zigbee设计与实现教案 第1章

1、 ZigBee无线传感器网络设计与实现无线传感器网络设计与实现 第第1章章 ZigBee简介简介 第第1章章 ZigBee简介简介 近年来，无线网络得到了快速的发展，在此过程中也出近年来，无线网络得到了快速的发展，在此过程中也出现了各种无线网络数据传输标准，诸如现了各种无线网络数据传输标准，诸如WiFi 、Wireless USB、 Bluetooth、Wibree，不同的协议标准对应不同的，不同的协议标准对应不同的应用领域，例如，应用领域，例如，WiFi主要用于大量数据的传输，主要用于大量数据的传输，Wireless USB主要用于视频数据的传输等。主要用于视频数据的传输等。 现今，物联网技

2、术得到了快速的发展，与此相关的一些现今，物联网技术得到了快速的发展，与此相关的一些技术如技术如RFID、无线传感器网络也得到了快速的发展。与此同、无线传感器网络也得到了快速的发展。与此同时，各种无线传感器网络协议标准也日渐规范化，其中得到时，各种无线传感器网络协议标准也日渐规范化，其中得到广泛应用和推广的一种协议就是广泛应用和推广的一种协议就是ZigBee 2007协议，协议，TI公司公司已经推出了完全兼容该协议的已经推出了完全兼容该协议的SoC芯片芯片CC2530，同时也开，同时也开发出了相关的软件协议栈发出了相关的软件协议栈Z-Stack，开发者可以使用上述硬，开发者可以使用上述硬件和软件

3、资源，搭建自己的无线传感器网络。件和软件资源，搭建自己的无线传感器网络。 本章主要讨论了本章主要讨论了ZigBee的产生、发展过程，向读者展示的产生、发展过程，向读者展示了了ZigBee的特点以及相关应用领域，帮助初学者快速入门。的特点以及相关应用领域，帮助初学者快速入门。 1.1 无线网络数据传输协议对比无线网络数据传输协议对比 现在比较流行的无线网络数据传输协议有现在比较流行的无线网络数据传输协议有WiFi 、Wireless USB、 Bluetooth、Cellular等，不同的协议都等，不同的协议都有各自的应用领域，因此，选择网络协议时，要根据不同的有各自的应用领域，因此，选择网络协

4、议时，要根据不同的应用来选择某一种特定的协议。应用来选择某一种特定的协议。 那么，那么，ZigBee协议与上述协议有什么关系呢，协议与上述协议有什么关系呢，ZigBee协议的优点在哪里呢，协议的优点在哪里呢，ZigBee协议主要用在哪些应用领域协议主要用在哪些应用领域呢？呢？ 各种无线数据传输协议对比图如图所示。各种无线数据传输协议对比图如图所示。 1.1 无线网络数据传输协议对比无线网络数据传输协议对比 1.1 无线网络数据传输协议对比无线网络数据传输协议对比 ZigBee、蓝牙以及、蓝牙以及IEEE 802.11b标准都是工作在标准都是工作在2.4GHz频段的无线通信标准，下面将频段的无线

5、通信标准，下面将ZigBee与蓝牙、与蓝牙、IEEE 802.11b标标准进行简要的比较，帮助读者快速的了解准进行简要的比较，帮助读者快速的了解ZigBee与现有的既定与现有的既定标准的优点。标准的优点。 蓝牙数据传输速率小于蓝牙数据传输速率小于3Mbps，典型数据传输距离为，典型数据传输距离为210米，蓝牙技术的典型应用是在两部手机之间进行小量数据的传米，蓝牙技术的典型应用是在两部手机之间进行小量数据的传输。输。 IEEE 802.11b最高数据传输速率可达最高数据传输速率可达11Mbps，典型数据，典型数据传输距离在传输距离在30100米，米，IEEE 802.11b技术提供了一种技术提供

