ZigBee技术及其应用

ZigBee技 术 及 其 应 用 主 要 内 容n 什 么 是 ZigBeen ZigBee应 用 场 景n ZigBee的 协 议 模 型n ZigBee的 解 决 方 案n 应 用 ZigBee进 行 电 子 信 息 系 统 开 发 什 么 是 ZigBee ? ZigBee是 一 种 新 兴 的 短 距 离 、 低 复 杂 度 、 低 功 耗 、 低 数 据速 率 、 低 成 本 的 无 线 网 络 技 术 。 物 理 层 协 议 ： IEEE 802.15.4， 采 用 直 接 序 列 扩 频 技 术 。 可用 的 频 段 有 3个 ， 分 别 是 2.4GHz的 ISM频 段 、 欧 洲 的 868MHz频段 、 以 及 美 国 的 915MHz频 段 。 应 用 领 域 ： 工 业 控 制 、 消 费 性 电 子 设 备 、 汽 车 自 动 化 、 家 庭和 楼 宇 自 动 化 、 医 用 设 备 控 制 等 。 无 线 网 络 标 准 的 比 较 无 线 网 络 标 准 的 比 较 ZigBee的 技 术 优 势数 据 传 输 速 率 低 ： 10KB/秒 -250KB/秒 ， 专 注 于 低 传 输 应 用功 耗 低 ： 在 低 功 耗 待 机 模 式 下 ， 两 节 普 通 5号 电 池 可 使 用 6-24个 月成 本 低 ： ZigBee数 据 传 输 速 率 低 ， 协 议 简 单 ， 所 以 大 大 降 低了 成 本网 络 容 量 大 ： 网 络 可 容 纳 65000个 设 备时 延 短 ： 典 型 搜 索 设 备 时 延 为 30ms， 休 眠 激 活 时 延 为 15ms， 活 动 设 备 信 道 接 入 时 延 为 15ms。网 络 的 自 组 织 、 自 愈 能 力 强 ， 通 信 可 靠数 据 安 全 ： ZigBee提 供 了 数 据 完 整 性 检 查 和 鉴 权 功 能 ， 采 用AES-128加 密 算 法 （ 美 国 新 加 密 算 法 ， 是 目 前 最 好 的 文 本 加 密算 法 之 一 ） ， 各 个 应 用 可 灵 活 确 定 其 安 全 属 性工 作 频 段 灵 活 ： 使 用 频 段 为 2.4GHz、 868MHz（ 欧 洲 ） 和 915MHz（ 美 国 ） ， 均 为 免 执 照 （ 免 费 ） 的 频 段 主 要 内 容n 什 么 是 ZigBeen ZigBee应 用 场 景n ZigBee的 协 议 模 型n ZigBee的 解 决 方 案n 应 用 ZigBee进 行 电 子 信 息 系 统 开 发 低 速 无 线 设 备 TV VCR DVD CD 鼠 标 键 盘 操 作 杆 保 安 H VAC 照 明 门 禁 玩 具 游 戏 器 具 监 视 诊 断 传 感 器 工 业 、 农 业和 商 业 消 费 电 子个 人健 康 监 护 监 视 传 感 器 自 动 化 控 制 玩 具 和游 戏 家 庭自 动 化 PC 机 的外 围 设 备ZigBee的 应 用 场 景 结 合 Zigbee和 GPRS的 无 线 数 据 传 输 网 络 基 于 Zigbee技 术 的 无 线 智 能 家 居 基 于 ZigBee技 术 的 无 线 三 表 远 程 抄 表 系 统采 用 MESH网 状 网 络 结 构 ， 保 证 数 据 传 输 的 可 靠 性每 幢 单 元 楼 设 置 一 个 ZIGBEE远 端 节 点 一 个 小 区 设 置 一 个 ZIGBEE中 心 节 点ZIGBEE中 心 节 点 数 据 通 过 GPRS/CDMA或 ADSL上 传 到 集 抄 中 心 基 于 ZigBee技 术 的 水 文 水 利 监 测 无 线 数 据 传 输 网 络 ZigBee智 