《物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計與應用開發(fā)》課件5-1 任務1 ZigBee協(xié)議棧點對點通信

Zigbee協(xié)議棧簡介01目錄任務：點對點通信-無線點燈02ZigBee的特點（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有10~250kb/s，專注于低傳輸應用。（2）功耗低：在低耗電待機模式下，兩節(jié)普通5號干電池可使用6個月到2年的使用時間。由于不同應用具有不同的功耗，因此具體的使用時間還受具體應用場合的影響。（3）成本低：因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。（4）網(wǎng)絡(luò)容量大：一個ZigBee設(shè)備可以與254個設(shè)備相連接，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納65536個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。（5）有效范圍?。河行Ц采w范圍10~200m之間，具體依據(jù)實際發(fā)射功率的大小和各種不同的應用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境。（6）工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信信道分IEEE802.15.4(ZigBee)工作在ISM頻帶，定義了兩個頻段，2.4GHz頻段和896/915MHZ頻帶。在IEEE802.15.4中共規(guī)定了27個信道：?在2.4GHz頻段，共有16個信道，信道通信速率為250kbps;?在915MHz頻段，共有10個信道，信道通信速率為40kbps;在896MHz頻段，有1個信道，信道通信速率為20kbps。ISM頻段信道分布圖如圖所示。應用領(lǐng)域ZigBee技術(shù)的應用領(lǐng)域主要包括家庭和樓宇網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制、公共場所、農(nóng)業(yè)控制、商業(yè)和醫(yī)療等。其應用領(lǐng)域如圖所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要分為三種：協(xié)調(diào)器（Coordinator）：協(xié)調(diào)器負責啟動整個網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許一個協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器選擇一個信道和一個網(wǎng)絡(luò)ID(也稱之為PANID，即PersonalAreaNetworkID)，隨后啟動整個網(wǎng)絡(luò)。路由器（Router）：主要負責無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，以及關(guān)聯(lián)其他節(jié)點來擴展網(wǎng)絡(luò)。終端節(jié)點（EndDevice）：主要負責無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。ZigBee設(shè)備類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)ZigBeeCoordinator（協(xié)調(diào)器）ZigBeeRouter（路由器）ZigBeeEndDevice（終端節(jié)點）ClusterTree串Mesh網(wǎng)Star星1、信道2.4~2.4835GHz頻段有16個獨立的信道，每個信道間隔為5MHz11~26信道：

默認為11信道:0x800ZigBee基本概念2、PANID（personalareanetwork,PAN）PANID指網(wǎng)絡(luò)編號，用來區(qū)分不同的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器是通過選擇網(wǎng)絡(luò)信道及PANID來啟動一個無線網(wǎng)絡(luò)的。PANID的有效范圍為0~0x3FFF。若PANID參數(shù)設(shè)置為0xFFFF，協(xié)調(diào)器將根據(jù)自身的IEEE地址建立一個隨機的PANID分配。PANID可以看做班級名稱。二ZigBee基本概念ZigBee基本概念3、IEEE物理地址每個ZigBee設(shè)備都有一個64位的IEEE長地址，即MAC地址。物理地址是在出廠時候初始化的。它是全球唯一的。就像身份證ID，每個人一個。4、

