Zigbee开发技术及实践丁春强第章

第1章Zigbee概述1.1Zigbee技术概述1.2Zigbee软件开发平台1.3Zigbee硬件开发平台掌握Zigbee技术概念。

理解Zigbee技术特点。

了解常用Zigbee芯片的特点。

了解几种常见的Zigbee协议栈。

掌握Zigbee软硬件开发平台的建立和安装。

理解Zigbee与无线传感器网络的关系。

Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术。它主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输(包括典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据)。1.1Zigbee技术概述Zigbee的基础是IEEE802.15.4，但是IEEE802.15.4仅处理低级的MAC(媒体接入控制协议)层和物理层协议，Zigbee联盟对网络层协议和应用层协议进行了标准化。1.1.1Zigbee的由来和发展

1.

Zigbee名字的由来

Zigbee名字起源于蜜蜂之间传递信息的方式。蜜蜂通过一种特殊的肢体语言告知同伴新发现的事物源的位置信息，这种肢体语言是Zigzag(之字形，Z字形)舞蹈，借此意义以Zigbee作为新一代无线通信技术的命名。在此之前Zigbee也被称为HomeRFLite、RF-EasyLink或FireFly无线电技术，现在统一称为Zigbee技术。

Zigbee模块类似于移动网络的基站，通信距离从几十米到几百米，并支持无线扩展。Zigbee理论上可以是一个由65

536个无线模块组成的无线网络平台，在整个网络覆盖范围内，每一个Zigbee模块之间可以互相通信。2.

Zigbee技术的发展

2003年12月，Chipcon公司推出第一款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器CC2420，而后又有很多家公司推出与CC2420收发芯片相匹配的处理器，其中以ATMEL公司的Atmega128最成功(即常用方案是Atmega128

+

CC2420)。

2004年12月，Chipcon公司推出全球第一个IEEE802.15.4Zigbee片上系统解决方案—CC2430无线单片机，该芯片内部集成了一款增强型的8051内核以及当时业内性能卓越的射频收发器CC2420。2005年12月，Chipcon公司推出内嵌定位引擎的ZigbeeIEEE802.15.4解决方案CC2431。2006年2月，TI公司收购Chipcon公司，又相继推出一系列的Zigbee芯片，比较有代表性的片上系统有CC2530等。

TI公司在软件方面发展得比较快。2007年1月，TI公司宣布推出Zstack协议栈，目前已被全球众多Zigbee开发商所采用。Zstack协议栈符合Zigbee2006规范，支持多种平台，其中包括面向IEEE802.15.4/Zigbee的CC2430片上系统解决方案、基于CC2420收发器的新平台以及TI公司的MSP430超低功耗控制器(MCU)。除此之外，Zstack还支持具备定位感知特性的CC2431。1.1.2无线传感器网络与Zigbee的关系

1.无线传感器网络

无线传感器网络是指大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、采集和处理传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。

无线传感器网络起源于20世纪70年代，是一种特殊的无线网络，最早应用于美国军方，例如空中预警控制系统。这种原始的传感器网络只能捕获单一信号，传感器节点只能进行简单的点对点通信。1980年，美国国防部高级研究计划局提出了分布式传感器网络项目，开启了现代无线传感器网络研究的先例。此项目由美国国防部高级研究计划局信息处理技术办公室主任RobertKahn主导，并由卡耐基·梅隆大学、匹兹堡大学和麻省理工学院等大学研究人员配合，旨在建立一个由空间分布的低功耗传感器节点构成的网络。这些节点之间相互协作并自主运行，将信息送达处理的节点。

20世纪80～90年代，无线传感器网络的研究依旧主要应用于军事领域，并成为网络中心站思想中的关键技术。1994年，加州大学洛杉矶分校的WillianJ.Kaiser教授向美国国防部高级研究计划局提交了研究建议书《低功率无线集成微传感器》，以便于深入研究无线传感器网络。1998年，G.J.Pottie从网络的研究角度重新阐释了无线传感器网络的科学意义。同年，美国国防部高级研究计划局投入巨资启动SensIT项目，目标是实现“超视距”战场监测。1999年9月，美国《商业周刊》将无线传感器网络列入21世纪最重要的21项技术之一，被认为是21世纪人类信息研究领域所面临的重要挑战之一。2.无线传感器网络与Zigbee的关系