6、了一种Internet的无线接入技术，如很多笔记本电脑可以使用自带的的无线接入技术，如很多笔记本电脑可以使用自带的WiFi功能功能实现上网。实现上网。 ZigBee协议可以理解为一种短距离无线传感器网络与控制协议可以理解为一种短距离无线传感器网络与控制协议，主要用于传输控制信息，数据量相对来说比较小，特别协议，主要用于传输控制信息，数据量相对来说比较小，特别适用于电池供电的系统。此外，相对于上述两种标准，适用于电池供电的系统。此外，相对于上述两种标准，ZigBee协议更容易实现（或者说实现成本较低）。协议更容易实现（或者说实现成本较低）。 1.2 短距离无线网络的分类短距离无线网络的分类 短距

7、离无线网络主要分为两类：短距离无线网络主要分为两类： 无线局域网（无线局域网（WLANs，Wireless Local Area Networks）；）； 无线个域网（无线个域网（WPANs，Wireless Personal Area Networks）。）。 无线局域网是有线局域网（无线局域网是有线局域网（LANs ，Wired Local Area Networks）的扩展，一个无线局域网设备可以很容易的接入到有）的扩展，一个无线局域网设备可以很容易的接入到有线局域网。线局域网。 无线个域网是为了在无线个域网是为了在POS（Personal Operating Space）范）范围内提供

8、一种高效、节能的无线通信方法，其中围内提供一种高效、节能的无线通信方法，其中POS是指以无线设是指以无线设备为中心半径备为中心半径10米（米（33英尺）内的球形区域。英尺）内的球形区域。 按照数据传输速率的不同，无线个域网又分为三种：按照数据传输速率的不同，无线个域网又分为三种： HR-WPLANS：High-Rate WPLANS； MR-WPLANS：Medium-Rate WPLANS； LR-WPLANS：Low-Rate WPLANS。 1.2.1 什么是什么是ZigBee ZigBee是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输是一种标准，该标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所

9、需要的一系列通信协议。基于速率无线通信所需要的一系列通信协议。基于ZigBee的无线的无线网络所使用的工作频段为网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz和和2.4GHz，最，最大数据传输速率为大数据传输速率为250kbps。 下面通过一个具体的例子向读者展示一下下面通过一个具体的例子向读者展示一下zigbee的具体的具体应用。在病人监控系统中，病人的血压可以通过特定的传感应用。在病人监控系统中，病人的血压可以通过特定的传感器检测，因此，可以将血压传感器和器检测，因此，可以将血压传感器和ZigBee设备相连，设备相连，ZigBee设备定期检测病人的血压，将血压数据以无线的方式设备定期检测

10、病人的血压，将血压数据以无线的方式发送到服务器，服务器可以将数据传输到医生的电脑上，医发送到服务器，服务器可以将数据传输到医生的电脑上，医生就可以根据病人的血压数据进行恰当的诊断。生就可以根据病人的血压数据进行恰当的诊断。 1.2.2 ZigBee和和IEEE 802.15.4的关系的关系 在设计网络的软件构架时，一般采用分层的思想，不同的在设计网络的软件构架时，一般采用分层的思想，不同的层负责不同的功能，数据只能在相邻的层之间流动。例如，以层负责不同的功能，数据只能在相邻的层之间流动。例如，以太网中分层模型是太网中分层模型是ISO国际化标准组织提出的国际化标准组织提出的OSI（Open Sy

11、stem Interconnection）七层参考模型，如图所示。）七层参考模型，如图所示。 1.2.3 ZigBee的特点的特点 总体而言，总体而言，ZigBee技术具有如下特点：技术具有如下特点：1.高可靠性高可靠性2.低成本、低功耗低成本、低功耗3.高安全性高安全性4.低数据速率低数据速率1.3 ZigBee 2007协议简介 ZigBee 2007规范定义了规范定义了ZigBee和和ZigBee PRO两个基本两个基本特性集，该规范比特性集，该规范比ZigBee 2006协议更具有应用前景，该协议协议更具有应用前景，该协议主要应用领域有：主要应用领域有：家庭自动化（家庭自动化（Home

