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ZigBee技术与应用 目录 1ZigBee简介2网络协议相关概念3Z stack协议栈介绍4CC2530及IAR软件介绍5温度采集系统设计与实现 1 1ZigBee ZigBee名称这一名称来源于蜜蜂的八字舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞蹈 来与同伴传递花粉所在方位信息 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络 ZigBee来源为解决已有无线通信技术中功耗大 组网规模小 通信协议过于复杂等问题 IEEE成立802 15 4工作小组 在HomeRFLite无线网络的基础上开发802 15 4协议 2001年 ZigBee联盟成立 随后Invensys 英国 Mitsubishi 日本 Matoraola 美国 和Philips 荷兰 宣布加入ZigBee联盟 此后ZigBee迅速发展状大 于2004年发布ZigBee1 0 ZigBee2004 ZigBee的发展2004年 ZigBee联盟发布了ZigBee1 0 但这个时候的ZigBee只能组成星状网和树状网 不能组成网状网 而且稳定性极差 只能用于学习和研究 到了2006年 ZigBee联盟了发布ZigBee2006 ZigBee1 1 同年 TI完成对chipcon的收购 进入ZigBee开发的阵营 2007年年底 ZigBee联盟发布ZigBee2007 PRO ZigBeeProFeature 2008年 802 15 4c标准通过 1 2ZigBee芯片 目前全球有多家公司供应ZigBee芯片 附表说明 1 3ZigBee的特点 低功耗 两支干电池可支持节点工作半年以上 这是Zigbee的突出优势 在传感控制领域 相比较 蓝牙能工作数周 WiFi可工作数小时 低速度 最高带宽250kbps 2 4G 40kbps 915M 20kbps 868M 2Mbps的规范目前也正在研究当中 近距离 一般通信距离在100m 目前增加RF发射功率后可以扩展到1km 这指的是相邻节点间的距离 如果通过路由和节点间通信的接力 传输距离将可以更远 理论上无限 高容量 理论上限65535个 实际上用51核的soc能做到200个 在推出ARM ZigBee的芯片后应该有较大的提高 低延时 醒唤时间小于15ms 节点连接进入网络只需30ms 进一步节省了电能 相比较 蓝牙需要3 10s WiFi需要3s 短时延 一般的通信延迟在ms级 低成本 ZigBee芯片已经大幅降价通过大幅简化协议 不到蓝牙的1 10 降低了对通信控制器的要求 按预测分析 以8051的8位微控制器测算 全功能的主节点需要32KB代码 子功能节点少至4KB代码 而且Zigbee免协议专利费 每块芯片的价格大约为8美元 高安全 AES 128加密免执照 2 4G全球ISM波段 915M 美国 868 欧洲 1 4Zigbee基础 ZigBee无线网络协议是基于标准的七层开放式系统互联 OSI 模型 但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义 IEEE802 15 4标准定义了最下面的两层 物理层 PHYphysicallayer 和介质接入控制子层 MACmediumaccesscontrol ZigBee联盟提供了网络层和应用层 APL 框架的设计 其中应用层的框架包括了应用支持子层 APS ZigBee设备对象 ZDO 和由制造商制订的应用对象 1 4 2Zigbee节点类型 ZigBee协调器 ZCcoordinator 1 上电启动和配置网络 例如设定网络标示符 选择信道 一旦完成后相当于路由器功能 2 每各ZigBee网络必须有一个 ZigBee路由器 ZRrouter 1 允许其他网络设备加入 2 多跳路由 3 协助电池供电的子节点通信 4 自己作为终端节点应用 ZigBee终端节点 ZEDenddevice 1 向路由节点传递数据 2 没有路由功能 3 低功耗 Zigbee的低功耗主要体现在这里 4 可选择睡眠与唤醒 路由因不断转发数据需电源供电 终端节点电池供电 补充 设备类型FFD full functiondevice 全功能设RFD reduced functiondevice 精简功能设备 FFD 可以担任网络协调者 形成网络 让其他的FFD或是精简功能装置 RFD 连结 FFD具备控制器的功能 可提供信息双向传输 附带由标准指定的全部802 15 4功能和所有特征更多的存储器 计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用也能用作终端设备RFD RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息 