无线传感器网络的应用，一般不需要很高的带宽，但对功耗要求却很严格，大部分时间必须保持低功耗。传感器节点通常使用存储容量不大的嵌入式处理器，对协议栈的大小也有严格的限制。另外，无线传感器网络对网络安全性、节点自动配置和网络动态重组等方面也有一定的要求。无线传感器网络的特殊性对应用于该技术的协议提出了较高的要求，目前使用最广泛的无线传感器网络的物理层和MAC层协议为IEEE802.15.4。无线传感器网络与Zigbee技术之间的关系可以从两方面进行分析：一是协议标准；二是应用。其具体关系的描述如下。

从协议标准来讲，目前大多数无线传感器网络的物理层和MAC层都采用IEEE802.15.4协议标准。IEEE802.15.4描述了低速率无线个人局域网的物理层和媒体接入控制(MAC)层协议，属于IEEE802.15.4工作组，而Zigbee技术是基于IEEE802.15.4标准的无线技术。从应用上来讲，Zigbee适用于通信数据量不大、数据传输速率相对较低、成本较低的便携或移动设备。这些设备只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另外一个传感器，并能实现传感器之间的组网，实现无线传感器网络分布式、自组织和低功耗的特点。

从以上两个方面来讲，Zigbee是实现无线传感器网络应用的一种重要的技术。1.1.3Zigbee技术的特点

Zigbee可工作在2.4

GHz(全球流行)、868

MHz(欧洲流行)和915

MHz(美国流行)三个频段上，分别具有最高250

kb/s、20

kb/s和40

kb/s的传输速率，它的传输距离在10～75

m的范围内。Zigbee作为一种无线通信技术，具有以下几个特点。

1.低功耗

低功耗是Zigbee重要的特点之一。一般的Zigbee芯片有多种电源管理模式，这些企管理闭模式睬可以耐有效温地对悲节点绩的工饲作和衰休眠顽进行贤配置明，从扁而使肠得系雾统在执不工针作时并可以配关闭见射频啄部分鱼，极傅大地洁降低洋了系谊统功兰耗，交节约桑了电睛池的臣能量姑。2.低成木本Zi烘gb兔ee网络允协议甚简单父，可扶以在身计算参能力打和存争储能他力都脂很有药限的MC慎U上运肢行，锤非常豆适用晓于对侄成本致要求楚苛刻床的场阵合。轰现有获的Zi伤gb旦ee芯片萌一般君都是嗓基于80同51单片露机内卷核，喝成本央较低艰，这网对于咏一些雀需要妇布置吉大量穴无线露传感评器网柏络节仙点的射应用风是很芬重要沾的。3.大容君量Zi胃gb派ee设备固既可验以使肿用64位IE标EE网络申地址钢，又谅可以阁使用更指配想的16位网寨络短现地址饮。在窄一个目单独滨的Zi姥gb宜ee网络孙内，帜理论涛上可闷以容青纳最尸多6553量6个设贯备。4.可靠偶无线提通信怕是共根享信把道的握，因窑而面殃临着讨众多侄有线啊网络站所没锻有的魄问题锐。Zi庸gb乳ee在物头理层旬和MA愈C层采变用IE砍EE识80龙2.温15痛.4协议压，使魂用带扮时隙间或不凝带时越隙的界“载枝波检拔测多彻址访趣问/冲突本避免飘”(C稿SM逮A/起CA锡)的数晴据传鞠输方喉法，俱并与唱“确糖认和倍数据近检验泳”等宇措施枕相结盯合，吸可保辉证数惧据的煎可靠杰传输端。同时凉，为增了提飘高灵懂活性饥和支药持在便资源泊匮乏营的MC衰U上运惭行，Zi栋gb台ee支持惭三种衔安全邀模式按。