能 交 通 控 制 系 统 无 线 通 信 方 案 ZigBee智 能 交 通 控 制 系 统 无 线 通 信 方 案 ZigBee产 品 (1)n 日 本 OKI太 阳 能 电 池 的 ZigBee传 感 器 网 络实 验 机 (2005年 1月 ）n 目 的 ：n 测 定 ZigBee电 波 传 播 特 性n 测 定 太 阳 能 电 池 供 电 性 能 n 测 定 移 动 装 置 定 位 性 能n 推 进 利 用 ZigBee构 筑 无 所 不 在 的 传 感 器 网 络 ZigBee产 品 (1) ZigBee产 品 (2)n OKI的 ZigBee生 物 传感 器 节 点 (2005年 2月 )n 应 用 在 医 院 等 医 疗 单位n 患 者 实 时 身 体 状 况 信息 通 过 ZigBee网 络 传送 给 医 生 或 护 理 师 ZigBee产 品 (3)n 日 立 的 压 力 检 测 传 感器 (2004年 12月 )n 用 于 大 型 机 械 和 建 筑物 的 安 全 监 控n 支 持 ZigBee规 格 ， 通信 距 离 达 100米 n 每 5分 钟 通 信 一 次 ， 1节 5号 锂 电 池 可 工 作 3年 以 上 ZigBee产 品 (4)n 三 菱 的 ZigBee无 线 传感 器 (2004年 10月 )n 尺 寸 ： 5.4cm x 4.4cm x 0.8cmn 传 感 器 模 块 配 备 温 度 、湿 度 、 加 速 度 、 光 照度 、 紫 外 线 、 人 体 感应 及 声 压 传 感 器 n 用 于 家 庭 保 安 系 统 ZigBee产 品 (5)n 韩 国 Pantech设 备 间 无 线 数 据 链 路 的 建 立 、 维 护 和 结 束 。路 由 ， 保 证 网 络 内 的 点 到 点 的 数 据 传 输 。对 数 据 进 行 加 密 ， 保 证 数 据 的 完 整 性 。 物 理 层 (1)n 遵 循 IEEE802.15.4协 议 。n 物 理 层 是 协 议 的 最 底 层 ， 承 付 着 和 外 界直 接 作 用 的 任 务 。n 主 要 目 的 ： 控 制 RF收 发 器 工 作 。n 调 制 方 式 ： 扩 频 通 信n 信 号 传 输 距 离 ： 50m（ 室 内 ） ，150m（ 室 外 ） 。 物 理 层 (2) 频 率 頻 帶 覆 篕 范 围 数 据 传 输 速 度 信 道 数 量2.4 GHz ISM 全 球 250 kbps 16915 MHz ISM 美 洲 40 kbps 10868 MHz ISM 歐 洲 20 kbps 1 物 理 层 (3) MAC层 (1)n 遵 循 IEEE802.15.4协 议n 负 责 设 备 间 无 线 数 据 链 路 的 建 立 、 维 护和 结 束n 确 认 模 式 的 数 据 传 送 和 接 收n 可 选 时 隙 ， 实 现 低 延 迟 传 输n 支 持 各 种 网 络 拓 扑 结 构 n 网 络 中 每 个 设 备 为 16位 地 址 寻 址 MAC层 (2) ZigBee网 络 中 的 三 种 设 备 类 型网 络 协 调 器 ： 每 各 ZigBee网 络 必 须 有 一 个 .初 始 化 网 络 信 息 .全 功 能 设 备 (FFD)： 可 以 担 任 网 络 协 调 者 ， 形 成 网 络 ， 让 其 它的 FFD或 是 精 简 功 能 装 置 （ RFD） 连 结 ， FFD具 备 控 制 器 的功 能 ， 可 提 供 信 息 双 向 传 输 。 n 附 带 由 标 准 指 定 的 全 部 802.15.4 功 能 和 所 有 特 征 n 在 空 闲 时 起 网 络 路 由 器 作 用 。