12、 Automation）；）；商业楼宇自动化（商业楼宇自动化（Building Automation）；）；自动读表系统（自动读表系统（Automatic Meter Reading）。）。 1.4 ZigBee无线网络通信信道分析无线网络通信信道分析 天线对于无线通信系统来说至关重要，在日常生活中天线对于无线通信系统来说至关重要，在日常生活中可以看到各式各样的天线，如手机天线、电视接收天线等，可以看到各式各样的天线，如手机天线、电视接收天线等，天线的主要功能可以概括为：完成无线电波的发射与接收。天线的主要功能可以概括为：完成无线电波的发射与接收。发射时，把高频电流转换为电磁波发射出去；接收时

13、，将发射时，把高频电流转换为电磁波发射出去；接收时，将电磁波转换为高频电流。电磁波转换为高频电流。 如何区分不同的电波呢？如何区分不同的电波呢？ 一般情况，不同的电波具有不用的频谱，无线通信系一般情况，不同的电波具有不用的频谱，无线通信系统的频谱有几十兆赫兹到几千兆赫兹，包括了收音机、手统的频谱有几十兆赫兹到几千兆赫兹，包括了收音机、手机、卫星电视等使用的波段，这些电波都使用空气作为传机、卫星电视等使用的波段，这些电波都使用空气作为传输介质来传播，为了防止不同的应用之间相互干扰，就需输介质来传播，为了防止不同的应用之间相互干扰，就需要对无线通信系统的通信信道进行必要的管理。要对无线通信系统的通

14、信信道进行必要的管理。 1.4 ZigBee无线网络通信信道分析无线网络通信信道分析 各个国家都有自己的无线电管理结构，如美国的联邦通各个国家都有自己的无线电管理结构，如美国的联邦通信委员会（信委员会（FCC）、欧洲的典型标准委员会（）、欧洲的典型标准委员会（ETSI），我国），我国的无线电管理机构称为中国无线电管理委员会，其主要职责的无线电管理机构称为中国无线电管理委员会，其主要职责是负责无线电频率的划分、分配与指配、负责卫星轨道位置是负责无线电频率的划分、分配与指配、负责卫星轨道位置协调和管理、负责无线电监测、检测、干扰查处、协调处理协调和管理、负责无线电监测、检测、干扰查处、协调处理电磁

15、干扰事宜和维护空中电波秩序等。电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。 一般情况，使用某一特定的频段需要得到无线电管理部一般情况，使用某一特定的频段需要得到无线电管理部门的许可，当然，各国的无线电管理部门也规定了一部分频门的许可，当然，各国的无线电管理部门也规定了一部分频段是对公众开放的，不需要许可即可使用，以满足不同的应段是对公众开放的，不需要许可即可使用，以满足不同的应用需求，这些频段包括用需求，这些频段包括ISM（Industrial、Scientific and Medical-工业、科学和医疗）频带。工业、科学和医疗）频带。 除了除了ISM频带外，在我国，低于频带外，在我国，低于135kH

16、z，在北美、日本，在北美、日本等地，低于等地，低于400kHz的频带也是免费频段。各国对无线频谱的的频带也是免费频段。各国对无线频谱的管理不仅规定了管理不仅规定了ISM频带的频率，同时也规定了在这些频带频带的频率，同时也规定了在这些频带上所使用的发射功率，在项目开发过程中，需要查阅相关的上所使用的发射功率，在项目开发过程中，需要查阅相关的手册，如我国信息产业部发布的手册，如我国信息产业部发布的微功率（短距离）无线电微功率（短距离）无线电设备管理规定设备管理规定。 1.5 ZigBee无线网络拓扑结构无线网络拓扑结构 ZigBee网络拓扑结构主要有星型网络和网型网络。不同网络拓扑结构主要有星型网

