09ZigBee技術概述報告

ZigBee技術概述1內(nèi)容摘要ZigBee技術簡介ZigBee硬件(CC2530)接口介紹Z-Stack協(xié)議棧與IAR開發(fā)環(huán)境的構建ZigBee模塊常用軟件介紹2ZigBee技術簡介3ZigBee的概念ZigBee是一種新興的短距離、低簡潔度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低本錢的無線網(wǎng)絡技術。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。ZigBee無線網(wǎng)絡主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化把握數(shù)據(jù)傳輸而建立。因此它具備簡潔、便利、穩(wěn)定和低本錢等特點。4ZigBee的工作頻段ZigBee可使用的頻段有3個，分別是2.4GHz的ISM頻段、歐洲的868MHz頻段、以及美國的915MHz頻段，而不同頻段可使用的信道分別是16、1、10個。52.4GHz信道的劃分ZigBee2.4GHz頻段被劃分為16個信道，信道間隔5MHz，每個信道帶寬是2MHz6和802.11b的共存性問題利用的信道#15、#20、#25和#26可避開受802.11b的信道#1、#6和#11的干擾。后者的放射功率為前者的30倍。7ZigBee標準ZigBee標準是由ZigBeeAlliance所主導的標準，定義了網(wǎng)絡層〔NetworkLayer〕、安全層〔SecurityLayer〕、應用層〔ApplicationLayer〕、以及各種應用產(chǎn)品的資料〔Profile〕；

而由國際電子電機工程協(xié)會〔IEEE〕所制訂的標準，則是定義了物理層〔PHYLayer〕及媒體存取層〔MediaAccessControlLayer；MACLayer〕。8ZigBee的版本ZigBee2023標準：前后不兼容ZigBee2023標準：完全向后兼容ZigBee2023標準StackProfile1：目標是消費電子產(chǎn)品和燈光商業(yè)應用環(huán)境StackProfile2：目標是商業(yè)和工業(yè)環(huán)境9ZigBee技術特點數(shù)據(jù)傳輸速率低：20Kb/秒~250Kb/秒，專注于低傳輸應用。功耗低：在低功耗待機模式下，兩節(jié)一般5號電池可使用6~24個月本錢低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡潔，所以大大降低了本錢。網(wǎng)絡容量大：網(wǎng)絡可容納65,000個設備。時延短：通常時延都在15ms~30ms。安全：ZigBee供給了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，承受AES-128加密算法。有效范圍小：有效掩蓋范圍10~75米，具體依據(jù)實際放射功率大小和各種不同的應用模式而定。傳輸牢靠：承受碰撞避開策略，同時為需要固定帶寬的業(yè)務預留專用時隙。10ZigBee技術的應用11ZigBee根本概念設備類型:Coordinator(協(xié)調(diào)器)協(xié)調(diào)器負責啟動整個網(wǎng)絡。它也是網(wǎng)絡的第一個設備。協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡ID(也稱之為PANID，即PersonalAreaNetworkID)，隨后啟動整個網(wǎng)絡。Router(路由器)路由器的功能主要是：允許其他設備參與網(wǎng)絡，多跳路由和幫助它自己的由電池供電的兒子終端設備的通訊。End-Device(終端設備)終端設備沒有特定的維持網(wǎng)絡構造的責任，它可以睡眠或者喚醒，因此它可以可以是一個電池供電設備。12ZigBee根本概念網(wǎng)絡拓撲13ZigBee根本概念ZigBee信道2.4GHz的射頻頻段被分為16個獨立的信道。每一個設備都有一個DEFAULT_CHANLIST的默認信道集。協(xié)調(diào)器掃描自己的默認信道集并選擇一個信道上噪聲最小的信道作為自己所建網(wǎng)絡的信道。終端節(jié)點和路由節(jié)點也要掃描默認信道集并選擇一個信道上已經(jīng)存在的網(wǎng)絡參與。PANIDPANID指網(wǎng)絡編號，用來區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器是通過選擇網(wǎng)絡信道及PANID來啟動一個無線網(wǎng)絡的。PANID的有效范圍為0~0x3FFF。14ZigBee根本概念IEEE物理地址每個ZigBee設備都有一個64位的IEEE長地址，即MAC地址。物理地址是在出廠時候初始化的。它是全球唯一的。當一個zigbee節(jié)點參與網(wǎng)絡時候，它的IEEE地址不能與網(wǎng)絡中現(xiàn)有節(jié)點的IEEE地址沖突且不能為0xFFFFFFFFFFFFFFFF。網(wǎng)絡地址網(wǎng)絡地址也稱短地址，通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，對于協(xié)調(diào)器來說，短地址始終為0x0000，對于路由器和節(jié)點來說，短地址由其所在網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器安排。15ZigBee硬件(CC2530)

