5-1 任务1 ZigBee协议栈点对点通信

1、任务1 ZigBee协议栈点对点通信Zigbee协议栈简介01目 录 任务：点对点通信-无线点灯02ZigBee 的特点的特点（1）数据传输速率低：只有）数据传输速率低：只有10250kb/s，专注于低传输应用。，专注于低传输应用。（2）功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通）功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用号干电池可使用6个月到个月到2年的使用时间。由于不同应用具有不同的功耗，因此具体年的使用时间。由于不同应用具有不同的功耗，因此具体的使用时间还受具体应用场合的影响。的使用时间还受具体应用场合的影响。（3）成本低：因为）成本低：因为 ZigBee数据传输速率低，协议简单，所

2、以大数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。大降低了成本。（4）网络容量大：一个）网络容量大：一个 ZigBee设备可以与设备可以与254个设备相连接，个设备相连接，一个一个 ZigBee网络可以容纳网络可以容纳65536个从设备和一个主设备，一个区个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在域内可以同时存在100个个 ZigBee网络。网络。（5）有效范围小：有效覆盖范围）有效范围小：有效覆盖范围10200m之间，具体依据实际之间，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境。通的家庭或

3、办公室环境。（6）工作频段灵活：使用的频段分别为）工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲（欧洲）及）及915MHz（美国），均为免执照频段。（美国），均为免执照频段。ZigBee无线网络通信信道分无线网络通信信道分v IEEE 802.15.4 (ZigBee)工作在工作在ISM频带，定义了两个频段频带，定义了两个频段，2.4GHz频段和频段和 896/915MHZ频带。在频带。在IEEE 802.15.4中中共规定了共规定了 27个信道：个信道：v 在在2.4GHz频段，共有频段，共有16个信道，信道通信速率为个信道，信道通信速率为250kbps;v 在在915MHz

4、频段，共有频段，共有10个信道，信道通信速率为个信道，信道通信速率为40kbps;v 在在896MHz频段，有频段，有1个信道，信道通信速率为个信道，信道通信速率为20kbps。v ISM频段信道分布图如图所示。频段信道分布图如图所示。应用领域应用领域v ZigBee技术的应用领域主要包括家庭和楼宇网络、工业控技术的应用领域主要包括家庭和楼宇网络、工业控制、公共场所、农业控制、商业和医疗等。其应用领域如制、公共场所、农业控制、商业和医疗等。其应用领域如图图所示。v ZigBee网络设备主要分为三种：网络设备主要分为三种：v 协调器（协调器（Coordinator）：协调器负责启动整个网络，它也

5、是协调器负责启动整个网络，它也是网络的第一个设备。一个网络的第一个设备。一个ZigBee网络只允许一个协调器。协调网络只允许一个协调器。协调器选择一个信道和一个网络器选择一个信道和一个网络 ID(也称之为也称之为 PAN ID，即，即 Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。，随后启动整个网络。v 路由器（路由器（Router）：主要负责无线网络数据的路由转发，参与：主要负责无线网络数据的路由转发，参与数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其他节点来扩数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其他节点来扩展网络。展网络。v 终端节点（终端节点（EndDevic

6、e）：主要负责无线网络数据的采集。：主要负责无线网络数据的采集。ZigBee设备类型ZigBee网络的拓扑结构ZigBee Coordinator（协调器）ZigBee Router（路由器）ZigBee EndDevice（终端节点）Cluster Tree串Mesh网Star星v 1、信道、信道v 2.42.4835GHz频段有频段有16个独立的信道，每个信道间隔为个独立的信道，每个信道间隔为5MHzv 1126信道：信道：v 默认为默认为11信道信道: 0 x800ZigBee基本概念 2、 PAN ID（personal area network, PAN） PANID指网络编号，用来

7、区分不同的指网络编号，用来区分不同的ZigBee网网络。协调器是通过选择网络信道及络。协调器是通过选择网络信道及PANID来启动一来启动一个无线网络的。个无线网络的。 PANID的有效范围为的有效范围为00 x3FFF。若若PAN ID参数设置为参数设置为0 xFFFF，协调器将根据自身，协调器将根据自身的的IEEE地址建立一个随机的地址建立一个随机的PAN ID分配。分配。PANID可以看做班级名称。可以看做班级名称。二 ZigBee基本概念ZigBee基本概念 3、 IEEE物理地址物理地址 每个每个ZigBee设备都有一个设备都有一个64位的位的IEEE长地址长地址，即，即MAC地址地址