最闹高级弱安全系模式帅采用紧属于挡高级银加密担标准(A枪ES摄)的对镜称密旧码和搞公开添密钥烘，可逢以大筐大提激高数聪据传惰输的遮安全组性。5.时延卖短勤针执对时比延敏线感做收了优触化，挤通信雁时延印和从朗休眠蓝状态锁激活腊的时做延都疫非常摸短。6.灵活广的网僚络拓标扑结绿构Zi寨gb卡ee支持荡星型骗、树成型和汽网状捆型拓颜扑结伏构，郊既可包以单晌跳，指又可菊以通兆过路区由实疑现多冷跳的巩数据仅传输英。1.岂1.围4Zi乒gb踪蝶ee芯片其目前酒最常居见的Zi材gb绵ee芯片键为CC怖24演3X系列盯、MC净13灾22枪X系列谁和CC游25哄3X系列基。下贴面分抖别介对绍三羡种系晨列芯揪片的寄特点止。1.CC耕24康3X系列CC铁24记30烈/C纹C2京43引1是Ch趴ip只co相n公司(已被TI收购)推出密的用砍来实免现嵌全入式Zi骨gb存ee应用音的片聋上系渴统。粪它支血持2.容4婆GH兼z捞IE充EE兴80寻2.厦15卸.4尽/Z翁ig信be塌e协议极，是告世界俭上首膝个单巩芯片Zi放gb咏ee解决英方案扇。CC樱24府30邮/C昌C2你43碗1片上租系统锁家族纲包括牙三个晒不同胞产品拣：CC均24仅30务-F宜32、CC与24尚30鼠-F魄64和CC饶24忽30池-F稿12喘8。它们叠的区冤别在栽于内馒置闪喘存的陷容量柿不同虎，以性及针艇对不代同IE驾EE捡80砖2.固15仇.4肿/Z知ig方be页e应用畅做了吐不同在的成普本优卫化。CC仓24度30弯/C糠C2房诚43碧1在单粉个芯漆片上写整合坝了Zi梁gb例ee射频彩前端钢、内龄存和浅微控珍制器呢。它希使用1个8位80赢51内核购，具洽有32废/6戒4/座12澡8硬KB可编辟程闪逢存和8KB的RA话M，还青包含悬模拟猛数字缎转换只器(A蹦DC辽)、定托时器希、AE疤S1遵28协同碰处理脾器、校看门军狗定床时器腾、32筝k映Hz晶振茂、休瓜眠模桨式定菌时器粪、上游电复跳位电摇路和呈掉电控检测桑电路膀以及21个可绞编程I/持O引脚侵。CC顽24臭30淹/C士C2方43构1芯片闯有以咬下特剪点：惠高性跌能、僵低功包耗80食51微控件制器批内核付。宴极仗高的宜灵敏宇度及醉抗干矛扰能伶力。强大材的DM帽A功能册。坦外吗围电严路只沉需极蒙少的幅外接絮元件失。攀电录流消溪耗小(当微场控制种器内姑核运探行在32新MH迷z时，RX为27mA，TX为25mA)。箭硬纯件支盈持CS存MA成/C篇A。电源耳电压喘范围耕宽(2抛.0～3.淡6则V)。眨支录持数讲字化茂接收捐信号汉强度众指示冬器/链路跃质量船指示(R块SS绸I/弓LQ抽I)。2.MC旬13去22射X系列MC勾13皇22药4是MC唯13侮22垒X系列浆的典圆型代围表，紫是飞苗思卡蚕尔公委司研屡发的会第三苹代Zi咸gb筋ee解决尝方案踢。MC昼13异22房诚4集成信了完割整的枝低功赔耗2.蜘4GH围z无线尘电收微发器痛，内似嵌了32位AR纠M7核的MC掩U，是扯高密就度、喷低元丹件数报的IE崇EE田80肠2.勺15谈.4综合疾解决阵方案壳，能软实现勉点对叉点连拖接和止完整列的Zi侍gb匪ee网状面网络伪。MC勿13匠22材4支持陆国际80胆2.羞15管.4标准枣以及Zi旱gb疼ee、Zi奇gb叔eePR尺O和Zi批gb舞eeRF翅4C找E标准邀，提供勒了优奸秀的荷接收月器灵镜敏度厌和较弦强的俱抗干吧扰性笋、多义种供冰电模装式以烈及一皆套广灵泛的堵外设蝴集(包括2个高底速UA基RT、12位AD栏C和64个通众用GP宿IO，4个定昌时器猾，I2打C等)。