接口介紹16ZigBee芯片方案目前ZigBee的實現(xiàn)方案主要有三種：MCU和RF收發(fā)器分別的雙芯片方案如：TICC2420+MSP430、FREESCLAEMC13XX+GT60、MICROCHIPMJ2440+PICMCU集成RF和MCU的單芯片SOC方案如：TICC2530/CC2531、FREESCALEMC1321X、EM250。ZigBee協(xié)處理器和MCU的雙芯片方案如：JENNICSOC+EEPROM、EMBER260+MCU在主要的Zigbee芯片供給商中，德州儀器(TI)的Zigbee產(chǎn)品線掩蓋了以上三種方案，飛思卡爾、Ember、Jennic可以供給單芯片方案，Atmel、Microchip等其它廠商大都供給MCU和RF收發(fā)器分別的雙芯片方案。17CC2530簡介CC2530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足以ZigBee為根底的2.4GHzISM波段應用，及對低本錢，低功耗的要求。它結合一個高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051把握器。18CC2530硬件接口微把握器 ◆ 高性能和低功耗的增加型8051微把握器內(nèi)核； ◆ 32/64/128/256KB系統(tǒng)可編程閃存、支持硬件調(diào)試； ◆ 8KBRAM外設接口 ◆ 21個通用I/O引腳〔19×4mA，2×20mA〕 ◆ 2個支持多種串行通信協(xié)議的強大USART ◆ 1個看門狗定時器； ◆ 5通道DMA傳輸； ◆ 1個標準MAC定時器和3個通用定時器； ◆ 1個32MHz睡眠定時器； ◆ 1數(shù)字接收信號強度指示RSSI/LQI支持； ◆ 8通道12位AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可配區(qū)分率，內(nèi)置電壓、溫度傳感器檢測； ◆ 1個AES安全加密協(xié)處理器；19CC2530外接傳感器溫濕度數(shù)字傳感器熱釋紅外傳感器廣譜氣體傳感器聲響開關/光敏傳感器接近開關/紅外反射傳感器干黃門磁/霍爾開關傳感器三軸加速的傳感器〔UC〕壓力傳感器〔UC〕。。。20Z-Stack協(xié)議棧與IAR開發(fā)環(huán)境的構建21ZigBee軟件協(xié)議棧freakz協(xié)議棧和contiki操作系統(tǒng)msstatePAN協(xié)議棧(精簡版ZigBee協(xié)議棧)MicrochipZigBeeStackBeeStack(Freescale)SimpliciTI協(xié)議棧(TI)Z-Stack協(xié)議棧和OSAL操作系統(tǒng)(TI)TinyOS操作系統(tǒng)22Z-Stack協(xié)議棧簡介Z-Stack是TI開發(fā)的符合ZigBee標準的業(yè)內(nèi)領先的協(xié)議棧。Z-Stack協(xié)議棧特征：SimpleAPIZ-Stack協(xié)議棧擴展Z-Tools工具豐富的應用例如23ZigBee協(xié)議棧軟件層次ZigBee協(xié)議棧包括的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡層(NWK)、應用層和安全效勞供給層。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個接口：數(shù)據(jù)實體接口和治理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層供給所需的常規(guī)數(shù)據(jù)效勞。治理實體接口的目標是向上層供給訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和治理數(shù)據(jù)的機制。從應用角度看，通信的本質(zhì)就是端點到端點的連接。24ZigBee網(wǎng)絡術語屬性(Attribute)Attribute是一個反映物理數(shù)量或狀態(tài)的數(shù)據(jù)實體，比方開關值〔On/Off〕,溫度值、百分比等，通過命令可以傳遞給其他設備。