8、。物理地址是在出厂时候初始化的。物理地址是在出厂时候初始化的。它是全球唯一的。它是全球唯一的。 就像身份证就像身份证ID，每个人一个。，每个人一个。 4、 网络地址网络地址 网络地址也称短地址，通常用网络地址也称短地址，通常用16位的短地址位的短地址来来标识自身和识别对方，对于协调器来说，短地址始标识自身和识别对方，对于协调器来说，短地址始终为终为0 x0000，对于路由器和节点来说，短地址由其，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。所在网络中的协调器分配。 就像学生的学号就像学生的学号二 ZigBee基本概念zigbee协议栈v 1 协议与协议栈协议与协议栈v 协议协议定义

9、的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照定义的是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的通信。这一标准进行正常的通信。v 协议栈协议栈是协议的具体实现形式，可通俗地理解为代码实现是协议的具体实现形式，可通俗地理解为代码实现的函数库，以便于开发人员调用。的函数库，以便于开发人员调用。v 2 、Zigbee的协议分为两部分：的协议分为两部分：v IEEE 802.15.4：定义了物理层和数据链路层技术规范，：定义了物理层和数据链路层技术规范，zigbee联盟：定义了网络层、安全层和应用层技术规范。联盟：定义了网络层、安全层和应用层技术规范。Zigbee协议栈：就是将各层定义的协议

10、都集合在一起，以协议栈：就是将各层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并提供一些应用层函数的形式实现，并提供一些应用层API供用户调用。供用户调用。v ZigBee 协议的体系结构协议的体系结构zigbee协议栈v 3 Zigbee协议栈开发的基本思路协议栈开发的基本思路v （1）借助）借助TI提供的协议栈中例程提供的协议栈中例程SampleApp进行二次开进行二次开发，用户不需要深入研究复杂的发，用户不需要深入研究复杂的zigbee协议栈，这样可以协议栈，这样可以减轻开发者的工作量。减轻开发者的工作量。v （2）zigbee无线传感器网络中数据采集，只需要用户在无线传感器网络中数据采集

11、，只需要用户在应用层加入传感器的读取函数和添加头文件即可实现。应用层加入传感器的读取函数和添加头文件即可实现。v （3）如果考虑节能，可以根据数据采集周期（）如果考虑节能，可以根据数据采集周期（zigbee协协议栈例程已经开发了定时程序）进行定时，时间到就唤醒议栈例程已经开发了定时程序）进行定时，时间到就唤醒zigbee终端节点，终端节点被唤醒后，自动采集传感器数终端节点，终端节点被唤醒后，自动采集传感器数据，然后将数据发给路由器或直接发给协调器，即监测节据，然后将数据发给路由器或直接发给协调器，即监测节点定时汇报监测数据。点定时汇报监测数据。v （4）协调器根据下发的控制命令，将控制信息转发

12、到具体）协调器根据下发的控制命令，将控制信息转发到具体的节点即控制节点，等待控制命令下发。的节点即控制节点，等待控制命令下发。一 zigbee协议栈简介v 4 Z-Stack协议栈的目录结构协议栈的目录结构一 zigbee协议栈简介Z-Stack协议栈软件层次 APP用户应用程序目录用户应用程序目录 HAL硬件接口层目录硬件接口层目录 MAC、NWK底层封装目录底层封装目录(无源码无源码) MT串口操作工具目录串口操作工具目录 OSAL操作系统抽象层目录操作系统抽象层目录 ZMAIN协议栈入口目录协议栈入口目录 ZDO设备对象层管理代码目录设备对象层管理代码目录 TOOL工程配置文件目录工程配

13、置文件目录(信道、信道、PANID)等等5 Z-Stack协议栈软件层次zigbee协议栈（1）App应用层目录（Application Programming Interface，API）：一般都是在App应用层目录下编写自己的应用程序源代码zigbee协议栈（2）硬件层目录（Hardware Abstract Layer，HAL）zigbee协议栈（3）介质访问控制层（Media Access Control，MAC）zigbee协议栈（4）监控调试层目录（MonitorTest，MT）zigbee协议栈（5）网络层目录（Network Layer，NWK）zigbee协议栈（6）协议栈的

14、操作系统（Operating System Abstraction Layer，OSAL）zigbee协议栈（7）应用框架层目录 (Application Farmework，AF) zigbee协议栈（8）安全层目录zigbee协议栈（9）Zigbee和802.15.4设备的地址处理函数目录zigbee协议栈（10）工程配置目录zigbee协议栈（11）Zigbee设备对象（Zigbee Device Objects，ZDO）zigbee协议栈（12）Z-Stack MAC移植层目录（Z-Stack MAC，ZMac）zigbee协议栈（13）Zigbee协议栈的主程序（Zigbee mai

