ZigBee技術(shù)概述

1、1.ZigBee技術(shù)概述2.內(nèi)容摘要ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介ZigBee硬件(CC2430)接口介紹Z-Stack協(xié)議棧與IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建ZigBee模塊常用軟件介紹3.ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介4.ZigBee的概念 ZigBee是一種新興的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 主要用于近距離無(wú)線(xiàn)連接。它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立。因此它具備簡(jiǎn)單、方便、穩(wěn)定和低成本等特點(diǎn)。5.ZigBee的工作頻段 ZigBee可使用的頻段有3個(gè)，分別是2.4GHz的ISM頻段

2、、歐洲的868MHz頻段、以及美國(guó)的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個(gè)。 6.ZigBee規(guī)范 ZigBee規(guī)范是由ZigBee Alliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、安全層（Security Layer）、應(yīng)用層（Application Layer）、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料（Profile）； 而由國(guó)際電子電機(jī)工程協(xié)會(huì)（IEEE）所制訂的802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理層（PHY Layer）及媒體存取層（Media Access Control Layer；MAC Layer）。7.ZigBee的版本lZigBee 200

3、4規(guī)范 前后不兼容lZigBee 2006規(guī)范 完全向后兼容lZigBee 2007規(guī)范 Stack Profile 1：目標(biāo)是消費(fèi)電子產(chǎn)品和燈光商業(yè)應(yīng)用環(huán)境 Stack Profile 2：目標(biāo)是商業(yè)和工業(yè)環(huán)境 8.ZigBee技術(shù)特點(diǎn)l 數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒250KB /秒，專(zhuān)注于低傳輸應(yīng)用。l 功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5號(hào)電池可使用624個(gè)月l 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成本。l 網(wǎng)絡(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備。l 時(shí)延短：通常時(shí)延都在15ms30ms。l 安全： ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-12

4、8加密算法。l 有效范圍?。河行Ц采w范圍1075米，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。l 傳輸可靠：采用碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專(zhuān)用時(shí)隙。9.ZigBee技術(shù)難點(diǎn)瓶頸l通訊距離l高頻設(shè)計(jì)和調(diào)試l協(xié)議棧代碼復(fù)雜辦法l內(nèi)置或外擴(kuò)ZigBee放大器芯片(CC2591)等l批量模塊化產(chǎn)品l應(yīng)用級(jí)接口封裝API10.ZigBee技術(shù)的應(yīng)用11.ZigBee基本概念l設(shè)備類(lèi)型:lCoordinator(協(xié)調(diào)器) 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。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò) ID(也稱(chēng)之為 PAN ID，即 Personal Area Network ID)

5、，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。lRouter(路由器) 路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的兒子終端設(shè)備的通訊。lEnd-Device(終端設(shè)備) 終端設(shè)備沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以可以是一個(gè)電池供電設(shè)備。12.ZigBee基本概念l網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?3.ZigBee基本概念lZigBee信道 2.4 GHz的射頻頻段被分為16個(gè)獨(dú)立的信道。每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)DEFAULT_CHANLIST的默認(rèn)信道集。協(xié)調(diào)器掃描自己的默認(rèn)信道集并選擇一個(gè)信道上噪聲最小的信道作為自己所建網(wǎng)絡(luò)的信道。終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)也要掃描默認(rèn)信道集并選擇一個(gè)信道上已經(jīng)

6、存在的網(wǎng)絡(luò)加入。lPAN ID 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(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的。 PANID的有效范圍為00 x3FFF。14.ZigBee基本概念lIEEE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(chǎng)時(shí)候初始化的。它是全球唯一的。 當(dāng)一個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)候，它的IEEE地址不能與網(wǎng)絡(luò)中現(xiàn)有節(jié)點(diǎn)的IEEE地址沖突且不能為0 xFFFFFFFFFFFFFFFF。l網(wǎng)絡(luò)地址 網(wǎng)絡(luò)地址也稱(chēng)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0 x0000

7、，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。15.ZigBee硬件(CC2430)接口介紹16.ZigBee芯片方案目前ZigBee的實(shí)現(xiàn)方案主要有三種：lMCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案如： TI CC2420+MSP430 、FREESCLAE MC13XX+GT60 、MICROCHIP MJ2440+PIC MCUl集成RF和MCU的單芯片SOC方案 如：TI CC2430/CC2431 、FREESCALE MC1321X 、EM250。lZigBee協(xié)處理器和MCU的雙芯片方案如： JENNIC SOC+EEPROM、EMBER 260+MCU 在主要的Zigbee