n 也 能 用 作 终 端 设 备精 简 功 能 设 备 (RFD)： 只 能 传 送 信 息 给 FFD或 从 FFD接 收 信 息 。 n 附 带 有 限 的 功 能 来 控 制 成 本 和 复 杂 性n 在 网 络 中 通 常 用 作 终 端 设 备 。 n 全 功 能 器 件 FFD = RFD+Routern 可 工 作 于 所 有 网 络 结 构n 可 作 为 网 络 协 调 器n 可 与 网 络 中 任 何 节 点 通 信 n 简 化 功 能 器 件 RFDn 仅 可 和 网 络 中 的 FFD通 信n 不 能 作 为 网 络 协 调 器ZigBee CoordinatorZigBee FFDZigBee RFDCluster Tree串 Mesh网Star星 MAC层 (4)n 周 期 性 的 数 据 通 信n 由 用 户 决 定 周 期 的 长 短n 如 ： 烟 雾 传 感 器n 间 歇 性 的 数 据 通 信n 由 用 户 或 外 界 事 件 引 发 决 定 间 歇 长 短 n 如 ： 电 灯 开 关n 重 复 而 快 速 反 应 的 数 据 通 信n 指 定 固 定 的 时 隙 进 行 通 信n 如 ： 鼠 标 、 键 盘 网 络 及 安 全 层n 建 立 新 的 网 络n 处 理 节 点 的 进 入 和 离 开 网 络n 根 据 网 络 类 型 设 置 节 点 的 协 议 堆 栈n 使 网 络 协 调 器 对 节 点 分 配 地 址n 保 证 节 点 之 间 的 同 步n 提 供 网 络 的 路 由 n 保 证 数 据 的 完 整 性n 使 用 可 选 的 AES-128对 通 信 加 密 应 用 支 持 层 及 应 用 层n 应 用 支 持 层 维 持 器 件 的 功 能 属 性n 应 用 支 持 层 发 现 该 器 件 工 作 空 间 中 其 他器 件 的 工 作n 应 用 支 持 层 根 据 服 务 和 需 求 使 多 个 器 件之 间 进 行 通 信n 应 用 层 主 要 根 据 具 体 应 用 由 用 户 开 发 无 线 组 网 基 础q 网 络 扫 描n 装 置 扫 描 16个 信 道 ， 以 确 定 可 占 用 的 最 佳 信 道 。q 组 建 /连 接 一 个 PANn 装 置 可 在 自 由 信 道 上 组 建 一 个 网 络 （ 协 调 器 ） 或 连接 到 一 个 已 存 在 的 网 络 上 。q 装 置 搜 寻 n 装 置 询 问 网 络 ， 以 在 活 动 信 道 中 搜 寻 相 符 的 装 置 。q 服 务 搜 寻 n 装 置 在 网 络 内 搜 寻 可 对 装 置 提 供 支 持 的 服 务 。q 绑 定n 装 置 间 通 过 命 令 /控 制 信 息 实 现 通 信 。 形 成 ZigBee 网 络 的 方 法一 个 网 络 的 形 成 ， 必 须 由 FFD率 先 担 任 网 络 协 调 者 ， 建 立 网 络 ， 再由 其 它 的 FFD或 是 RFD加 入 这 个 网 络 ， 不 过 RFD只 能 和 FFD连 结 。q 根 据 装 置 在 网 络 中 的 功 能 ， 预 先 对 装 置 编 制 好 程 序n 协 调 器 的 功 能 是 通 过 扫 描 搜 索 ， 以 发 现 一 个 未 用 的 信 道 来 启 动一 个 网 络 。n 路 由 器 (一 个 网 络 中 的 mesh设 备 )的 功 能 是 通 过 扫 描 搜 索 ， 以发 现 一 个 激 活 的 信 道 并 将 其 连 接 ， 然 后 允 许 其 它 装 置 连 接 。 n 终 端 装 置 的 功 能 总 是 试 图 连 接 到 一 个 已 存 在 的 网 络 。q 装 置 搜 索 网 络 中 能 提 供 完 整 服 务 的 其 它 装 置n 允 许 网 络 中 的 任 何 装 置 可 对 服 务 搜 索 进 行 初 始 化 。