09ZigBee技術(shù)概述報(bào)告

ZigBee技術(shù)概述1內(nèi)容摘要ZigBee技術(shù)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(gòu)建ZigBee模塊常用軟件介紹2ZigBee技術(shù)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(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)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無線網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。4ZigBee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、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(gè)。52.4GHz信道的劃分ZigBee2.4GHz頻段被劃分為16個(gè)信道，信道間隔5MHz，每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是由ZigBeeAlliance所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，定義了網(wǎng)絡(luò)層〔NetworkLayer〕、安全層〔SecurityLayer〕、應(yīng)用層〔ApplicationLayer〕、以及各種應(yīng)用產(chǎn)品的資料〔Profile〕；

而由國際電子電機(jī)工程協(xié)會〔IEEE〕所制訂的標(biāo)準(zhǔn)，則是定義了物理層〔PHYLayer〕及媒體存取層〔MediaAccessControlLayer；MACLayer〕。8ZigBee的版本ZigBee2023標(biāo)準(zhǔn)：前后不兼容ZigBee2023標(biāo)準(zhǔn)：完全向后兼容ZigBee2023標(biāo)準(zhǔn)StackProfile1：目標(biāo)是消費(fèi)電子產(chǎn)品和燈光商業(yè)應(yīng)用環(huán)境StackProfile2：目標(biāo)是商業(yè)和工業(yè)環(huán)境9ZigBee技術(shù)特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸速率低：20Kb/秒~250Kb/秒，專注于低傳輸應(yīng)用。功耗低：在低功耗待機(jī)模式下，兩節(jié)一般5號電池可使用6~24個(gè)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(luò)容量大：網(wǎng)絡(luò)可容納65,000個(gè)設(shè)備。時(shí)延短：通常時(shí)延都在15ms~30ms。安全：ZigBee供給了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)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(shí)際放射功率大小和各種不同的應(yīng)用模式而定。傳輸牢靠：承受碰撞避開策略，同時(shí)為需要固定帶寬的業(yè)務(wù)預(yù)留專用時(shí)隙。10ZigBee技術(shù)的應(yīng)用11ZigBee根本概念設(shè)備類型:Coordinator(協(xié)調(diào)器)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動整個(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(也稱之為PANID，即PersonalAreaNetworkID)，隨后啟動整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。Router(路由器)路由器的功能主要是：允許其他設(shè)備參與網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和幫助它自己的由電池供電的兒子終端設(shè)備的通訊。End-Device(終端設(shè)備)終端設(shè)備沒有特定的維持網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造的責(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。12ZigBee根本概念網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?3ZigBee根本概念ZigBee信道2.4GHz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)存在的網(wǎng)絡(luò)參與。PANIDPANID指網(wǎng)絡(luò)編號，用來區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器是通過選擇網(wǎng)絡(luò)信道及PANID來啟動一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)的。PANID的有效范圍為0~0x3FFF。14ZigBee根本概念I(lǐng)EEE物理地址每個(gè)ZigBee設(shè)備都有一個(gè)64位的IEEE長地址，即MAC地址。物理地址是在出廠時(shí)候初始化的。它是全球唯一的。當(dāng)一個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)參與網(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0xFFFFFFFFFFFFFFFF。網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址也稱短地址，通常用16位的短地址來標(biāo)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(diǎn)來說，短地址由其所在網(wǎng)絡(luò)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(shí)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(yīng)用，及對低本錢，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHzDSSS(直接序列擴(kuò)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(shè)接口 ◆ 21個(gè)通用I/O引腳〔19×4mA，2×20mA〕 ◆ 2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART ◆ 1個(gè)看門狗定時(shí)器； ◆ 5通道DMA傳輸； ◆ 1個(gè)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)字接收信號強(qiáng)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(gè)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(guān)/光敏傳感器接近開關(guān)/紅外反射傳感器干黃門磁/霍爾開關(guān)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)的業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的協(xié)議棧。Z-Stack協(xié)議棧特征：SimpleAPIZ-Stack協(xié)議棧擴(kuò)展Z-Tools工具豐富的應(yīng)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(luò)層(NWK)、應(yīng)用層和安全效勞供給層。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和治理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層供給所需的常規(guī)數(shù)據(jù)效勞。治理實(shí)體接口的目標(biāo)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(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。24ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語屬性(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，比方開關(guān)值〔On/Off〕,溫度值、百分比等，通過命令可以傳遞給其他設(shè)備。簇(Cluster)Cluster是使用屬性的命令構(gòu)造體中的一個(gè)或多個(gè)屬性的容器。端點(diǎn)(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)用對象。端點(diǎn)0被保存用于與ZDO接口而端點(diǎn)255被保存用于播送，端點(diǎn)241-254則被保存用于將來做擴(kuò)展使用。25屬性、簇、端點(diǎn)的關(guān)系右圖描述了屬性、簇、端點(diǎn)三者之間的關(guān)系，以及ZigBee設(shè)備之間通信的過程。26ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語設(shè)備描述(DeviceDescription)DeviceDescription是指一個(gè)大型目標(biāo)應(yīng)用的一局部，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。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)定義了局部標(biāo)準(zhǔn)的配置文件，比方遠(yuǎn)程把握開關(guān)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(zhǔn)。27ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語尋址(Addressing)在Zigbee中，數(shù)據(jù)包可以單點(diǎn)傳送〔unicast〕，多點(diǎn)傳送〔multicast〕或者播送傳送〔broadcast〕。28ZigBee網(wǎng)絡(luò)術(shù)語綁定(Binding)ZigBee定義了一個(gè)稱為端點(diǎn)綁定的特殊過程。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)端點(diǎn)之間創(chuàng)立一條規(guī)律鏈路。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)連續(xù)向目標(biāo)應(yīng)用或者目標(biāo)組發(fā)送。29Z-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。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(yīng)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(shè)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(gè)Z-Stack承受分層的軟件構(gòu)造，硬件抽象層〔HAL〕供給各種硬件模塊的驅(qū)動，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，供給各種效勞的擴(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，通過時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，供給多任務(wù)處理機(jī)制。用戶可以調(diào)用OSAL供給的相關(guān)API進(jìn)展多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。33不同的設(shè)備類型協(xié)調(diào)器路由器節(jié)點(diǎn)設(shè)備不同的協(xié)議版本EBEB-Pro工程的選擇34預(yù)編譯宏Z-Stack協(xié)議棧的代碼承受了大量的預(yù)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(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(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PANID的設(shè)置，用戶可以通過更改該文件中的相關(guān)宏定義，來把握ZigBee網(wǎng)絡(luò)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)