簇(Cluster)Cluster是使用屬性的命令構造體中的一個或多個屬性的容器。端點(EndPoint)EndPoint是協(xié)議棧應用層的入口，它是為實現(xiàn)一個設備描述而定義的一組群集。每個ZigBee設備可以最多支持240這樣的端點，這也意味著在每個設備上可以定義240個應用對象。端點0被保存用于與ZDO接口而端點255被保存用于播送，端點241-254則被保存用于將來做擴展使用。25屬性、簇、端點的關系右圖描述了屬性、簇、端點三者之間的關系，以及ZigBee設備之間通信的過程。26ZigBee網(wǎng)絡術語設備描述(DeviceDescription)DeviceDescription是指一個大型目標應用的一局部，包括一個或多個群集，并且指定群集(簇)是輸入還是輸出。配置文件(Profile)Profile可以理解為共同促成交互式應用的多個設備描述項的集合。ZigBee聯(lián)盟已經(jīng)定義了局部標準的配置文件，比方遠程把握開關配置文件和光傳感器配置文件等。用戶也可以創(chuàng)立自己的配置文件然后遞交ZigBee聯(lián)盟測試、審核批準。27ZigBee網(wǎng)絡術語尋址(Addressing)在Zigbee中，數(shù)據(jù)包可以單點傳送〔unicast〕，多點傳送〔multicast〕或者播送傳送〔broadcast〕。28ZigBee網(wǎng)絡術語綁定(Binding)ZigBee定義了一個稱為端點綁定的特殊過程。綁定即在源節(jié)點的某個端點〔EndPoint〕和目標節(jié)點的某個端點之間創(chuàng)立一條規(guī)律鏈路。綁定允許應用程序發(fā)送一個數(shù)據(jù)包而不需要知道目標地址。APS層從它的綁定表中確定目標地址，然后將數(shù)據(jù)連續(xù)向目標應用或者目標組發(fā)送。29Z-Stack的安裝可以從TI的官網(wǎng)上免費下載到相關版本的協(xié)議棧安裝源碼包。留意Z-Stack安裝文件只能在Window2023或WindowsXP上安裝。裝文件需要用到Microsoft.NETFramework工具30基于Z-Stack的IAR開發(fā)環(huán)境Z-Stack2023ZStack-1.4.2-1.1.0(8051IAREmbeddedWorkbenchV7.20H)ZStack-1.4.3-1.2.0(8051IAREmbeddedWorkbenchV7.30B)Z-Stack2023ZStack-2.3.0-1.4.0(8051IAREmbeddedWorkbenchV7.51H)31Z-Stack協(xié)議棧軟件層次APP用戶應用程序名目HAL硬件接口層名目MAC、NWK底層封裝名目(無源碼)MT串口操作工具名目OSAL操作系統(tǒng)抽象層名目ZMAIN協(xié)議棧入口名目ZDO設備對象層治理代碼名目TOOL工程配置文件名目(信道、PANID)等32Z-Stack協(xié)議棧軟件層次整個Z-Stack承受分層的軟件構造，硬件抽象層〔HAL〕供給各種硬件模塊的驅(qū)動，包括定時器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的應用程序接口API，供給各種效勞的擴展集。操作系統(tǒng)抽象層OSAL實現(xiàn)了一個易用的操作系統(tǒng)平臺，通過時間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實現(xiàn)任務調(diào)度，供給多任務處理機制。用戶可以調(diào)用OSAL供給的相關API進展多任務編程，將自己的應用程序作為一個獨立的任務來實現(xiàn)。33不同的設備類型協(xié)調(diào)器路由器節(jié)點設備不同的協(xié)議版本EBEB-Pro工程的選擇34預編譯宏Z-Stack協(xié)議棧的代碼承受了大量的預編譯宏定義來模塊化代碼，以此來節(jié)省硬件代碼空間。用戶可以依據(jù)具體應用環(huán)境適當添加或刪除宏定義。具體編譯宏由協(xié)議棧相關文檔具體解釋。工程的配置Options->C/C++Compiler->Preprocessor中查看35配置文件在f8wConfig.cfg等配置文件中定義了工程相關的網(wǎng)絡通訊設置。其中比較重要的是和ZigBee通信相關的信道通道的設置，和PANID的設置，用戶可以通過更改該文件中的相關宏定義，來把握ZigBee網(wǎng)絡的通道和PANID。 Options->C/C++Compiler->Preprocessor中查看工程的配置36工程的編譯與下載37ZigBee常用軟件介紹38Z-Tool工具集Z-Tool.exe TI公司在Z-Stack協(xié)議棧根底上開發(fā)