ZigBee无线传感器网络设计实战第一章

ZigBee无线传感器网络设计实战1PARTONE搭建ZigBee开发环境CONTENT目录3412实训1-1安装IAR软件和硬件驱动实训1-2新建与调试ZigBee工程实训1-3认识ZigBee实训设备实训1-4学习ZigBee开发板电路实训简介本书要用到的IAR软件即IAREmbeddedWorkbenchfor8051，它是ZigBee的软件开发环境，通过它可以编写和调试程序，并将程序下载到ZigBee硬件（如CC2530芯片）中去，进而实现各种应用。本实训主要介绍IAR软件和硬件驱动的安装方法。实训目的1

掌握IAR软件的安装方法。2

掌握仿真器驱动和USB转串口驱动的安装方法。实训内容IAR软件的安装。1各种硬件驱动的安装。2软件安装结果的验证。3知识链接1．物联网物联网（InternetofThings），是指通过二维码识读设备、射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。如今，物联网与各个行业不断融合，行业应用稳步发展，并蕴含巨大空间，如下图所示。物联网应用示意图从市场应用来看，占据中国物联网市场主要份额的领域为智能工业、智能物流、智能交通、智能电网、智能医疗、智能农业、智能环保和智能家居。其中，智能工业占比最大。从技术架构上看，物联网可以分为3层，即感知层、网络层和应用层，如右图所示。物联网架构示意图感知层：位于最底层，相当于人体的皮肤和五官。它利用RFID、摄像头、传感器、GPS、二维码等随时随地识别和获取物体的信息。

网络层：位于中间层，相当于人体的神经中枢和大脑。它通过移动通信网络与互联网的融合，将物体的信息实时准确地传递出去。

应用层：位于最顶层，相当于人的社会分工。它与行业需求相结合，对感知层得到的信息进行处理，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理等实际应用。

