物联网短距离无线通信 课件 03-ZigBee网络工具

物联网短距离无线通信技术项目三ZigBee无线网络工具1.项目场景2.ZigBee与CC2530目录CONTENTS3.ZigBee协议栈4.ZigBee开发工具5.项目实践项目场景项目场景CC2530是德州仪器Ti公司用于2.4-GHz

IEEE

802.15.4、ZigBee

和RF4CE

应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，是作为ZigBee无线传感网学习的最佳平台。Ti公司为CC2530ZigBee传感网络开发提供了各种开发环境、网络调试工具等，方便进行产品开发设计及工程运维中的故障调试。在实际物联网应用场景中，智慧农业系统的工程现场环境、布局、设施改造等都会传感网调试带了很大影响。通过对各种软件工具的使用，能够优化设备性能和排除故障，让系统稳定运行。任务目标ZigBee网络的开发是一个综合性的系统工程，为了方便ZigBee项目的开发需要掌握ZigBee相关工具的使用。通过项目实例掌握对ZTools工具、SmartRFProgram工具、xLabTools工具的使用。ZigBee与CC2530

CC2530

结合了领先的RF

收发器的优良性能，业界标准的增强型8051

CPU，系统内可编程闪存，8-KB

RAM和许多其它强大的功能。CC2530

有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB

的闪存。CC2530

具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530处理器介绍CC2530功能介绍 CC253x芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA和主SRAM。它还包括一个调试接口和一个18输入扩展中断单元。

中断控制器总共提供了18个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优先级之一相关。当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。一些中断还可以从睡眠模式（供电模式1-3）唤醒设备。

内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线把CPU和DMA控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。内存仲裁器有四个内存访问点，每次访问可以映射到三个物理存储器之一：一个8-KBSRAM、闪存存储器和XREG/SFR寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。CPU和内存ZigBee与CC2530

CC2530结构框图CC2530功能介绍时钟和电源管理

数字内核和外设由一个1.8-V低差稳压器供电。它提供了电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。有五种不同的复位源来复位设备。CC2530功能介绍外设 CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。 调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。CC2530功能介绍I/O控制器 I/O控制器负责所有通用I/O引脚。CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。CPU中断可以分别在每个引脚上使能。每个连接到I/O引脚的外设可以在两个不同的I/O引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。CC2530功能介绍MAC MAC定时器（定时器2）是专门为支持IEEE802.15.4MAC或软件中其他时槽的协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个8位溢出计数器，可以用于保持跟踪已经经过的周期数。一个16位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX，开始TX，等等）到无线模块。定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。它们有一个可编程的分频器，一个8位的周期值，一个可编程的计数器通道，具有一个8位的比较值。每个计数器通道可以用作一个PWM输出。睡眠

睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32-kHz晶振或32-kHzRC振荡器的周期。睡眠定时器在除了供电模式3的所有工作模式下不断运行。这一定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。CC2530功能介绍ADC ADC支持7到12位的分辨率，分别在30kHz或4kHz的带宽。DC和音频转换可以使用高达八个输入通道（端口0）。输入可以选择作为单端或差分。参考电压可以是内部电压、AVDD或是一个单端或差分外部信号。ADC还有一个温度传感输入通道。ADC可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。随机数发生器

随机数发生器使用一个16位LFSR来产生伪随机数，这可以被CPU读取或由选通命令处理器直接使用。例如随机数可以用作产生随机密钥，用于安全。 AES加密/解密内核允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和解密数据。这一内核能够支持IEEE802.15.4MAC安全、ZigBee网络层和应用层要求的AES操作。CC2530功能介绍看门狗

一个内置的看门狗允许CC2530在固件挂起的情况下复位自身。当看门狗定时器由软件使能，它必须定期清除；否则，当它超时就复位它就复位设备。或者它可以配置用作一个通用32-kHz定时器。调试串口 USART0和USART1每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。它们为RX和TX提供了双缓冲，以及硬件流控制，因此非常适合于高吞吐量的全双工应用。每个都有自己的高精度波特率发生器，因此可以使普通定时器空闲出来用作其他用途。无线设备 CC2530具有一个IEEE802.15.4兼容无线收发器。RF内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。

CC2530硬件系统CC2530芯片系列中使用的CPU内核是一个单周期的8051兼容内核，有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256（32/64/128/256KB闪存），CC2530其模块大致可以分为三类：CPU和内存相关模块、外设，时钟和电源管理相关模块、无线信号收发相关模块，最小系统电路如下图。ZigBee协议栈ZigBee协议栈

ZigBee协议栈ZigBee协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了PHY（物理层）和MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持层）物理层功能：ZigBee的激活；当前信道的能量检测；接收链路服务质量信息；ZigBee信道接入方式；信道频率选择；数据传输和接收介质接入控制子层(MAC)功能：网络协调器产生信标；与信标同步；支持PAN(个域网)链路的建立和断开；为设备的安全性提供支持；信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；处理和维护保护时隙(GTS)机制；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。网络层功能：网络发现；网络形成；允许设备连接；路由器初始化；设备同网络连接；直接将设备同网络连接；断开网络连接；重新复位设备；接收机同步；信息库维护。ZigBee协议栈

