CC2530 ZigBee无线组网开发指南

前言

对于嵌入式开发初学者而言，德州仪器(TI)的CC2530芯片是一款非常经典的ZigBee无线通信学习平台。然而，很多同学在初次接触时，往往对其核心的无线组网功能感到无从下手。本文将以应用层的角度，介绍ZStack协议栈的基础知识，并通过实际项目案例，帮助读者快速掌握CC2530的无线组网开发技巧。

一、ZStack协议栈概述

1.1 ZStack架构

ZStack是TI公司基于ZigBee协议开发的协议栈实现，采用四层架构设计：

• 应用层(APL)：用户功能实现的主要层级

• 安全层：负责通信加密与安全认证

• 网络层(NWK)：处理网络组建与路由

• MAC/物理层(PHY)：底层无线通信控制

TI已经对底层协议进行了完善封装，开发者只需专注于应用层开发即可快速实现功能。

1.2 网络设备类型

设备类型	功能描述	典型应用场景
协调器(Coordinator)	组建和管理网络，分配网络地址	网关设备
路由器(Router)	数据中继，扩展网络覆盖范围	中继节点
终端设备(End Device)	数据采集或执行控制指令	传感器/执行器节点

另外，我们除了这三种状态，还需要了解短地址这个概念，设备一入网，协调器就会向入网的设备自动分配一个唯一的短地址，一个网络中只能有一个协调器，且它的短地址默认为0x0000。

二、ZStack开发环境搭建

   2.1 安装流程

        使用ZStack协议栈之前我们需要安装ZStack，下图为ZStack安装时的界面，文章全篇使用

ZStack 2.5.1a版本，安装时只需要一直点击下一步，路径自行选择合适的就可以。

安装完后，会在安装目录生成一个ZStack协议栈的文件夹，里面包含了ZStack的工程

2.2 工程配置

1. 打开SampleApp工程（路径：Projects/zstack/SampleApp/CC2530DB）

2. 在Workspace中选择设备类型：

   1. Coordinator：协调器

   2. Router：路由器

   3. EndDevice：终端设备    

              

注意：不同模式对应不同的编译配置（.cfg文件），可在Tool目录下查看具体差异。

              

三、ZStack核心机制解析

3.1 OSAL操作系统抽象层

OSAL(Operating System Abstraction Layer)是ZStack的任务调度核心，采用事件驱动机制。关键初始化流程在 ZMain.c中实现，下图均为必要的初始化函数，它们最终的运行结果是启动OSAL系统

3.2 关键开发概念

3.2.1 簇(Cluster)

  在ZStack中，簇的作用是定义设备的功能和交互方式，关联到设备的功能集（包括设备的属性、命令、响应等），最终协议栈会将簇的逻辑映射到数据包。

使用簇ID前，要定义簇ID，并且添加到下面的变量中

const cId_t SampleApp_ClusterList[SAMPLE_MAX_CLUSTERS] =
{

};

我们可以添加多个簇ID到集群中，只需要在.h文件中提前定义好即可

注意：簇ID本质是数字，在定义的时候不能让不同名称的簇使用同一个数字

3.2.2 无线发送函数（AF）

  AF_DataRequest( &SampleApp_Periodic_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
                       SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,
                       1,
                       (uint8*)&SampleAppPeriodicCounter,
                       &SampleApp_TransID,
                       AF_DISCV_ROUTE,
                       AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS

ZStack中的无线发送函数如上，它包括了8个参数，分别是目标地址，端点描述符，簇ID，数据长度，数据缓冲区，任务ID，发现选项和最大跳数，实现应用层的功能，我们只需要关注前5个参数即可。

在使用的时候，我们需要注意目标地址是否正确，如果是终端发送给协调器，那么地址设置为0x0000即可，如果想要协调器发送给终端，那么我们就需要先获取终端的短地址，后面我会讲述如何获取并上报设备自己的短地址

端点描述符已经在SampleApp_Init()这个函数中定义好了，直接用就可以

afRegister( (endPointDesc_t *)&SampleApp_epDesc );

簇ID，关联到响应的设备功能集，我们给什么设备和行为设置了什么簇ID，就写什么

3.2.3 事件处理函数

  SampleApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events )

我们来看划线的部分，在这部分中，主要包含了TI为我们封装好的按钮，无线接收和网络状态事件的处理模板

这里的原理就是系统的一个定时器时间一到，就会依次检查按钮，无线接收，网络状态这三个case是否有事件产生，osal_start_timerEx（）就是我们的定时器函数，是必不可少的。

在每一个if 事件分支结束前，假设当前为if ( events & SYS_EVENT_MSG )这个系统事件，我们需要return (events ^ SYS_EVENT_MSG);这一句的含义是清除已经完成的SYS_EVENT_MSG事件，未完成的事件保留，当所有事件完成后，return 的自然就是0了。

