第08章ZigBee技术及其应用

1、第8章 ZigBee技术及其应用8.1 ZigBee简介ZigBee是一种新兴的短距离短距离、低复杂度低复杂度、低功耗低功耗、低数据低数据速率速率、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：数据传输速率低：10KB/秒-250KB/秒，专注于低传输应用功耗低：功耗低：在低功耗待机模式

2、下，两节普通5号电池可使用6-24个月成本低：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：网络容量大：网络可容纳65000个设备时延短：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，通信可靠网络的自组织、自愈能力强，通信可靠数据安全：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：工作频段灵活：使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执

3、照（免费）的频段低速无线设备 TV VCR DVD CD 鼠标鼠标 键盘键盘 操作杆操作杆 保安保安 HVAC 照明照明 门禁门禁 玩具玩具 游戏器具游戏器具 监视监视 诊断诊断 传感器传感器工业、农业和商业消费电子消费电子个人健康监护 监视监视 传感器传感器 自动化自动化控制控制玩具和玩具和游戏游戏家庭家庭自动化自动化PC 机的机的外围设备外围设备8.2 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远端节点远端节点一个小

4、区设置一个ZIGBEE中心节点中心节点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)nOKI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

5、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&Curitel 手机(2004年12月)n全球第一个内嵌ZigBee模块手机n可实现对家庭电灯、电脑的开关

6、和对湿度、温度的控制ZigBee产品(6)nLusora垂饰(2005年2月)n专为老人提供居家安全保障n内嵌照相机、加速计、各类传感器和收发器n配合家居其他ZigBee传感器网络ZigBee产品(7)n菲利普楼宇无线照明控制n照明开关光暗控制n可根据光线亮度自动调节n网络可随意增添传感器8.3 ZigBee的协议模型物理层物理层MAC层层网络层网络层安全层安全层应用层应用层应用支持子层应用支持子层ZigBee联盟联盟IEEE 802.15.4用户用户硬件实现硬件实现ZigBee平台通信栈平台通信栈应用层应用层实现“0”，“1”的传输。即数据链路层：解决无线资源的竞争问题;设备间无线数据链路的

7、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) 频率频率頻帶頻帶覆篕覆篕范围范围 数据传输数据传输速度速度 信道数量信道数量2.4 GHz ISM2.4 GHz ISM全球全球 250 kbps 250 kbps 16 16915 MHz ISM915 MHz ISM美洲美洲 40 kbps40 kbps 10 10868 MHz868 MH

8、z ISM ISM歐洲歐洲 20 kbps20 kbps 1 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：网络协调器：每各每各ZigBee网络必须有一个网络必须有一个.初始化网络信息初始化网络信息.全功能设备全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它可以担任网络协调者，形成网络，让其它的的FFD或是精简功能装置（或是精简功能装置（RFD）连结，）连结，FFD

9、具备控制器的具备控制器的功能，可提供信息双向传输。功能，可提供信息双向传输。 n附带由标准指定的全部附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征功能和所有特征n在空闲时起网络路由器作用。在空闲时起网络路由器作用。n也能用作终端设备也能用作终端设备精简功能设备精简功能设备(RFD)：只能传送信息给只能传送信息给FFD或从或从FFD接收信息。接收信息。 n附带有限的功能来控制成本和复杂性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。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

10、能器件 RFDRFDn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

11、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网络扫描网络扫描n装置扫描装置扫描16个信道，以确定可占用的最佳信道。个信道，以确定可占用的最佳信道。q组建组建/连接一个连接一个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。接到一个已存在的网络上。q装置搜寻装置搜寻 n装置询问网络，以在活动信道中搜寻相符的装置。装置询问网络，以在活动信道中搜寻相符的装置。q服务搜寻服务搜寻 n装置在网络内

12、搜寻可对装置提供支持的服务。装置在网络内搜寻可对装置提供支持的服务。q绑定绑定n装置间通过命令装置间通过命令/控制信息实现通信。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，再率先担任网络协调者，建立网络，再由其它的由其它的FFD或是或是RFD加入这个网络，不过加入这个网络，不过RFD只能和只能和FFD连结。连结。q根据装置在网络中的功能，预先对装置编制好程序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

13、个网络。一个网络。n路由器路由器 (一个网络中的一个网络中的mesh设备设备)的功能是通过扫描搜索，以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。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。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。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

14、集提供命令和控制特征。绑定可为指定相符的设备集提供命令和控制特征。8.4 ZigBee解决方案公司代表芯片TICC2420/CC2430/CC2431/CC2520/CC2480/CC2530(即将)Radio PulseMANGO-MG2400/MG2450 JennicJN5152MicrochipMRF24J40MAFreescaleMc13191/192AtmelAT86RF212(900Mhz)ZigBee解决方案pTI经典方案CC2430+Z-StackCC2430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

15、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。CC2430nRF/LAYOUT兼容IEEE802.15.4 的RF前端7*7mm QLP48 封装n功耗功耗低功耗（接收 27mA，发送27mA）休眠电流0.3-0.5A宽电压工作（2.0V 3.6V）n内核内核一个加强51128KB 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外设外设CSMA/CA(硬件支持)信号强度

16、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开发工具开发工具 (编译器编译器)IAR Embedded Workbench单价不超过4美元8.5 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

17、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

18、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