ZigBee协议栈体系分层协议栈体系分层架构协议栈代码文件夹硬件层目录（HAL）介质接入控制层（MAC）链路层目录（MAC和Zmac）物理层（PHY）网络层（NWK）网络层目录（NWK）网络层目录（NWK）应用支持层（APS）应用程序框架（AF）配置文件目录（Profile）和应用程序（sapi）ZigBee设备对象（ZDO）设备对象目录（ZDO）16:17

/9ZigBee协议栈

ZigBee信道

ZigBee网络为实现组网，根据IEEE802.15.4定义的两个物理层标准，分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。两者均基于直接序列扩频（DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS）技术。ZigBee使用了3个频段，定义了27个物理信道，其中868MHz频段定义了一个信道；915MHz频段附近定义了10个信道，信道间隔为2MHz；2.4GHz频段定义了16个信道，信道间隔为5MHz。16:17

/10ZigBee协议栈范围为0x0000～0xFFFF。/*Define

thedefault

PAN

ID.**Settingthis

to

avalueother

than0xFFFFcauses*ZDO_COORD

to

usethis

value

asitsPAN

IDand*Routersandenddevicesto

join

PAN

withthisID*/-DZDAPP_CONFIG_PAN_ID=0x210016:17

/11

ZigBee网络识别标号PANID

PANID其全称是PersonalAreaNetworkID，网络的ID（即网络标识符），是针对一个或多个应用的网络，用于区分不同的ZigBee网络，所有节点的PANID唯一，一个网络只有一个PANID，它是由协调器生成的，PANID是可选配置项，用来控制ZigBee路由器和终端节点要加入那个网络。PANID是一个32位标识，ZigBee协议栈ZCloudTools工具查看组网如下图：16:17

/12

ZigBee网络拓扑

ZigBee有三种网络拓扑，即星形、树形和网状网络，这三种网络拓扑在ZStack协议栈下均可实现。星形网络中，所有节点只能与协调器进行通信，而他们相互之间的通信是禁止的；树形网络中，终端节点只能与它的父节点通信，路由节点可与它的父节点和子节点通信；网状网络中，全功能节点之间是可以相互通信的。ZigBee协议栈

ZigBee物理地址物理地址是一个64位IEEE地址，即MAC地址，通常也称为长地址。64位地址是全球唯一的地址，设备将在它的生命周期中一直拥有它。它通常由制造商或者被安装时设置。这些地址由IEEE来维护和分配。16:17

/13ZigBee协议栈

ZigBee短地址16位网络地址是当设备加入网络后分配的，通常也称为短地址。它在网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据，当然不同的网络16位短地址可能相同的。每个ZigBee节点的16位短地址都是在加入到以后的ZigBee网络后被协调器随机分配的。同一个节点接入网络时间不同被分配的短地址不一定相同。协调器默认的16位短地址为0000。xLabTools工具可以获取到节点的MAC长地址如下图：16:17

/14ZigBee开发工具ZigBee开发工具

IAR开发工具CC2530内置增强型8051内核，Ti官方推荐采用IAREmbeddedWorkbenchfor8051开发环境进行软件开发，针对CC2530的ZigBee协议栈ZStack示例工程均采用IAR工具开发。IAR提供CC2530系统的设计、开发和测试的每一个阶段，包括：带有C/C++编译器和调试器的集成开发环境(IDE)、ZStack协议栈、开发套件、硬件仿真器等。16:17

/15ZigBee开发工具

FlashProgrammer工具FlashProgrammer工具是TI提供的为CC2530烧录代码的工具，通过该工具可以实现芯片的擦除和代码程序的固化，通过此工具可以实现CC2530设备代码的批量烧录。另外该工具还提供了读取CC2530的MAC地址的功能，当需要获取某个CC2530芯片的MAC地址时可以使用此工具读取。16:17

/16ZigBee开发工具

TiZigBee网络工具Ti官方为ZigBee开发提供配套的分析工具，包括Z-Tool、SensorMonitor、Packet_Sniffer。16:17

/17Z-ToolZ-Tool工具是TI提供的专门用于为用户调试ZigBee网络收发数据监视的软件，通过软件配合协议栈的相关信息采集函数，可以实现对ZigBee网络节点数据监控的目的。Z-Tool工具默认集成在ZStack协议栈内（ZStack-CC2530-2.4.0-1.4.0\Tools\Z-Tool）。ZigBee开发工具

TiZigBee网络工具16:17

/17SensorMonitorZigBee_Sensor_Monitor是TI的一款用于查看网络拓扑结构图的软件，支持星型网、树形网的动态显示，配合通过软件配合协议栈的相关信息采集函数，可以实现ZigBee网络图的展示。ZigBee开发工具

TiZigBee网络工具16:17

/17PacketSnifferPacketSniffer是一种帮助维护、故障检测和微调局域网和广域网的软件工具。这种工具观察网络段的通信量，学习掌握网络配置，对协议进行译码，提交统计数字，自动识别许多网络常见问题，并能够生成管理报告。ZigBee开发工具

ZCloudTools协议工具

ZCloudTools工具是一款企业开发一款无线传感网综合分析测试工具，提供网络拓扑图、数据包分析、传感器信息采集和控制、传感器历史数据查询等功能。分为Android端ZCloudTools和PC端ZCloudWebTools。16:17

/18ZigBee开发工具

xLabTools调试工具

通过ZigBee节点的调试串口获取节点当前配置的网络信息。当协调器连接到xLabTools工具上时可以查看网络信息和该协调器所组建的网络下的节点反馈的信息，并能