q 将 装 置 与 可 提 供 完 整 服 务 的 其 它 装 置 进 行 绑 定 n 绑 定 可 为 指 定 相 符 的 设 备 集 提 供 命 令 和 控 制 特 征 。 主 要 内 容n 什 么 是 ZigBeen ZigBee应 用 场 景n ZigBee的 协 议 模 型n ZigBee的 解 决 方 案n 应 用 ZigBee进 行 电 子 信 息 系 统 开 发 ZigBee解 决 方 案公 司 代 表 芯 片TI CC2420/CC2430/CC2431/CC2520/CC2480/CC2530(即将 )Radio Pulse MANGO-MG2400/MG2450 Jennic JN5152Microchip MRF24J40MAFreescale Mc13191/192Atmel AT86RF212(900Mhz) ZigBee解 决 方 案pTI经 典 方 案 CC2430+Z-Stack CC2430芯 片Z-stack协 议 软 件 ， 类 似于 TCP/IP的 实 现物 理 层 芯 片 ， 类似 于 网 卡 芯 片CC2430是 系 统 级 芯 片 (SoC) ，在 单 个 芯 片 上 集 成 了 ZigBee RF前端 、 内 存 和 微 控 制 器 。Z-Stack ZigBee协 议 栈 ， 是 一个 软 件 包 ， 提 供 一 套 C函 数 ， 应 用程 序 通 过 函 数 调 用 实 现 期 望 的 通讯 功 能 。 CC2430n RF/LAYOUT 兼 容 IEEE802.15.4 的 RF前 端 7*7mm QLP48 封 装n 功 耗 低 功 耗 （ 接 收 27mA， 发 送 27mA） 休 眠 电 流 0.3-0.5A 宽 电 压 工 作 （ 2.0V 3.6V）n 内 核 一 个 加 强 51 128KB FALSH（ 另 有 32K、 64K可 选 ） 8KB RAM（ 4KB 可 以 全 模 式 工 作 ） DMA功 能 自 带 看 门 狗 一 个 IEEE802.15.4 MAC定 时 器 支 持 硬 件 调 试 n外 设CSMA/CA(硬 件 支 持 )信 号 强 度 自 动 生 成电 源 、 温 度 管 理12位 ADC128位 AES加 密 处 理两 个 全 功 能 串 口21 个 I/On开 发 工 具 (编 译 器 )IAR Embedded Workbench单 价 不 超 过 4美 元 主 要 内 容n 什 么 是 ZigBeen ZigBee应 用 场 景n ZigBee的 协 议 模 型n ZigBee的 解 决 方 案n 应 用 ZigBee进 行 电 子 信 息 系 统 开 发 应 用 ZigBee进 行 电 子 信 息 系 统 开 发n 快 速 开 发 利 用 ZigBee串 口 模 块具 备 中 继 路 由 和 终 端 设 备 功 能 ；最 大 视 距 传 输 距 离 2000米 ；广 播 发 送 或 目 标 地 址 发 送 模 式 可 选 ；中 心 节 点 、 路 由 节 点 、 终 端 节 点 可 任 设 ；星 型 网 、 树 型 网 、 链 型 网 、 网 状 网 ；16信 道 可 选 ， 65535个 网 络 ID可 任 意 设 置 ；缺 点 ： 成 本 高 ,体 积 大 ！降 低 成 本 ： 根 据 需 求 设 计 软 硬 件 ！ 开 发 工 具 1 开 发 套 件 开 发 工 具 2编 译 器 IARn CC2430可 以 使 用 KEIL/IAR开 进 行 开 发 .支 持 C,汇 编 等 语 言 .但 是 建 议 使 用 IAR软 件 .