除弃了更艺强的MC卷U外，究还改未进了局射频霉输出穗功率越、灵惕敏度页和选澡择性括，提谷供了过超越出第一嗽代CC爱24师30的重既要性狗能改荒进，父而且闻支持屿一般司低功废耗无如线通俊信，距还可货以配犁备一拴个标港准网崭络协格议栈(Zi跨gb置ee，Zi危gb升eeRF蜻4C吐E)来简聪化开践发，铺因此镰可被盐广泛叼应用州在住捷宅区舞和商蠢业自枯动化检、工漏业控矛制、担卫生刮保健先和消批费类家电子绍等产容品中体。其白主要神特性姥如下赢：2.冬4GH五z尼IE谈EE蜻8小02迷.1摩5.命4标准件射频穿收发散器。失优秀索的接虫收器田灵敏蛛度和匠抗干口扰能送力。玻外围编电路被只需监极少辱量的奖外部换元件丈。捡支银持运拨行网翁状网瓶系统伍。12曾8摔KB系统屿可编煌程闪被存。32位AR诱M7蛾TD植MI题-S微控浮制器历内核闷。96箩K母B的SR趁AM及80严K夜B的RO里M。杰支妙持硬久件调品试。4个16位定斑时器菠及PW息M。谦红剪外发才生电骨路。32赌k币Hz的睡原眠计塑时器鸟和定氏时捕肌获。CS浅MA准/C捕A硬件真支持奴。猫精荡确的绢数字燥接收浸信号眯强度岂指示/L扬QI支持圾。漆温壮度传范感器贫。他两伤个8通道12位AD催C。AE稼S加密太安全誉协处猛理器姥。锁两窄个高障速同悬步串必口。64个通脱用I高/伍O引脚漠。恢看辩门狗慌定时息器。3.CC冒25萝3X系列CC慈25荡3X系列仰的Zi梁gb贯ee芯片避主要竹是CC赌25车30盲/C恐C2荷53据1，它霞们是CC头24应30啦/C么C2撤43扰1的升拣级，图在性称能上芹要比CC荐24樱3X系列削稳定考。CC有25坡3X系列阵芯片暂是广悼泛使茄用于2.篮4G片上牵系统意的解欺决方而案，粗建立棍在IE恭EE非80恰2.东15套.4标准骄协议臂之上聋。其保中CC究25仙30支持IE叹EE捉80异2.巧15精.4以及Zi自gb班ee、Zi欲gb俱eePR镇O和Zi姿gb燃eeRF温4C辛E标准怀，且爽提供誉了10中1dB的链戒路质蠢量指程示，摇具有步优秀技的接乡丰收器箱灵敏框度和氧强抗坑干扰齿性。CC减25妖31除了唱具有CC没25刃30强大拴的性贯能和搁功能赞外，暴还提丸供了剧全速口的US及B2节.0兼容湖操作宜，支水持5个终指端。CC怠25虚30辱/C已C2催53贪1片上丈系统判家族众包括为四个期不同凯产品获：CC滥25惰30赶-F并32、CC渗25朝30丧-F勺64、CC奏25市30尖-朴F1许28和CC色25运30磨-F杠25数6。和CC辰24术3X系列异一样作，它肾们的衔区别领在于戏内置芽闪存老的容墙量不杠同，狗以及犯针对盒不同IE普EE数80秆2.军15磁.4晋/Z朴ig捞be捐e应用刺做了匀不同麻的成再本优煎化。CC割25栽3X系列专芯片木大致早由三里部分再组成愁：CP技U和内裤存相焦关模炎块，浸外设拉、时查钟和逝电源躬管理不相关紧模块让，无睛线电僚相关摄模块驱。1)CP欧U和内料存CC甚25漏3X系列颗使用琴的80看51负CP单U内核稼是一当个单吓周期智的80祸51兼容犯内核陶。它嗓有三品个不贼同的拖存储达器访朝问总井线(S改FR、DA沉TA和CO说DE帜/X芒DA晋TA屡)，以前单周厦期访锄问SF谣R、DA防TA和SR岩AM。它缺还包般括一量个调亲试接碍口和怕一个骗中断室控制悟器。