感知层是物联网发展和应用的基础，解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题。它实际上包含了数据采集和数据短距离传输两个过程。即首先通过传感器、摄像头等设备采集外部物理世界的数据，然后通过ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、工业现场总线等短距离无线或有线通信技术进行协同工作，或者传递数据到网关设备。在感知层，传感器、条形码、二维码、RFID、智能装置、通信模块等设备组成了一个无线传感器网络，该网络负责将采集的数据传送至网络层。2．无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN），是由部署在监测区域内的大量传感器节点（即微型传感器）通过无线通信方式形成的自组织网络，其目的是感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络的基本功能就是将一系列空间分散的传感器节点通过自组织的无线网络进行连接，从而将各自采集的数据通过无线网络进行传输汇总，以实现对空间分散范围内的物理或环境状况的协作监控，并根据这些信息进行相应的分析和处理。无线传感器网络具有分布控制、无中心和多跳传输等特点，但它集成了监测、控制和无线通信等功能，还具有如下一些主要特点：01节点数量更加庞大，节点分布更加密集。02由于环境影响和能量耗尽，节点更容易出现故障。03环境干扰和节点故障易造成网络拓扑结构的变化。04要控制网络整体成本，就必须降低单个节点的成本。05无线传感器网络以数据为中心，其核心是感知数据而不是网络硬件，通常情况下，大多数传感器节点是固定不动的。无线传感器网络是构建物联网的最基本网络，传感器作为感知的最前端探测和搜集信号，之后则需要各种有线和无线的通信技术进行设备相互间的通信交流。最后100m的短距离接入则主要是通过无线传感器网络来实现的，其中ZigBee被认为是目前最适合无线传感器网络接入端的短距离无线通信技术。3．ZigBee技术ZigBee是由ZigBee联盟基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的组网、安全和应用软件方面的无线通信技术，它正在成为消费电子、能源、住宅、商业和工业领域广泛采用的领先无线联网、传感和控制标准。ZigBee可以实现传输节点自组织，采用分组交换和跳频技术，并且可使用3个ISM频段，分别是868MHz频段（欧洲适用）、915MHz频段（北美适用）和2.4GHz频段（全球通用）。868MHz频段：定义了1个信道，拥有20Kbps的传输速率。1915MHz频段：定义了10个信道，信道中心间隔为2MHz，拥有40Kbps的传输速率。22.4GHz频段：定义了16个信道，信道中心间隔为5MHz，拥有250Kbps的传输速率。3总结而言，ZigBee主要具有以下特点。 功耗低 成本低 时延短 可靠性高 安全性高 有效范围小 网络容量大 工作频段灵活 数据传输速率低：在家庭/商业自动化、智慧能源、健康医疗及零售等领域，ZigBee也被证明是可靠的无线网络解决方案，如右图所示。ZigBee技术应用示意图4．ZigBee与CC2530芯片的关系ZigBee的作用是构建无线局域网，无线传感器网络是无线局域网的一个具体应用。ZigBee无线网络在软件上需要ZigBee协议栈，且在硬件上需要支持ZigBee底层协议的某种芯片，这样各硬件设备之间才可以通过ZigBee协议进行通信。基于此，美国德州仪器（TI）公司开发了Z-Stack协议栈，还研发了一系列支持ZigBee底层协议的芯片（如CC2430、CC2431、CC2530、CC2531、CC2538等），它们都是与Z-Stack协议栈配合使用的ZigBee芯片。在使用Z-Stack协议栈时，大多采用CC2530芯片。CC2530根据闪存容量不同，有4种类型，其中，CC2530F256提供了强大、完善的ZigBee解决方案。CC2530F256CC2530F32CC2530F64CC2530F128CC253032KB的闪存空间64KB的闪存空间128KB的闪存空间256KB的闪存空间5．IAR软件开发环境IAR是一套完整的集成开发工具集合，包括从代码编辑器、工程建立到C/C++编译器、连接器和调试器的各类开发工具。它和各种仿真器、调试器紧密结合，使用户在开发和调试中仅使用一种开发环境界面就可完成对多种微控制器的开发。实施步骤本书采用的IAR版本为IAREmbeddedWorkbenchfor80518.10.1，其安装包位于本书“教学资源包”>“相关软件和驱动”>“CD-EW8051-8101”文件夹下。步骤部分参照书中描述。1安装IAR软件安装完IAR软件以后，连接硬件时还需要安装必要的驱动，一般包括仿真器驱动和USB转串口驱动。其中，仿真器驱动用来实现电脑和仿真器设备之间的顺利连接，完成程序下载；USB转串口驱动用来将电脑的USB接口转换成模拟串口使用。2常用驱动的安装1）安装仿真器驱动首次将仿真器设备连接到电脑时，桌面右下角会弹出“未能成功安装设备驱动程序”提示，如右图所示。此时，可按书中步骤完成仿真器驱动的安装。驱动未安装提示2）安装USB转串口驱动直接用数据线将ZigBee底板和电脑USB口相连，“设备管理器”窗口中会出现未识别的硬件，如右图所示，此时需要安装USB转串口驱动。未安装USB转串口驱动USB转串口驱动有多种，此处以PL2303转串口驱动为例进行介绍，双击可执行文件“PL2303_Prolific_DriverInstaller_v10518.exe”，出现安装向导，单击“下一步”按钮，即可快速完成安装。安装完成后，可在“设备管理器”窗口中找到模拟串口，即ProlificUSB-to-SerialCommPort（COM3），如右图所示。成功安装USB转串口驱动下面来验证一下软件安装结果。首先连接好硬件设备，然后双击打开本书“教学资源包”>“源代码”>“测试程序”文件夹下的测试工程“test.eww”，如右图所示。系统会自动在IAR软件中打开该工作空间文件。测试工程文件单击IAR工具栏中的“DownloadandDebug”按钮，或者选择“Project”>“DownloadandDebug”菜单，如右图所示。将程序通过仿真器下载到ZigBee开发板。下载并调试程序下载程序又称烧写程序，是指把程序固化到芯片中的同时进入调试界面，出现调试工具栏，单击其中的全速运行按钮，如下图所示，可以看到ZigBee开发板上的LED灯开始闪烁，说明IAR软件安装成功了。调试工具栏调试工具栏成果检验自我考核不看教材，独立完成IAR软件和仿真器驱动的安装，并能验证安装结果。ZigBee开发板上的D8、D9灯不断闪烁。CONTENT目录3412实训1-1安装IAR软件和硬件驱动实训1-2新建与调试ZigBee工程实训1-3认识ZigBee实训设备实训1-4学习ZigBee开发板电路实训简介本实训将介绍用IAR新建与调试ZigBee工程的一般方法，包括工程的建立；源文件的添加；工程的设置；程序的编译、下载与调试等，最后通过实验现象验证操作的正确性。实训目的1

