現(xiàn)功能：兩個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，ZigBee節(jié)點(diǎn)2發(fā)送“123”三個(gè)字符，ZigBee節(jié)點(diǎn)1收到數(shù)據(jù)后，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果收到的數(shù)據(jù)是“123”，則使開發(fā)板上的LED燈閃爍。任務(wù)：無(wú)線點(diǎn)燈協(xié)調(diào)器上電后，會(huì)按照編譯時(shí)給定的參數(shù)，選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，這部分內(nèi)容讀者不需要寫代碼實(shí)現(xiàn)，ZigBee協(xié)議棧已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。終端節(jié)點(diǎn)上電后，會(huì)進(jìn)行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò),如果有ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)再自動(dòng)加入，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，最后使LED閃爍。任務(wù)要求及注意1下載程序觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。2注意事項(xiàng)：（1）打開程序后，選擇協(xié)調(diào)器（coordinater）或終端（endDevice），先運(yùn)行Projec→clean，然后再運(yùn)行rebuildall，再下載到開發(fā)板中。注意：下載完成后記住區(qū)分開協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。（2）配置PANID和信道；對(duì)于多組同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，組別間的信道Channel和PANID至少要有一個(gè)不同。如果組別間的信道Channel和PANID都相同，則會(huì)產(chǎn)生相互干擾，影響實(shí)驗(yàn)效果.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通電自動(dòng)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，D3燈閃爍，加入網(wǎng)絡(luò)后D3熄滅，表示組網(wǎng)成功。組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送字符串“123”，協(xié)調(diào)器收到“123”后D1燈閃爍。感謝觀看THANKYOUPleasereplacetext,clickaddrelevantheadline,modifythetextcontent,alsocancopyyourc