17、络和网型网络。不同的网络拓扑对应于不同的应用领域，在的网络拓扑对应于不同的应用领域，在ZigBee无线网络中，无线网络中，不同的网络拓扑结构对网络节点的配置有不同的要求（网络不同的网络拓扑结构对网络节点的配置有不同的要求（网络节点的类型可以是协调器、路由器和终端节点，具体配置需节点的类型可以是协调器、路由器和终端节点，具体配置需要根据配置文件决定），在本书后面章节将进行讲解，在此要根据配置文件决定），在本书后面章节将进行讲解，在此，读者只需要对网络拓扑结构有个概念性的认识即可。，读者只需要对网络拓扑结构有个概念性的认识即可。 星型网络拓扑图如图所示。星型网络拓扑图如图所示。 1.6 ZigBe

18、e技术的应用领域技术的应用领域 ZigBee技术是基于小型无线网络而开发的通信协议标准，技术是基于小型无线网络而开发的通信协议标准，尤其是伴随尤其是伴随ZigBee 2007协议的逐渐成熟，协议的逐渐成熟，ZigBee技术在智能家技术在智能家居和商业楼宇自动化方面有较大的应用前景。居和商业楼宇自动化方面有较大的应用前景。ZigBee技术的出技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，总体而现弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，总体而言，在以下应用场合可以考虑采用言，在以下应用场合可以考虑采用ZigBee技术：技术：需要进行数据采集和控制的节点较多；需要进行数据采集和控

19、制的节点较多；应用对数据传输速率和成本要求不高；应用对数据传输速率和成本要求不高；设备需要电池供电几个月的时间，且设备体积较小；设备需要电池供电几个月的时间，且设备体积较小；野外布置网络节点，进行简单的数据传输。野外布置网络节点，进行简单的数据传输。 下面，给读者展示当前市场上几个下面，给读者展示当前市场上几个ZigBee方面应用的例子。方面应用的例子。 在工业控制方面，可以使用在工业控制方面，可以使用ZigBee技术组建无线网络，然技术组建无线网络，然后每个节点采集传感器数据，然后通过后每个节点采集传感器数据，然后通过ZigBee网络来完成数据网络来完成数据的传送。的传送。 1.6 ZigB

20、ee技术的应用领域技术的应用领域在智能家居和商业楼宇自动化方面，将空调、电视、窗帘控在智能家居和商业楼宇自动化方面，将空调、电视、窗帘控制器等通过制器等通过ZigBee技术来组成一个无线网络，通过一个遥控技术来组成一个无线网络，通过一个遥控器就可以实现各种家电的控制，这种应用场所比现行的每个器就可以实现各种家电的控制，这种应用场所比现行的每个家电一个遥控器要方便的多。家电一个遥控器要方便的多。在农业方面，传统的农业主要使用没有通信能力的且孤立的在农业方面，传统的农业主要使用没有通信能力的且孤立的机械设备，使用人力来检测农田的土质状况、作物生长状况机械设备，使用人力来检测农田的土质状况、作物生长

21、状况等，如果采用等，如果采用ZigBee技术，可以轻松的实现作物各个生长阶技术，可以轻松的实现作物各个生长阶段的监控，传感器数据可以通过段的监控，传感器数据可以通过ZigBee网络来进行无线传输网络来进行无线传输，用户只需要在电脑前即可实时监控作物生长情况，这将极，用户只需要在电脑前即可实时监控作物生长情况，这将极大促进现代农业的步伐。大促进现代农业的步伐。在医学应用领域，可以借助在医学应用领域，可以借助ZigBee技术，准确、有效的检测技术，准确、有效的检测病人的血压、体温等信息，这将大大减轻查房的工作负担，病人的血压、体温等信息，这将大大减轻查房的工作负担，医生只需要在电脑前使用相应的上位机软件，即可监控数个医生只需要在电脑前使用相应的上位机软件，即可监控数个病房病人的情况。病房病人的情况。 1.7 CC2530开发板硬件资源概述开发板硬件资源概述 进行进行ZigBee 2007无线网络的开发，需要有相关的硬件无线网络的开发，需要有相关的硬件和软件，在硬件方面，和软件，在硬件方面，TI公司公司1已经推出了完全支持已经推出了完全支持ZigBee 2007协议的单片机协议的单片机CC