掌握新建与设置ZigBee工程的方法。2

掌握ZigBee工程的调试方法。3

了解IAR的各种集成工具。实训内容用IAR新建并保存工程。1向新建的工程中添加源文件。2编译源文件并将程序下载到ZigBee开发板。3用IAR创建工程的基本流程启动IAR软件，默认会生成一个空的工作空间。此时可以通过选择“Project”>“CreateNewProject”菜单在该工作空间下创建一个新的工程。创建工程文件（.ewp）后，还需选择“File”>“SaveWorkspace”菜单（或单击工具栏中的“SaveAll”按钮），对工作空间文件（.eww）进行保存。知识链接接下来，可以选择“File”>“New”>“File”菜单（或单击工具栏中的“Newdocument”按钮

）新建一个源文件，来编写程序，再将源文件保存（后缀为.c）并添加到之前新建的工程中。除此之外，也可以直接将提前编写好的外部源文件添加到工程中。程序编写完成后，将ZigBee开发板通过仿真器连接到电脑，就可以对程序进行编译、下载和调试了。但在此之前，通常还需要对当前工程进行一些设置，包括要使用的芯片型号、调试器类型等。实施步骤本实训将使用IAR软件新建一个ZigBee工程，然后为其添加程序源文件，并对工程进行设置，最后通过程序编译、下载和调试，实现对ZigBee开发板的控制。1打开IAR软件2新建工程3添加源文件到工程4设置工程5编译程序6下载与调试程序以上步骤具体操作参照书中描述。成果检验自我考核验证仿真是否有效，运行程序后实训板上LED（D8）常亮，LED（D9）闪烁。02验证工程创建是否正确：正常编译无错误。01不看教材，重新熟悉创建工程的过程以及配置工程文件。CONTENT目录3412实训1-1安装IAR软件和硬件驱动实训1-2新建与调试ZigBee工程实训1-3认识ZigBee实训设备实训1-4学习ZigBee开发板电路实训简介本书所有的实训都是基于讯方通信ZigBee综合实训箱完成的，本节实训将详细介绍实训中用到的设备，并详细讲解每一个模块中的接口，以及实训的硬件连接图，最后重点讲解在实训过程中遇到电脑不能正确识别仿真器问题的解决办法。实训目的1