網(wǎng)絡(luò)地址網(wǎng)絡(luò)地址也稱短地址，通常用16位的短地址來標識自身和識別對方，對于協(xié)調(diào)器來說，短地址始終為0x0000，對于路由器和節(jié)點來說，短地址由其所在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器分配。就像學生的學號二ZigBee基本概念zigbee協(xié)議棧1協(xié)議與協(xié)議棧協(xié)議定義的是一系列的通信標準，通信雙方需要共同按照這一標準進行正常的通信。協(xié)議棧是協(xié)議的具體實現(xiàn)形式，可通俗地理解為代碼實現(xiàn)的函數(shù)庫，以便于開發(fā)人員調(diào)用。2、Zigbee的協(xié)議分為兩部分：IEEE802.15.4：定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)規(guī)范，zigbee聯(lián)盟：定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應用層技術(shù)規(guī)范。Zigbee協(xié)議棧：就是將各層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并提供一些應用層API供用戶調(diào)用。ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)zigbee協(xié)議棧3Zigbee協(xié)議棧開發(fā)的基本思路（1）借助TI提供的協(xié)議棧中例程SampleApp進行二次開發(fā)，用戶不需要深入研究復雜的zigbee協(xié)議棧，這樣可以減輕開發(fā)者的工作量。（2）zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集，只需要用戶在應用層加入傳感器的讀取函數(shù)和添加頭文件即可實現(xiàn)。（3）如果考慮節(jié)能，可以根據(jù)數(shù)據(jù)采集周期（zigbee協(xié)議棧例程已經(jīng)開發(fā)了定時程序）進行定時，時間到就喚醒zigbee終端節(jié)點，終端節(jié)點被喚醒后，自動采集傳感器數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)發(fā)給路由器或直接發(fā)給協(xié)調(diào)器，即監(jiān)測節(jié)點定時匯報監(jiān)測數(shù)據(jù)。（4）協(xié)調(diào)器根據(jù)下發(fā)的控制命令，將控制信息轉(zhuǎn)發(fā)到具體的節(jié)點即控制節(jié)點，等待控制命令下發(fā)。一zigbee協(xié)議棧簡介4Z-Stack協(xié)議棧的目錄結(jié)構(gòu)一zigbee協(xié)議棧簡介Z-Stack協(xié)議棧軟件層次APP用戶應用程序目錄HAL硬件接口層目錄MAC、NWK底層封裝目錄(無源碼)MT串口操作工具目錄OSAL操作系統(tǒng)抽象層目錄ZMAIN協(xié)議棧入口目錄ZDO設(shè)備對象層管理代碼目錄TOOL工程配置文件目錄(信道、PANID)等5Z-Stack協(xié)議棧軟件層次zigbee協(xié)議棧（1）App應用層目錄（ApplicationProgrammingInterface，API）：一般都是在App應用層目錄下編寫自己的應用程序源代碼zigbee協(xié)議棧（2）硬件層目錄（HardwareAbstractLayer，HAL）zigbee協(xié)議棧（3）介質(zhì)訪問控制層（MediaAccessControl，MAC）zigbee協(xié)議棧（4）監(jiān)控調(diào)試層目錄（MonitorTest，MT）zigbee協(xié)議棧（5）網(wǎng)絡(luò)層目錄（NetworkLayer，NWK）zigbee協(xié)議棧（6）協(xié)議棧的操作系統(tǒng)（OperatingSystemAbstractionLayer，OSAL）zigbee協(xié)議棧（7）應用框架層目錄(ApplicationFarmework，AF)zigbee協(xié)議棧（8）安全層目錄zigbee協(xié)議棧（9）Zigbee和802.15.4設(shè)備的地址處理函數(shù)目錄zigbee協(xié)議棧（10）工程配置目錄zigbee協(xié)議棧（11）Zigbee設(shè)備對象（ZigbeeDeviceObjects，ZDO）zigbee協(xié)議棧（12）Z-StackMAC移植層目錄（Z-StackMAC，ZMac）zigbee協(xié)議棧（13）Zigbee協(xié)議棧的主程序（Zigbeemain，ZMain）zigbee協(xié)議棧（14）輸出文件目錄zigbee協(xié)議棧四ZigBee協(xié)議術(shù)語（1）節(jié)點（device）：一個設(shè)備就是一個節(jié)點，一個設(shè)備有一個無線射頻端，具有唯一的IEEE地址和網(wǎng)絡(luò)地址。（2）端點（endpoint）：8位字段，描述一個射頻端所支持的不同應用。0x00：尋址文件配置；0xff：用來尋址所有活動端點；0xf1~0xfe預留。