8、芯片提供商中，德州儀器(TI)的Zigbee產(chǎn)品線(xiàn)覆蓋了以上三種方案，飛思卡爾、Ember、Jennic可以提供單芯片方案，Atmel、Microchip等其它廠(chǎng)商大都提供MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案。17.CC2430簡(jiǎn)介 CC2430是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對(duì)低成本，低功耗的要求。 它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。18.CC2430硬件接口l 微控制器高性能和低功耗的增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核；32/64

9、/128KB系統(tǒng)可編程閃存、支持硬件調(diào)試；8KB RAMl 外設(shè)接口21個(gè)可配置通用IO引腳；2個(gè)同步串口；1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器；5通道DMA傳輸；1個(gè)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)MAC定時(shí)器和3個(gè)通用定時(shí)器；1個(gè)32MHz睡眠定時(shí)器；1數(shù)字接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI/LQI支持；8通道12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可配分辨率，內(nèi)置電壓、溫度傳感器檢測(cè)；1個(gè)AES安全加密協(xié)處理器；19.CC2430外接傳感器l 溫濕度數(shù)字傳感器l 熱釋紅外傳感器 l 廣譜氣體傳感器 l 聲響開(kāi)關(guān)/光敏傳感器 l 接近開(kāi)關(guān)/紅外反射傳感器 l 干黃門(mén)磁/霍爾開(kāi)關(guān)傳感器 l 三軸加速的傳感器（UC）l 壓力傳感器（UC）l 。

10、20.Z-Stack協(xié)議棧與IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境的構(gòu)建21.ZigBee軟件協(xié)議棧lfreakz協(xié)議棧和contiki操作系統(tǒng)lmsstatePAN協(xié)議棧(精簡(jiǎn)版ZigBee協(xié)議棧)lMicrochip ZigBee StacklBeeStack(Freescale )lSimpliciTI協(xié)議棧(TI)lZ-Stack協(xié)議棧和OSAL操作系統(tǒng)(TI)lTinyOS操作系統(tǒng)22.Z-Stack協(xié)議棧簡(jiǎn)介Z-Stack 是TI 開(kāi)發(fā)的符合ZigBee規(guī)范的業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的協(xié)議棧。Z-Stack協(xié)議棧特征：lSimpleAPIlZ-Stack協(xié)議棧擴(kuò)展lZ-Tools工具Z-Stack1.4.2版本包括新的S

11、impleAPI特征。23.ZigBee協(xié)議棧軟件層次 ZigBee協(xié)議棧包括IEEE802.15.4的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。 ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。 從應(yīng)用角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接。24.ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語(yǔ)l屬性(Attribute) Attribute是一個(gè)反映物理數(shù)量或狀態(tài)的數(shù)據(jù)實(shí)體，比如開(kāi)關(guān)值（On/Off） ,溫度值、百分比等，通過(guò)命令可以傳遞給其

12、他設(shè)備。l簇(Cluster) Cluster是使用屬性的命令結(jié)構(gòu)體中的一個(gè)或多個(gè)屬性的容器。l終端(EndPoint) EndPoint是協(xié)議棧應(yīng)用層的入口，它是為實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備描述而定義的一組群集。每個(gè)ZigBee設(shè)備可以最多支持240這樣的端點(diǎn)，這也意味著在每個(gè)設(shè)備上可以定義240個(gè)應(yīng)用對(duì)象。端點(diǎn)0被保留用于與ZDO接口而端點(diǎn)255被保留用于廣播，端點(diǎn)241-254則被保留用于將來(lái)做擴(kuò)展使用。25.ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語(yǔ)l設(shè)備描述(Device Description) Device Description是指一個(gè)大型目標(biāo)應(yīng)用的一部分，包括一個(gè)或多個(gè)群集，并且指定群集(簇)是輸入還是輸出。l

13、配置文件(Profile) Profile可以理解為共同促成交互式應(yīng)用的多個(gè)設(shè)備描述項(xiàng)的集合。 ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)定義了部分標(biāo)準(zhǔn)的配置文件，比如遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)配置文件和光傳感器配置文件等。 用戶(hù)也可以創(chuàng)建自己的配置文件然后遞交ZigBee聯(lián)盟測(cè)試、審核批準(zhǔn)。26.ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語(yǔ)l尋址(Addressing) 在Zigbee中，數(shù)據(jù)包可以單點(diǎn)傳送（unicast），多點(diǎn)傳送（multicast）或者廣播傳送（broadcast）。27.ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語(yǔ)l綁定(Binding) ZigBee定義了一個(gè)稱(chēng)為端點(diǎn)綁定的特殊過(guò)程。綁定即在源節(jié)點(diǎn)的某個(gè)端點(diǎn)（ EndPoint）和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的某個(gè)端