认识ZigBee实训设备。2

掌握实训设备的连接方法。3

了解硬件连接时的注意事项。实训内容实训箱里的设备以及存放的位置。1实训设备的正确连接。2实训设备1ZigBee开发板硬件介绍1）ZigBee核心板ZigBee核心板的主要芯片是CC2530，它控制着ZigBee底板上的设备，如右图所示。CC2530芯片天线ZigBee核心板2）ZigBee底板ZigBee底板主要提供电源、控制按钮和一些扩展设备接口等，如右图所示。ZigBee底板指示灯可调电阻红外发射ZigBee复位ZigBee按键拨码开关节点按键复位传感器接口1电源开关电源接口STM32串口1传感器接口3J-Link接口ZigBeeDebug接口插接ZigBee核心板3）转接板转接板主要用于实现串口转接、J-Link转接，如右图所示。J-Link转接输出口J-Link转接输入口串口转接输入口（连接ZigBee底板）串口转接输出口（连接电脑串口）转接板4）仿真器ZigBee仿真器主要用于将编写好的程序下载到ZigBee开发板中，如下图所示。USB接口（另一端连接电脑）下载接口（另一端连接ZigBee底板）ZigBee仿真器5）其他辅助设备其他辅助设备主要包括串口转接线、外接电源适配器、串口延长线等，如下图所示。（a）串口转接线（b）外接电源适配器（c）串口延长线其他辅助设备2硬件连接图（1）不使用串口时的硬件连接图，如右图所示。连接电脑USB口外部电源数据下载线常用硬件连接图（2）当实训需要ZigBee节点与电脑进行串口通信时，其硬件连接图（带转接板），如右图所示。如果ZigBee底板上带有USB转串口模块，那么直接用数据线将该接口与电脑USB接口相连即可，也可实现串口连接。带转接板的硬件连接图数据下载线转接线（ZigBee底板与串口转接板连接）串口延长线，连接电脑串口连接电脑USB口外部电源3串口调试工具（1）打开本书“教学资源包”>“相关软件和驱动”>“超级单片机工具”文件夹下的串口调试工具，即超级单片机工具“MCUTool.exe”，如右图所示。串口调试工具的位置（2）串口调试工具（即超级单片机工具）的设置，如下图所示。串口调试工具的设置选择对应的串口调节对应的波特率设置模式位打开串口接收内容区发送内容区“发送”按钮关于IAR软件找不到仿真器的问题通常情况下，将仿真器通过USB方口数据线连接到电脑，并正确安装仿真器驱动后，就可以自动识别出仿真器硬件。但仿真器类型有多种，有些对应驱动为ChipconSRF04EB，有些对应驱动为SmartRF04EB，如下图所示。知识链接不同类型的仿真器驱动由于系统默认安装的仿真器驱动是SmartRF04EB，如果与仿真器设备不对应，就会出现IAR软件无法识别仿真器，不能进行仿真的问题，如右图所示。IAR软件找不到仿真器这种情况下，或者由于其他原因导致IAR无法正确识别仿真器时（此时“设备管理器”窗口中会出现问号或感叹号），则要更新成正确的驱动。例如将仿真器驱动“SmartRF04EB”更新成“ChipconSRF04EB”，具体操作步骤参照书中描述。注意事项4231实训硬件连接时不能带电插拔。拆卸硬件时要格外注意卡槽和插槽，不要用蛮力拆卸。需要移动实训设备时，应用两个手指捏着硬件的边沿处小心移动，硬件带电时禁止用手触摸设备上的焊接点。认真检查连接的电路，确保没问题时再给设备上电。拆卸时，要先断电再操作。自我考核独立解决仿真器不能识别的问题。02快速连接实训箱设备及实训设备。01CONTENT目录3412实训1-1安装IAR软件和硬件驱动实训1-2新建与调试ZigBee工程实训1-3认识ZigBee实训设备实训1-4学习ZigBee开发板电路实训简介本书所采用ZigBee开发板中，CC2530的内核就是大家熟悉的8051内核，同时支持IEEE802.15.4协议的无线射频的功能。它有3个不同的存储器访问总线，即 特殊功能寄存器（SFR） 数据（DATA） 代码/外部数据（CODE/XDATA）本实训主要讲解ZigBee开发板的设计电路，分析实训中用到的LED灯和按键是连接到哪个端口的。实训目的2掌握电路图中LED灯和按键连接到哪个端口。1了解ZigBee开发板的设计电路。实训内容通过对比硬件设备与电路图，读懂ZigBee开发板电路。CC2530是德州仪器公司（TI）研发的一款ZigBee片上系统解决方案，它建立在I