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ZigBee 无线通讯技术

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。

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ZigBee 无线通讯技术

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Presentation Transcript

  1. ZigBee无线通讯技术 交通物联网应用技术

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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

  7. ZigBee硬件接口介绍 • CC2530处理器硬件接口 • 微控制器 • 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、支持硬件调试； • 8KB RAM • 外设接口 • 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个通用定时器； • 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；

  8. 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。

  9. 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

  10. 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。

  11. 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。

  12. 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

  13. 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。

  14. 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。

  15. 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

  16. 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。

  17. 常见ZigBee软件应用 • Z-Tools工具集使用 • Z-Tool.exe • Z-Network.exe • ZOAD.exe

  18. 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。

  19. 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

  20. 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？

  21. 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？

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