14、點(diǎn)之間創(chuàng)建一條邏輯鏈路。 綁定允許應(yīng)用程序發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包而不需要知道目標(biāo)地址。APS層從它的綁定表中確定目標(biāo)地址，然后將數(shù)據(jù)繼續(xù)向目標(biāo)應(yīng)用或者目標(biāo)組發(fā)送。28.Z-Stack的安裝可以從TI的官網(wǎng)上免費(fèi)下載到相關(guān)版本的協(xié)議棧安裝源碼包。注意Z-Stack安裝文件只能在Window2000或WindowsXP上安裝。裝文件需要用到Microsoft.NET Framework工具29.基于Z-Stack的IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境l Z-Stack2006l ZStack-1.4.2-1.1.0 (8051 IAR Embedded Workbench V7.20H)l ZStack-1.4.3-1.2.0

15、 (8051 IAR Embedded Workbench V7.30B)30.Z-Stack協(xié)議棧軟件層次lAPP 用戶(hù)應(yīng)用程序目錄lHAL 硬件接口層目錄lMAC、NWK 底層封裝目錄(無(wú)源碼)lMT 串口操作工具目錄lOSAL 操作系統(tǒng)抽象層目錄lZMAIN 協(xié)議棧入口目錄lZDO 設(shè)備對(duì)象層管理代碼目錄lTOOL 工程配置文件目錄(信道、PANID)l等31.Z-Stack協(xié)議棧軟件層次 整個(gè)Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)，硬件抽象層（HAL）提供各種硬件模塊的驅(qū)動(dòng)，包括定時(shí)器Timer，通用I/O口GPIO，通用異步收發(fā)傳輸器UART，模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC的應(yīng)用程序接口API，提供各種服

16、務(wù)的擴(kuò)展集。 操作系統(tǒng)抽象層OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。用戶(hù)可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。32.l不同的設(shè)備類(lèi)型l協(xié)調(diào)器l路由器l節(jié)點(diǎn)設(shè)備l不同的開(kāi)發(fā)板lEBlDB工程的選擇33.l 預(yù)編譯宏 Z-Stack協(xié)議棧的代碼采用了大量的預(yù)編譯宏定義來(lái)模塊化代碼，以此來(lái)節(jié)省硬件代碼空間。用戶(hù)可以根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境適當(dāng)添加或刪除宏定義。 具體編譯宏由協(xié)議棧相關(guān)文檔詳細(xì)解釋。Options-C/C+Compiler-Preprocessor中查看工程的配置34.l 配置文件 在f8wC

17、onfig.cfg等配置文件中定義了工程相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)置。其中比較重要的是和ZigBee通信相關(guān)的信道通道的設(shè)置，和PAN ID的設(shè)置，用戶(hù)可以通過(guò)更改該文件中的相關(guān)宏定義，來(lái)控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通道和PAN ID。Options-C/C+Compiler-Preprocessor中查看工程的配置35.工程的編譯與下載36.ZigBee常用軟件介紹37.lZ-Tool工具集lZ-Tool.exeTI公司在Z-Stack協(xié)議?；A(chǔ)上開(kāi)發(fā)，與上位機(jī)串口進(jìn)行通訊控制的工具，可以用于程序開(kāi)發(fā)、工程測(cè)試、仿真等目的。lZ-Network.exeTI公司在Z-Stack協(xié)議?；A(chǔ)上開(kāi)發(fā)，與上位機(jī)串口進(jìn)行通訊的工具，可以查看簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息。(不包含在協(xié)議棧安裝包中，需單獨(dú)下載獲取)lZOAD.exe用于無(wú)線(xiàn)下載模式的工具ZigBee常用軟件38.Z-Tool.exe使用串口與上位機(jī)軟件通訊連接ZIGBEE模塊工程中需要設(shè)置參數(shù)：ZTOOL_P1MT_TASK MT_ZDO_FUNC39.Z-Network.exe使用串口與上位機(jī)軟件通訊連接ZIGBEE模塊工程中需要設(shè)置參數(shù)：ZTOOL_P1MT_T