原 因 有 两 点 : TI Z-Stack协 议 栈 使 用 IAR开 发 完 成 ,要 使 用免 费 的 ZigBee协 议 ,就 要 使 用 IAR. 使 用 IAR才 能 获 得 其 他 技 术 支 持IAR入 门 打开存在的项目 创建一个新项目 保存项目 添加源文件添 加 一 个 存 在 的 源 文 件 新建源文件 编写代码 保存源文件 选择芯片型号 选择防真方式 选择防真器的接口方式 编 译 连 接 查看信息窗口 调试 nZ-Stack采 用 操 作 系 统 的 思 想 来 构 建 ， 采 用 事 件 轮 循 机 制 ， 当 各层 初 始 化 之 后 ， 系 统 进 入 低 功 耗 模 式 ， 当 事 件 发 生 时 ， 唤 醒 系 统 ，开 始 进 入 中 断 处 理 事 件 ， 结 束 后 继 续 进 入 低 功 耗 模 式 。n如 果 同 时 有 几 个 事 件 发 生 ， 判 断 优 先 级 ， 逐 次 处 理 事 件 。n 整 个 Z-stack的 主 要 工 作 流 程 ， 大 致 分 为 系 统 启 动 ， 驱 动 初 始化 ， OSAL初 始 化 和 启 动 ， 进 入 任 务 轮 循 几 个 阶 段 ， 下 面 将 逐 一详 细 分 析 。 Z-Stack协 议 栈 工 作 流 程 Z-Stack系 统 运 行 流 程 图 ZSEG int main( void ) /主 函 数 例 子 （ 即 启 动 程 序 ） osal_int_disable( INTS_ALL ); / 关 闭 中 断 HAL_BOARD_INIT(); / 初 始 化 HAL zmain_vdd_check() ; /电 压 检 测 zmain_ram_init(); / 初 始 化 stack存 储 区 InitBoard( OB_COLD ); /初 始 化 板 载 IO HalDriverInit(); /初 始 化 HAL驱 动 osal_nv_init( NULL ); /初 始 化 NV系 统 zmain_ext_addr(); /确 定 MAC地 址 zgInit(); /初 始 化 基 本 NV条 目 ZMacInit(); /初 始 化 MAC afInit();/初 始 化 AF osal_init_system(); /初 始 化 操 作 系 统 osal_int_enable( INTS_ALL ); / 允 许 中 断 InitBoard( OB_READY );/初 始 化 开 发 板 zmain_dev_info(); /显 示 设 备 信 息 zmain_lcd_init(); /液 晶 初 始 化 osal_start_system(); /启 动 操 作 系 统 应 用 程 序 任 务n Z-stack的 任 何 一 个 子 系 统 都 作 为 OSAL的一 个 任 务 ， 因 此 在 开 发 应 用 层 的 时 候 ，必 须 通 过 创 建 OSAL任 务 来 运 行 应 用 程 序 。通 过 osalInitTasks( )函 数 创 建 OSAL任 务 n 任 何 OSAL任 务 必 须 分 为 两 步 ： 一 是 进 行任 务 初 始 化 ； 二 是 处 理 任 务 事 件 。 其 实现 机 制 参 考 “ 多 线 程 TCP/IP聊 天 程 序 ” 进 一 步 学 习 建 议n 购 买 CC2430开 发 套 件 一 套 （ 700元 以 内 ）n 走 读 并 调 试 所 有 例 程 。n 通 过 此 过 程 可 获 得 知 识 ： 单 片 机 （ CC2430内 嵌 51内 核 ） 嵌 入 式 操 作 系 统 的 使 用 通 信 软 件 的 C程 序 开 发 技 术 。 n 真 正 的 嵌 入 式 软 件 工 程 师 （ C程 序 ）