Transcript 第四章ZigBee无线通

ZigBee无线通讯技术
交通物联网应用技术
教学目的


介绍ZigBee无线组网技术的基础
知识，包扩IAR集成开发环境，
ZigBee硬件接口，协议栈移植与
应用
掌握基于ZigBee无线网络的数据
传输与应用，会使用常见的
ZigBee开发工具与软件。
ZigBee技术简介

ZigBee技术概念



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。
ZigBee技术简介

ZigBee技术的工作频段与规范

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。
ZigBee技术简介

ZigBee技术特点








数据传输速率低：10KB/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。
ZigBee硬件接口介绍

常见的ZigBee硬件方案



MCU和RF收发器分离的双芯片方案如：
TI CC2420+MSP430 、FREESCLAE
MC13XX+GT60 、MICROCHIP
MJ2440+PIC MCU
集成RF和MCU的单芯片SOC方案 如：
TI CC2430/CC2431 、ST STM32W108、
FREESCALE MC1321X 、EM250。
ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案如：
JENNIC SOC+EEPROM、EMBER
260+MCU
ZigBee硬件接口介绍

CC2530处理器硬件接口

微控制器


试；
8KB RAM


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
外设接口









时器；
21个可配置通用IO引脚；
2个同步串口；
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
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；
ZigBee硬件接口介绍

STM32W ARM处理器硬件接口



STM32W是一款系统级（SoC）芯片，
整合最优异的IEEE 802.15.4射频性能与
32位ARM Cortex-M3 处理器。
STM32W系列的软件包括支持最新的
ZigBee PRO规范以及 ZigBee RF4CE
IEEE 802.15.4 MAC的软件库以及
6LoWPAN无线嵌入式互联网解决方案协
议。
处理器型号为32位STM32W108，丰富
的存储资源：128K字节Flash，8K字节
RAM。
ZigBee软件规范与IAR集成开
发环境

常见的ZigBee软件规范及协议栈







freakz协议栈和contiki操作系统
msstatePAN协议栈(精简版ZigBee协议
栈)
EmberZNet协议栈(ST)
BeeStack(Freescale )
SimpliciTI协议栈(TI)
Z-Stack协议栈和OSAL操作系统(TI)
TinyOS操作系统
ZigBee软件规范与IAR集成开
发环境

TI Z-Stack协议栈软件层次




物理层：负责将数据通过发射天线发送出去及从
天线接收数据。
介质访问控制层：提供点对点数据的确认及一些
用于网络发现和形成的命令。
网络层：主要是对网型网络的支持，如在全网范
围内发送广播包，为单播数据包选择路由，确保
数据包能够可靠的从一个节点发送到另一个节点，
此外，网络层还具有安全特性，用户可以自行选
择所需要的安全策略。
应用程序支持子层:提供一些API函数供用户调用，
此外，绑定表也是存储在应用程序支持子层。
ZigBee软件规范与IAR集成开
发环境

ST EmberZnet协议栈介绍

ZigBee协议分为两部分，
IEEE802.15.4定义了物理层和
MAC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，ZigBee协议栈就是将各个层
定义的协议都集合在一起，以函数
的形式实现，并给用户提供一些应
用层API，供用户调用。
ZigBee软件规范与IAR集成开
发环境

IAR集成开发环境的构建
设备类型
 开发板
 预编译宏
 硬件代码空间
 工程编译
 工程下载

Z-Stack协议栈开发

OSAL系统初始化流程
整个Z-Stack的主要工作流程，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。
 系统上电后，通过执行Zmain文件
夹中ZMain.c的主函数开始系统初
始化。当顺利完成上述初始化时，
执行osal_start_system()函数开
始运行OSAL系统。

Z-Stack协议栈开发

MT层任务的应用
MT模块提供了协议栈与上位机软
件交互的接口。
 它利用串口进行数据的物理传输，
并定义了串口数据包的格式，同时
定义了数据包的封装、解析与处理
方法。
 协议栈在接收到上位机串口数据包
后，将由串口回调函数调用MT层
任务进行处理。

Z-Stack协议栈开发

SampleApp无线自组网解析

协议栈自带的ZigBee无线网络自启
动(组网)样例，该实验实现的功能
主要是协调器自启动(组网)，节点
设备自动入网，之后两者建立无线
通讯
Z-Stack协议栈开发

添加用户自定义任务方法
Z-Stack协议栈以OSAL贯穿始终，
用户要添加自己的应用，需要以任
务的方式实现。
 协议栈中已经将底层的任务模块
(必要任务)完成，且留有应用层相
应的接口。
 OSAL_XXX.c文件中定义了当前工
程的任务与OSAL操作系统的函数
接口。

常见ZigBee软件应用

Z-Tools工具集使用
Z-Tool.exe
 Z-Network.exe
 ZOAD.exe

常见ZigBee软件应用

SmartRF04Programer FLASH
编程软件

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。该软件的使用，要
确保IAR工程为非调试下载模式。
ZigBee无线网络通讯实验







CC2530硬件接口实验
Z-Stack协议栈无线组网入门实验
基于ZigBee无线网的温度采集传输实
验
上位机控制ZigBee网络通讯实验
基于无线网络的数据透传实验
ZigBee Sensor 无线传感网演示实验
物联网智能交通系统之智能车辆无线
控制实训
思考题






ZigBee技术有哪些特点？
简述常见的ZigBee软硬件方案？
结合Z-Stack协议栈简述ZigBee无线
网的自启动过程？
ZigBee有哪几种设备类型？网络拓扑
是怎么样的？
ZigBee无线局域网如何与外网进行数
据交换或通讯？
如何基于ZigBee无线网搭建传感器数
据采集系统？
思考题





物联网信息感知层技术如何分类？
常见传感器的分类？
什么是电阻式传感器的压阻效应
与压阻系数？
数字型温湿度传感器的补偿算法
如何实现？
智能传感器有哪些特点？