09ZigBee技术概述报告优秀PPT.ppt

ZigBeeZigBee技术概述技术概述1内容摘要内容摘要nZigBee技术简介nZigBee硬件(CC2530)接口介绍nZ-Stack协议栈与IAR开发环境的构建nZigBee模块常用软件介绍2ZigBee技术简介技术简介3ZigBee的概念的概念 ZigBee是一种新兴的短距离、低困难度、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IEEE 802.15.4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限制数据传输而建立。因此它具备简洁、便利、稳定和低成本等特点。4ZigBee的工作频段的工作频段 ZigBee可运用的频段有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，而不同频段可运用的信道分别是16、1、10个。52.4GHz信道的划分信道的划分 ZigBee 2.4GHz频段被划分为16个信道，信道间隔5MHz，每个信道带宽是2MHz6和和802.11b的共存性问题的共存性问题利用利用802.15.4的信道的信道#15、#20、#25和和#26可避开受可避开受802.11b的信道的信道#1、#6和和#11的干扰。后者的放射功率为前者的的干扰。后者的放射功率为前者的30倍。倍。7ZigBee规范规范 ZigBee规范是由ZigBee Alliance所主导的标准，定义了网络层（Network Layer）、平安层（Security Layer）、应用层（Application Layer）、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）所制订的标准，则是定义了物理层（PHY Layer）及媒体存取层（Media Access Control Layer；MAC Layer）。8ZigBee的版本的版本 ZigBee 2004规范：前后不兼容 ZigBee 2006规范：完全向后兼容 ZigBee 2007规范Stack Profile 1：目标是消费电子产品和灯光商业应用环境 Stack Profile 2：目标是商业和工业环境 9ZigBee技术特点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，两节一般5号电池可运用624个月成本低：ZigBee数据传输速率低，协议简洁，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15ms30ms。平安：ZigBee供应了数据完整性检查和鉴权功能，接受AES-128加密算法。有效范围小：有效覆盖范围1075米，具体依据实际放射功率大小和各种不同的应用模式而定。传输牢靠：接受碰撞避开策略，同时为须要固定带宽的业务预留专用时隙。10ZigBee技术的应用技术的应用11ZigBee基本概念基本概念设备类型: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 PAN ID，即 Personal Area Network ID)，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，多跳路由和帮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。12ZigBee基本概念基本概念 网络拓扑网络拓扑13ZigBee基本概念基本概念ZigBee信道 2.4 GHz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。PAN ID PANID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00 x3FFF。14ZigBee基本概念基本概念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0 xFFFFFFFFFFFFFFFF。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0 x0000，对于路由器和节点来说，短地址由其所在网络中的协调器支配。15ZigBee硬件硬件(CC2530)接口介绍接口介绍16ZigBee芯片方案芯片方案目前ZigBee的实现方案主要有三种：MCU和RF收发器分别的双芯片方案如：TI CC2420+MSP430、FREESCLAE MC13XX+GT60、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU集成RF和MCU的单芯片SOC方案 如：TI CC2530/CC2531、FREESCALE MC1321X、EM250。ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案如：JENNIC SOC+EEPROM、EMBER 260+MCU 在主要的Zigbee芯片供应商中，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可以供应单芯片方案，Atmel、Microchip等其它厂商大都供应MCU和RF收发器分别的双芯片方案。17CC2530简介简介 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2.4GHz ISM波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHz DSSS(干脆序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051限制器。18CC2530硬件接口硬件接口微限制器微限制器高性能和低功耗的增加型高性能和低功耗的增加型8051微限制器内核；微限制器内核；32/64/128/256KB系统可编程闪存、支持硬件调试；系统可编程闪存、支持硬件调试；8KB RAM外设接口外设接口21 个通用个通用I/O 引脚（引脚（194 mA，220 mA）2 个支持多种串行通信协议的强大个支持多种串行通信协议的强大USART1个看门狗定时器；个看门狗定时器；5通道通道DMA传输；传输；1个个IEEE802.15.4标准标准MAC定时器和定时器和3个通用定时器；个通用定时器；1个个32MHz睡眠定时器；睡眠定时器；1数字接收信号强度指示数字接收信号强度指示RSSI/LQI支持；支持；8通道通道12位位AD模数转换器，可配辨别率，内置电压、温度传感器检测；模数转换器，可配辨别率，内置电压、温度传感器检测；1个个AES平安加密协处理器；平安加密协处理器；19CC2530外接传感器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）。