绒内存觉仲裁乘器位肤于系净统中夹心，氧因为眼它通当过SF被R总线把，把CP联U和DM甚A的控投制器苏和物链理存袭储器爷与所村有外功设连益接在厚一起润。内辟存仲断裁器瓦有四井个存逝取访剪问点撤，每缩慧次访盆问每蹄一个他可以慰映射询到这魄三个项物理弱存储皂器之罗一：8KB的SR远AM、闪云存存冲储器肢和一顶个XR迁EG咽/S苹FR寄存戴器。轨它负适责执沉行仲居裁，赤并确梯定同券时到队同一脾个物矩理存锐储器士的内巩存访绣问的柏顺序碍。8KB孟S歇RA绘M映射致到DA炒TA存储悼空间摇和XD浇AT婆A存储从空间以的某减一部闻分。8KB的SR厕AM是一锻个超茶低功煤耗的SR挂AM，当蚂数字屋部分援掉电坝时能醋够保害留自俗己的值内容长，这不对于伤低功女耗应盆用是血一个衣很重法要的遥功能抗。32舰/6形4/衫12要8/锁25疑6KB闪存虹块为卸设备泉提供沙了可衣编程偏的非脉易失经性程芽序存喝储器奶，映奶射到CO壳DE和XD袄AT腰A存储芦空间纲。除恨了保利存代师码和泰常量闷，非遍易失牧性程录序存尽储器渡允许傲应用大程序谁保存度必须冲保留章的数致据，射这样洽在设建备重断新启另动之泥后可炉以使夫用这浑些数渗据。中断摊控制凡器提裤供了18个中昂断源誓，分修为六闲个中胁断组滑，每州组与兵四个晃中断渴优先惰级相轰关。歪当设奥备从疏空闲城模式宜回到浅活动雹模式跪，也乓会发鼻出一该个中晌断服倾务请宗求。盾一些斯中断姑还可侄以从柳睡眠书模式泥唤醒技设备盗。2)时钟研和电堂源管唇理CC趁25凉3X芯片刷内置常一个16MH姿z的RC振荡弹器，霜外部拿可连遗接32MH寨z外部嚷晶振鼻。数每字内锤核和振外设宿由一旁个1.鸟8V低差女稳压师器供邻电。袍另外CC加25问3X包括休一个名电源侄管理这功能晒，可垮以实居现使尾用不柱同的第供电栋模式的，用稍于延陡长电哥池的蚕寿命关，有掩利于脑低功剩耗运捆行。3)外设CC牺25论3X系列矮芯片亚有许条多不筝同的仅外设叮，允脑许应滴用程奋序设膜计者测开发棉先进熊的应优用。供这些椒外设腔包括纽奉调试井接口则、I/臣O控制荒器、银两个8位定留时器晚、一已个16位定榆时器忘和一责个MA浆C定时俩器、AD仆C和AE概S协处绝理器旋、看耗门狗等电路刑、两伞个串薪口和US辱B(仅限隙于CC丸25麻31隙)。4)无线姜设备CC晓25差3X设备代系列计提供籍了一维个与IE折EE鞋80华2.还15浊.4兼容算的无送线收宪发器腿，在CC按25律3X内部王主要舅由RF内核慌组成安。RF内核愧提供验了MC菠U和无竞线设胶备之雅间的菌一个马接口甜，可剖以发绘出命惹令、买读取估状态容、自弄动操割作和树确定娇无线饭设备证的顺还序。狱无线桌设备千还包卫括一道个数加据包且过滤非和地趋址识谢别模悦块。1.召1.星5常见派的Zi束gb消ee协议爪栈胀常评见的Zi影gb复ee协议郑栈分简为三没种：情非开件源的盗协议举栈、演半开华源的级协议贤栈和驴开源倦的协备议栈敞。1.非开鬼源的疲协议骗栈板常售见的至非开析源的Zi挖gb躁ee协议斤栈的座解决朝方案医包括Fr准ee腿sc街al举e解决社方案溉和Mi妻cr瓦oc钟hi鱼p解决喜方案贴。Fr肉ee煌sc辽al麻e公司厦最简火单的Zi洒gb凤ee解决太方案谅就是SM漏AC协议梯，是努面向碎简单各的点店对点狮应用莲，不响涉及酱网络乖概念允。Fr雹ee踏sc碗al胃e公司们完整形的Zi殿gb稿ee协议售栈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