附带有限的功能来控制成本和复杂性在网络中通常用作终端设备 ZigBee相对简单的实现自然节省了费用 RFD由于省掉了内存和其他电路 降低了ZigBee部件的成本 而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本 1 4 3Zigbee网络结构 1 4 4Zigbee的应用 办公环境数字家庭无线抄表手持终端动物监控工业控制节能应用 1 4 52 4G无线技术的发展趋势 目前主流的和极具潜力的无线电技术有蓝牙 Wi Fi Zigbee UWB FM GSM RDID等 让这些的标准互连 互通 互相弥补 进而在技术上和芯片都达到统一 做出单芯片解决方案是当前的发展主流 而同在2 4G频段的Zigbee 蓝牙和Wi Fi可能会最先完成整合 目前正在制定当中的蓝牙3 1 低功耗版本 已经将前述事宜纳入计划 1 4 6ZigBee和简单无线通讯之间最大区别 简单的点到点 点到多点通讯 目前很多这样的数传模块 包装结构比较简单 主要为同步序言 数据 校验几部分组成 而ZigBee是采用数据帧的概念 每个无线帧包括了大量无线包装 包含了大量时间 地址 命令 同步等信息 真正的数据信息只占很少部分 而这正是ZigBee可以实现网络组织管理 实现高可靠传输的关键 1 4 7行业热点 物联网 TheInternetofthings 是指通过各种信息传感设备 如传感器 射频识别 RFID 技术 全球定位系统等各种装置与技术 实时采集任何需要监控 连接 互动的物体或过程 采集其声 光 热 电等各种需要的信息 与互联网结合形成的一个巨大网络 其目的是实现物与物 物与人 所有的物品与网络的连接 方便识别 管理和控制 2网络协议相关概念 2 1ISO 国际标准化组织 制定的OSI网络协议七层模型 2 2TCP IP协议的四层模型 TCP IP结构对应OSI结构 2 3IEEE802 15 4 两个名词 个人区域网络 personalareanetwork PAN 无线个人区域网络 wirelesspersonalareanetwork WPAN IEEE802 15 4标准定义的LR WPAN网络具有如下特点 1 不同的载波频率下实现了20 40 250kbps三种不同的传输速率 2 支持星型和点对点两种网络拓扑结构 3 有16位和64位两种地址格式 4 支持冲突避免的载波多路侦听技术 CSMA CA 5 支持确认 ACK 机制 保证传输可靠性 IEEE802 15 4标准只定义了PHY层和数据链路层的MAC子层PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口转到pdf讲解各层 IEEE802 15 4网络的建立过程 首先 每个设备的协议栈必须要对其PHY和MAC层初始化 每个网络必须有一个也只能有一个PANCo ordinator PANID作为网络标识 可以被人为的预定义 除64位IEEEMAC地址外 还须分配一个16位的短地址 例如Zigbee技术选择2 4GHz 设备以Co ordinator的模式启动 然后就开放请求应答 有可以利用的Co ordinator 设备就可以申请加入网络 设备被Co ordinator接受 将获得短地址作为标识 便可传输数据 2 4zigbee网络地址 1个是64位的IEEE地址 通常也叫作MAC地址或者扩展地址 Extendedaddress 另一个是16位的网络地址 也叫做逻辑地址 Logicaladdress 或者短地址64位长地址是全球唯一的地址 并且终身分配给设备 这个地址可由制造商设定或者在安装的时候设置 是由IEEE来提供当设备加入ZigBee网络被分配一个短地址 在其所在的网络中是唯一的 这个地址主要用来在网络中辨识设备 数据传输和数据包路由等一个节点是一个设备 有一个射频端 一个64位IEEE地址 一个16位网络地址 3 1Z stack协议栈相关概念 1 TI公司开发的Z Stack是ZigBee协议栈 并且经过了ZigBee联盟的认可而为全球众多开发商所广泛采用 2 我们没必要弄懂zigbee协议栈所有源代码 所谓开发或应用主要是对主函数及操作系统的修改应用 许多库函数据项目要求而做修改即可 3 TI公司的Z Stack协议栈装载在一个基于IAR开发环境的工程里 4 Z Stack采用操作系统的思想来构建 采用事件轮循机制 当各层初始化之后 系统进入低功耗模式 当事件发生时 唤醒系统 开始进入中断处理事件 结束后继续进入低功耗模式如果同时有几个事件发生 判断优先级 逐次处理事件这种软件构架可以极大地降级系统的功耗 7 整个Z stack的主要工作流程 大致分为系统启动 驱动初始化 OSAL初始化和启动 进入任务轮循几个阶段 5 Z Stack实际上是帮助程序员方便开发ZigBee的一套系 6 整个Z Stack采用分层的软件结构硬件抽象层 HAL 提供各种硬件模块的驱动 包括定时器Timer 通用I O口GPIO 通用异步收发传输器UART 