20Z-Stack协议栈与协议栈与IAR开发环境的构建开发环境的构建21ZigBee软件协议栈软件协议栈freakz协议栈和contiki操作系统msstatePAN协议栈(精简版ZigBee协议栈)Microchip ZigBee StackBeeStack(Freescale)SimpliciTI协议栈(TI)Z-Stack协议栈和OSAL操作系统(TI)TinyOS操作系统22Z-Stack协议栈简介协议栈简介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：SimpleAPIZ-Stack协议栈扩展Z-Tools工具丰富的应用示例23ZigBee协议栈软件层次协议栈软件层次 ZigBee协议栈包括IEEE802.15.4的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和平安服务供应层。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供应所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层供应访问内部层参数、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。24ZigBee网络术语网络术语属性(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，通过叮嘱可以传递给其他设备。簇(Cluster)Cluster是运用属性的叮嘱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运用。25属性、簇、端点的关系属性、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。26ZigBee网络术语网络术语设备描述(Device Description)Device Description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，比如远程限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。27ZigBee网络术语网络术语寻址(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）。28ZigBee网络术语网络术语绑定(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须要知道目标地址。APS层从它的绑定表中确定目标地址，然后将数据接着向目标应用或者目标组发送。29Z-Stack的安装的安装可以从TI的官网上免费下载到相关版本的协议栈安装源码包。留意Z-Stack安装文件只能在Window2000或WindowsXP上安装。装文件须要用到Microsoft.NET Framework工具30基于基于Z-Stack的的IAR开发环境开发环境Z-Stack2006ZStack-1.4.2-1.1.0(8051 IAR Embedded Workbench V7.20H)ZStack-1.4.3-1.2.0(8051 IAR Embedded Workbench V7.30B)Z-Stack2007ZStack-2.3.0-1.4.0(8051 IAR Embedded Workbench V7.51H)31Z-Stack协议栈软件层次协议栈软件层次APP用户应用程序书目HAL硬件接口层书目MAC、NWK底层封装书目(无源码)MT串口操作工具书目OSAL操作系统抽象层书目ZMAIN协议栈入口书目ZDO设备对象层管理代码书目TOOL工程配置文件书目(信道、PANID)等32Z-Stack协议栈软件层次协议栈软件层次 整个Z-Stack接受分层的软件结构，硬件抽象层（HAL）供应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，供应各种服务的扩展集。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，供应多任务处理机制。用户可以调用OSAL供应的相关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。33不同的设备类型协调器路由器节点设备不同的协议版本EBEB-Pro工程的选择工程的选择34预编译宏 Z-Stack协议栈的代码接受了大量的预编译宏定义来模块化代码，以此来节约硬件代码空间。用户可以依据具体应用环境适当添加或删除宏定义。具体编译宏由协议栈相关文档具体说明。工程的配置工程的配置Options-C/C+Compiler-Preprocessor中查看35配置文件 在f8wConfig.cfg等配置文件中定义了工程相关的网络通讯设置。其中比较重要的是和ZigBee通信相关的信道通道的设置，和PAN ID的设置，用户可以通过更改该文件中的相关宏定义，来限制ZigBee网络的通道和PAN ID。Options-C/C+Compiler-Preprocessor中查看工程的配置36工程的编译与下载工程的编译与下载37ZigBee常用软件介绍常用软件介绍38Z-ToolZ-Tool工具集工具集Z-Tool.exeZ-Tool.exeTITI公司在公司在Z-StackZ-Stack协议栈基础上开发，与上位机串口进行通讯限制的工具，协议栈基础上开发，与上位机串口进行通讯限制的工具，可以用于程序开发、工程测试、仿真等目的。可以用于程序开发、工程测试、仿真等目的。Z-Network.exeZ-Network.exeTITI公司在公司在Z-StackZ-Stack协议栈基础上开发，与上位机串口进行通讯的工具，可以协议栈基础上开发，与上位机串口进行通讯的工具，可以查看简洁的网络拓扑结构信息。查看简洁的网络拓扑结构信息。(不包含在协议栈安装包中，需单独下载获不包含在协议栈安装包中，需单独下载获得得)ZOAD.exeZOAD.exe用于无线下载模式的工具用于无线下载模式的工具ZigBee常用软件39Z-Tool.exe运用串口与上位机软件通讯连接ZIGBEE模块工程中须要设置参数：ZTOOL_P1MT_TASK MT_ZDO_FUNC40Z-Network.exe运用串口与上位机软件通讯连接ZIGBEE模块工程中须要设置参数：ZTOOL_P1MT_TASK MT_ZDO_FUNC41Packet Sniffer协议分析仪软件SmartRF Flash Programmer闪存编程软件(修改IEEE地址)确保网络中ZigBee节点的64bits IEEE地址唯一。该软件的运用，要确保IAR工程为非调试下载模式。Zigbee Sensor Monitor（CC2530）ZigBee常用软件常用软件42协议分析仪协议分析仪运用USB仿真器连接ZIGBEE模块，上电后方可探测无线数据。43SmartRF04Prog.exe运用USB仿真器连接ZIGBEE模块，可以更改IEEE地址和烧写HEX文件。4445