所以一個物理ZigBee射頻端在端點0x01~0xf0上共支持240個應用，即一個物理信道最多可能有240個虛擬信道。節(jié)點和端口（endpoint）的關(guān)系：每個節(jié)點最多有240個端口，每個節(jié)點所有端口共用一個發(fā)射/接受天線，不同節(jié)點上的端口之間可以進行通信。節(jié)點2上端口1和端口2的網(wǎng)絡(luò)地址是相同的，僅僅通過網(wǎng)絡(luò)地址無法區(qū)分，所以在發(fā)送數(shù)據(jù)時不但要指定網(wǎng)絡(luò)地址，還要指定端口號。結(jié)論：使用網(wǎng)絡(luò)地址來區(qū)分不同的節(jié)點；使用端口號來區(qū)分同一節(jié)點上的端口。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信的實質(zhì)就是端點到端點的數(shù)據(jù)交換。ZigBee協(xié)議術(shù)語（3）Profile（規(guī)范）：在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)收發(fā)都是建立在應用規(guī)范（ApplicationProfile）基礎(chǔ)上，不同的應用規(guī)范規(guī)定不同的應用領(lǐng)域，每個應用規(guī)范都有一個ID來標識。profID應用規(guī)范是為了使不同廠商的產(chǎn)品可以相互兼容，這些規(guī)范是由ZigBee聯(lián)盟定義的。智能家居商業(yè)樓宇自動化ZigBee協(xié)議術(shù)語（4）簇（cluster）：一個ZigBee節(jié)點會有很多屬性，每個屬性都有自己的值。一個簇（cluster）實際上是一些相關(guān)命令和屬性的集合，這些命令和屬性一起被定義為一個應用接口。在整個網(wǎng)絡(luò)中，每個簇都被分配了一個唯一的簇ID（clusterID）。簇的作用主要在于發(fā)送方和接收方關(guān)于通信的一種約定，接收方根據(jù)接收到的信息的簇ID來判定要對接收到的信息進行怎樣的處理。簇可簡單理解為設(shè)備的子功能數(shù)。（5）TaskID（任務編號）：即任務ID，OS負責分配的，也就是對一個事件作一個唯一的編碼，在每一個任務的初始化函數(shù)中，必須完成的功能是要得到設(shè)置任務的任務ID。相當于一個任務的標識，以區(qū)分不同的任務，任務ID不能重復。任務：無線點燈實現(xiàn)功能：兩個ZigBee節(jié)點進行點對點通信，ZigBee節(jié)點2發(fā)送“123”三個字符，ZigBee節(jié)點1收到數(shù)據(jù)后，對接收到的數(shù)據(jù)進行判斷，如果收到的數(shù)據(jù)是“123”，則使開發(fā)板上的LED燈閃爍。任務：無線點燈協(xié)調(diào)器上電后，會按照編譯時給定的參數(shù)，選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò)號，建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，這部分內(nèi)容讀者不需要寫代碼實現(xiàn)，ZigBee協(xié)議棧已經(jīng)實現(xiàn)了。終端節(jié)點上電后，會進行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò),如果有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)再自動加入，然后發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，最后使LED閃爍。任務要求及注意1下載程序觀察實驗現(xiàn)象。2注意事項：（1）打開程序后，選擇協(xié)調(diào)器（coordinater）或終端（endDevice），先運行Projec→clean，然后再運行rebuildall，再下載到開發(fā)板中。注意：下載完成后記住區(qū)分開協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點。（2）配置PANID和信道；對于多組同時進行實驗，組別間的信道Channel和PANID至少要有一個不同。如果組別間的信道Channel和PANID都相同，則會產(chǎn)生相互干擾，影響實驗效果.實驗現(xiàn)象實驗現(xiàn)象：協(xié)調(diào)器節(jié)點通電自動建立一個網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，D3燈閃爍，加入網(wǎng)絡(luò)后D3熄滅，表示組網(wǎng)成功。組網(wǎng)成功后，終端節(jié)點發(fā)送字符串“123”，協(xié)調(diào)器收到“123”后D1燈閃爍。感謝觀看THANKYOUPleasereplacetext,clickaddrelevantheadline,modifythetextcontent,alsocancopyyourc