模数转换ADC的应用程序接口API 提供各种服务的扩展集操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台 通过时间片轮转函数实现任务调度 提供多任务处理机制 用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程 将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现 zigbee Z stack流程图 3 1主函数 协议栈已经将主函数放在了库文件当中 是通用文件main函数 存在于Zmain函数当中 程序先是从main函数开始运行的 main函数实现的功能是 初始化硬件 初始化网络 加入 创建网络 初始化任务列表 进入任务处理循环详细说明如下 intmain 主函数实现硬件的初始化其中包括关总中断osal int disable INTS ALL 初始化板上硬件设置HAL BOARD INIT 初始化I O口InitBoard OB COLD 初始化HAL层驱动HalDriverInit 初始化非易失性存储器sal nv init NULL 初始化MAC层ZMacInit 分配64位地址zmain ext addr 初始化操作系统osal init system 等 3 2OSAL操作系统函数 顺利完成上述初始化后 开中断执行osal start system 函数开始运行OSAL系统该任务调度函数按照优先级检测各个任务是否就绪 如果存在就绪的任务则调用tasksArr 中相对应的任务处理函数去处理该事件 直到执行完所有就绪的任务如果任务列表中没有就绪的任务 则可以使处理器进入睡眠状态实现低功耗osal start system 一旦执行 则不再返Main 函数 3 3OSAL程序流程图 OSAL是协议栈的核心Z stack的任何一个子系统都作为OSAL的一个任务 因此在开发应用层的时候 必须通过创建OSAL任务来运行应用程序通过osalInitTasks 函数创建OSAL任务 其中TaskID为每个任务的唯一标识号任何OSAL任务必须分为两步 一是进行任务初始化二是处理任务事件 4 1CC2530芯片介绍 4 1 1CC2430与CC2530的比较 CC2530是TI09年推出的 在CC2430的基础上根据CC2430实际应用的一些问题做了一些改进 缓存加大了 存储容量最大支持到256K CC2530的通信距离可以达到400m 不用在用CC2430外加功放来扩展距离CC2530的主要特点 高性能和低功耗的8051微控制器核 集成符合IEEE802 15 4标准的2 4GHz的RF无线电收发机 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 在休眠模式时仅1 A的流耗 外部的中断或RTC能唤醒系统在待机模式时少于0 4 A的流耗 外部的中断能唤醒系统 硬件支持CSMA CA功能 较宽的电压范围 2 0 3 6V 数字化的RSSI LQI支持和强大的DMA功能 具有电池监测和温度感测功能 集成了14位模数转换的ADC 集成AES安全协处理器 带有2个强大的支持几组协议的USART 以及2个常规的16位计时器和2个8位计时器 强大和灵活的开发工具 Zigbee芯片 CC2530 上图用1个32MHz的石英谐振器 XTAL1 和2个电容 C231和C211 构成一个32MHz的晶振电路 用1个32 768kHz的石英谐振器 XTAL2 和2个电容 C321和C331 构成一个32 768kHz的晶振电路 4 2IAR快速入门 CC2530可以使用KEIL IAR开进行开发 同时支持C 汇编等语言 但是建议使用IAR软件 原因有两点 TIZ Stack协议栈使用IAR开发完成 要使用免费的ZigBee协议 就要使用IAR 使用IAR才能获得其他技术支持 4 2 1IAR版本与ZigBee的关系 IAR7 20H支持Z Stack1 4 2及以前版本IAR7 30B支持Z Stack1 4 3IAR高版本兼容低版本 但这不适用于Z Stack的开发 4 2 2IAR软件演示 打开存在的项目 创建一个新项目 选择空项目 保存项目 添加源文件 添加一个存在的源文件 新建源文件 编写代码 保存源文件 保存工作窗口 添加源文件 添加一个新编写的源文件 项目设置 选择芯片型号 选择防真方式 选择防真器的接口方式 编译 连接 查看信息窗口 调试 反汇编窗口 观察寄存器窗口 查看变量窗口 断点设置 5 1系统方案选则 5 1 1可行方案 1 ZigBeeRF MCUTICC2420 CC2520 MSP430CC2420基于Chipcon 已被TI收购 公司的SmartRF03技术 CC2520由TI生产 属于CC2520的升级版 FREESCLAEMC13XX GT60Freescale公司的MC1319x收发信机系列非常适用于ZigBee和802 15 4应