09 ZigBee技术概述

1ZigBee技术概述2内容摘要ZigBee技术简介ZigBee硬件(CC2530)接口介绍Z-Stack协议栈与IAR开发环境的构建ZigBee模块常用软件介绍3ZigBee技术简介4ZigBee的概念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。主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。5ZigBee的工作频段ZigBee可使用的频段有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，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。62.4GHz信道的划分ZigBee2.4GHz频段被划分为16个信道，信道间隔5MHz，每个信道带宽是2MHz7802.15.4和802.11b的共存性问题利用802.15.4的信道#15、#20、#25和#26可避免受802.11b的信道#1、#6和#11的干扰。后者的发射功率为前者的30倍。8ZigBee规范ZigBee规范是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MediaAccessControlLayer；MACLayer）。9ZigBee的版本ZigBee2004规范前后不兼容ZigBee2006规范完全向后兼容ZigBee2007规范StackProfile1：目标是消费电子产品和灯光商业应用环境StackProfile2：目标是商业和工业环境10ZigBee技术特点数据传输速率低：20Kb/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65,000个设备。时延短：通常时延都在15ms~30ms。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。有效范围小：有效覆盖范围10~75米，具体依据实际发射功率大小和各种不同的应用模式而定。传输可靠：采用碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的业务预留专用时隙。11ZigBee技术的应用12ZigBee基本概念设备类型:Coordinator(协调器)协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络ID(也称之为PANID，即PersonalAreaNetworkID)，随后启动整个网络。Router(路由器)路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的儿子终端设备的通讯。End-Device(终端设备)终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。13ZigBee基本概念网络拓扑14ZigBee基本概念ZigBee信道2.4GHz的射频频段被分为16个独立的信道。每一个设备都有一个DEFAULT_CHANLIST的默认信道集。协调器扫描自己的默认信道集并选择一个信道上噪声最小的信道作为自己所建网络的信道。终端节点和路由节点也要扫描默认信道集并选择一个信道上已经存在的网络加入。PANIDPANID指网络编号，用来区分不同的ZigBee网络。协调器是通过选择网络信道及PANID来启动一个无线网络的。PANID的有效范围为0~0x3FFF。15ZigBee基本概念IEEE物理地址每个ZigBee设备都有一个64位的IEEE长地址，即MAC地址。物理地址是在出厂时候初始化的。它是全球唯一的。当一个zigbee节点加入网络时候，它的IEEE地址不能与网络中现有节点的IEEE地址冲突且不能为0xFFFFFFFFFFFFFFFF。网络地址网络地址也称短地址，通常用16位的短地址来标识自身和识别对方，对于协调器来说，短地址始终为0x0000，对于路由器和节点来说，短地址由其所在网络中的协调器分配。16ZigBee硬件(CC2530)接口介绍17ZigBee芯片方案目前ZigBee的实现方案主要有三种：MCU和RF收发器分离的双芯片方案如：TICC2420+MSP430、FREESCLAEMC13XX+GT60、MICROCHIPMJ2440+PICMCU集成RF和MCU的单芯片SOC方案如：TICC2530/CC2531、FREESCALEMC1321X、EM250。ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案如：JENNICSOC+EEPROM、EMBER260+MCU在主要的Zigbee芯片提供商中，德州仪器(TI)的Zigbee产品线覆盖了以上三种方案，飞思卡尔、Ember、Jennic可以提供单芯片方案，Atmel、Microchip等其它厂商大都提供MCU和RF收发器分离的双芯片方案。18CC2530简介CC2530是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。