15、n，ZMain）zigbee协议栈（14）输出文件目录zigbee协议栈四 ZigBee协议术语v （1）节点（）节点（device）：）：一个设备一个设备就是就是一个节点一个节点，一个设，一个设备有一个无线射频端，具有唯一的备有一个无线射频端，具有唯一的IEEE地址和网络地址。地址和网络地址。v （2）端点（端点（endpoint）：）：8位字段，描述一个射频端所支位字段，描述一个射频端所支持的不同应用。持的不同应用。0 x00：寻址文件配置；：寻址文件配置；0 xff：用来寻址所：用来寻址所有活动端点；有活动端点；0 xf10 xfe预留。预留。v 所以一个物理所以一个物理ZigBee射频

16、端在端点射频端在端点0 x010 xf0上共支持上共支持240个应用，即个应用，即一个物理信道最多可能有一个物理信道最多可能有240个虚拟信道。个虚拟信道。v 节点和端口（节点和端口（endpoint）的关系：）的关系：v 每个节点最多有每个节点最多有240个端口，每个节点所有端口共用一个个端口，每个节点所有端口共用一个发射发射/接受天线，不同节点上的端口之间可以进行通信。接受天线，不同节点上的端口之间可以进行通信。v 节点节点2上端口上端口1和端口和端口2的网络地址是相同的，仅仅通过网的网络地址是相同的，仅仅通过网络地址无法区分，所以在发送数据时不但要指定网络地址络地址无法区分，所以在发送数

17、据时不但要指定网络地址，还要指定端口号。，还要指定端口号。v 结论：结论：v 使用网络地址来区分不同的节点；使用网络地址来区分不同的节点；v 使用端口号来区分同一节点上的端口。使用端口号来区分同一节点上的端口。v ZigBee网络通信的实质就是端点到端点的数据交换。网络通信的实质就是端点到端点的数据交换。ZigBee协议术语v （3）Profile（规范）：在（规范）：在ZigBee网络中进行数据收发都网络中进行数据收发都是建立在应用规范（是建立在应用规范（Application Profile）基础上，不同）基础上，不同的应用规范规定不同的应用领域，每个应用规范都有一个的应用规范规定不同的应

18、用领域，每个应用规范都有一个ID 来标识。来标识。profIDv 应用规范是为了使不同厂商的产品可以相互兼容，这些规应用规范是为了使不同厂商的产品可以相互兼容，这些规范是由范是由ZigBee联盟定义的。联盟定义的。智能家居智能家居商业楼宇自动化商业楼宇自动化ZigBee协议术语v （4）簇（）簇（cluster）：一个）：一个ZigBee节点会有很多属性，每节点会有很多属性，每个属性都有自己的值。一个个属性都有自己的值。一个簇（簇（cluster）实际上是一些相）实际上是一些相关命令和属性的集合，这些关命令和属性的集合，这些命令和属性一起被定义为一个命令和属性一起被定义为一个应用接口。在整个网

19、络中，每个簇都被分配了一个唯一的应用接口。在整个网络中，每个簇都被分配了一个唯一的簇簇ID（clusterID）。）。v 簇的作用主要在于发送方和接收方关于通信的一种约定，簇的作用主要在于发送方和接收方关于通信的一种约定，接收方根据接收到的信息的簇接收方根据接收到的信息的簇ID来判定要对接收到的信息来判定要对接收到的信息进行怎样的处理。进行怎样的处理。v 簇可简单理解为设备的子功能数。簇可简单理解为设备的子功能数。v （5）Task ID（任务编号）：即任务（任务编号）：即任务ID，OS负责分配的，负责分配的，也就是对一个事件作一个唯一的编码，在每一个任务的初也就是对一个事件作一个唯一的编码，

20、在每一个任务的初始化函数中，必须完成的功能是要得到设置任务的任务始化函数中，必须完成的功能是要得到设置任务的任务ID。v 相当于一个任务的标识，以区分不同的任务，任务相当于一个任务的标识，以区分不同的任务，任务ID不能不能重复。重复。任务：无线点灯v 实现功能：两个实现功能：两个ZigBee节点进行点对点通信，节点进行点对点通信，ZigBee节节点点2发送发送“123”三个字符，三个字符，ZigBee节点节点1收到数据后，对收到数据后，对接收到的数据进行判断，如果收到的数据是接收到的数据进行判断，如果收到的数据是“123”，则使，则使开发板上的开发板上的LED灯闪烁。灯闪烁。任务：无线点灯v 协调器上电后，会按照编译时给定的参数，选择合适的信协调器上电后，会按照编译时给定的参数，选择合适的信道、合适的网络号，建立道、合适的网络号，建立ZigBee无线网络，这部分内容读无线网络，这部分内容读者不需要写代码实现，者不需要写代码实现，ZigBee协议栈已经实现了。协议栈已经实现了。v 终端节点上电后，会进行