19CC2530硬件接口微控制器◆高性能和低功耗的增强型8051微控制器内核；◆32/64/128/256KB系统可编程闪存、支持硬件调试；◆8KBRAM外设接口◆21个通用I/O引脚（19×4mA，2×20mA）◆2个支持多种串行通信协议的强大USART◆1个看门狗定时器；◆5通道DMA传输；◆1个IEEE802.15.4标准MAC定时器和3个通用定时器；◆1个32MHz睡眠定时器；◆1数字接收信号强度指示RSSI/LQI支持；◆8通道12位AD模数转换器，可配分辨率，内置电压、温度传感器检测；◆1个AES安全加密协处理器；20CC2530外接传感器温湿度数字传感器热释红外传感器广谱气体传感器声响开关/光敏传感器接近开关/红外反射传感器干黄门磁/霍尔开关传感器三轴加速的传感器（UC）压力传感器（UC）。。。21Z-Stack协议栈与IAR开发环境的构建22ZigBee软件协议栈freakz协议栈和contiki操作系统msstatePAN协议栈(精简版ZigBee协议栈)MicrochipZigBeeStackBeeStack(Freescale)SimpliciTI协议栈(TI)Z-Stack协议栈和OSAL操作系统(TI)TinyOS操作系统23Z-Stack协议栈简介Z-Stack是TI开发的符合ZigBee规范的业内领先的协议栈。Z-Stack协议栈特征：SimpleAPIZ-Stack协议栈扩展Z-Tools工具丰富的应用示例24ZigBee协议栈软件层次ZigBee协议栈包括IEEE802.15.4的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。ZigBee堆栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接。25ZigBee网络术语属性(Attribute)Attribute是一个反映物理数量或状态的数据实体，比如开关值（On/Off）,温度值、百分比等，通过命令可以传递给其他设备。簇(Cluster)Cluster是使用属性的命令结构体中的一个或多个属性的容器。端点(EndPoint)EndPoint是协议栈应用层的入口，它是为实现一个设备描述而定义的一组群集。每个ZigBee设备可以最多支持240这样的端点，这也意味着在每个设备上可以定义240个应用对象。端点0被保留用于与ZDO接口而端点255被保留用于广播，端点241-254则被保留用于将来做扩展使用。26属性、簇、端点的关系右图描述了属性、簇、端点三者之间的关系，以及ZigBee设备之间通信的过程。端点(EndPoint0)设备(device1)输入簇(incluster)属性(Attribute)属性(Attribute)输出簇(incluster)属性(Attribute)端点(EndPoint1)输入簇(incluster)属性(Attribute)属性(Attribute)端点(EndPoint0)设备(device2)输入簇(incluster)属性(Attribute)属性(Attribute)输出簇(incluster)属性(Attribute)端点(EndPoint1)输出簇(incluster)属性(Attribute)属性(Attribute)27ZigBee网络术语设备描述(DeviceDescription)DeviceDescription是指一个大型目标应用的一部分，包括一个或多个群集，并且指定群集(簇)是输入还是输出。配置文件(Profile)Profile可以理解为共同促成交互式应用的多个设备描述项的集合。ZigBee联盟已经定义了部分标准的配置文件，比如远程控制开关配置文件和光传感器配置文件等。用户也可以创建自己的配置文件然后递交ZigBee联盟测试、审核批准。28ZigBee网络术语寻址(Addressing)在Zigbee中，数据包可以单点传送（unicast），多点传送（multicast）或者广播传送（broadcast）。29ZigBee网络术语绑定(Binding)ZigBee定义了一个称为端点绑定的特殊过程。绑定即在源节点的某个端点（EndPoint）和目标节点的某个端点之间创建一条逻辑链路。绑定允许应用程序发送一个数据包而不需要知道目标地址。APS层从它的绑定表中确定目标地址，然后将数据继续向目标应用或者目标组发送。30Z-Stack的安装可以从TI的官网上免费下载到相关版本的协议栈安装源码包。注意Z-Stack安装文件只能在Window2000或WindowsXP上安装。装文件需要用到Microsoft.NETFramework工具31基于Z-Stack的IAR开发环境Z-Stack2006ZStack-1.4.2-1.1.0(8051IAREmbeddedWorkbenchV7.20H)ZStack-1.4.3-1.2.0(8051IAREmbeddedWorkbenchV7.30B)Z-Stack2007ZStack-2.3.0-1.4.0(8051IAREmbeddedWorkbenchV7.51H)32Z-Stack协议栈软件层次APP用户应用程序目录HAL硬件接口层目录MAC、NWK底层封装目录(无源码)MT串口操作工具目录OSAL操作系统抽象层目录ZMAIN协议栈入口目录ZDO设备对象层管理代码目录TOOL工程配置文件目录(信道、PANID)等33Z-Stack协议栈软件层次整个Z-Stack采用分层的软件结构，硬件抽象层（HAL）提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer，通用I/O口GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集。操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。34不同的设备类型协调器路由器节点设备不同的协议版本EBEB-Pro工程的选择35预编译宏Z-Stack