除了系统定义的事件外，用户也可以自己定义自己的事件，定义自己的事件需要在SampleApp.h中声明一下这个事件，如下图

声明后，我们就可以在.c中使用它了

当然定时器的时间也要自己提前设置一下，这里例子里给的是5000也就是5s

四、实战项目：基于ZigBee的种子仓库监管系统

接下来，我将分享一个实战项目，基于ZigBee的种子仓库监管系统

项目全开源，链接会放在文章末，有需要自取即可

4.1项目介绍

4.1.1硬件组成

传感器节点：cc2530，DHT11（温湿度模块），SGP30（空气质量检测模块），MRC 522 （RFID模块）

网关节点：cc2530，ESP8266（WIFI模块），OLED显示屏

执行器节点：cc2530 LED*3

4.1.2项目功能

传感器节点通过sensor采集环境数据，以ZStack协议栈的方式，将数据无线发送到网关节点，网关节点接收数据后判断参数是否超过阈值，并下达控制指令给执行器节点，执行器节点接入三块LED灯用来模拟空调的制冷制热以及风扇的通风，同时传感器节点接入了RFID模块，读取种子的出库入库信息，上报给网关节点，网关节点会将接收到的数据以串口的方式发送给ESP8266，ESP8266会建立两套socket，一套用于上传数据给云平台，另一套则是与QT上位机进行连接，进行数据的通信。

4.2功能实现

4.2.1 温湿度等数据的上报以及超过阈值的自动控制

由于cc2530读取DHT11的代码网上有开源，这里只讲述如何发送给协调器以及如何实现后续功能

void SampleApp_Send_P2P_Message( void )
{
    uint8 str[5]={0};
    uint8 strTemp[32]={0};
    int len=0;
    unsigned long co2 = 0;
    DHT11();             //获取温湿度
    
    str[0] = 1;//增加一个ID，如果是多个终端就增加这个值
    str[1] = wendu;//温度
    str[2] = shidu;//湿度
    
    SGP30_Write();      //向SGP30发送读取数据命令
    co2 = SGP30_Read(); //获取CO2浓度
    //I2C_Delay_ms(1000);
    str[3] = ( co2 >> 8 ) & 0xFF;
    str[4] = co2 & 0xFF;
    len=5;
    
    sprintf(strTemp, "T&H&C:%d %d %lu", str[1],str[2],co2);
    //HalLcdWriteString(strTemp, HAL_LCD_LINE_3); //LCD显示
  
    HalUARTWrite(0, strTemp, osal_strlen(strTemp));           //串口输出提示信息
    HalUARTWrite(0, "\r\n",2);
  
    //无线发送到协调器
    if ( AF_DataRequest( &SampleApp_P2P_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
                         SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID,
                         len,
                         str,
                         &SampleApp_MsgID,
                         AF_DISCV_ROUTE,
                         AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )
    {
    }
    else
    {
      // Error occurred in request to send.
    }
}

值得一提的是，TI为我们配置好了串口，在ZStack中，串口有两种使用方式，一种是DMA的方式，一种是中断的方式，只是用一种的话，哪种都可以，但是要同时用两个，就必须一个设置为中断，一个设置为DMA的方式。

那么接下来就要讲述ID的作用了，首先我们已经通过AF将数据包发送了出去，我们紧接着关注SampleApp_ProcessEvent()这个函数，在系统事件中，如果接收到了数据包，会进入到case AF分支，该分支主要执行一个函数，SampleApp_ProcessMSGCmd()

这个函数的作用就是用于解析接收到的数据并进行下一步操作

这里我们先展示和温湿度有关的部分，我们逐步解析一下

void SampleApp_ProcessMSGCmd( afIncomingMSGPacket_t *pkt )
{
  uint8 buff[100]={0};

  switch ( pkt->clusterId )
  {    
  // 接收终端上传的温度数据
#ifdef ZDO_COORDINATOR     
    case SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID: 
    {

        uint8 id   = pkt->cmd.Data[0];//终端id
        
        if(id==1)
        {
          temp1Int = pkt->cmd.Data[1]; //终端温度
          hum1Int  = pkt->cmd.Data[2]; //终端湿度 
          co2Int   = (pkt->cmd.Data[3] << 8) | pkt->cmd.Data[4];  // CO2（16位）
          //保存终端1的温度和湿度
          
          if(temp1Int >= 28)
          {
            P0_7=1;
            SampleApp_Device2Ctl(2,0x01,0);
          }
          else if(temp1Int <= 20)
          {
            P0_7 = 1;
            SampleApp_Device2Ctl(2,0x02,0);
          }
          else if(hum1Int >= 35 || co2Int >= 1000)
          {
            P0_7 = 1;
            SampleApp_Device2Ctl(2,0x04,0);
          }
          else
          {
            P0_7=0;//不报警
            SampleApp_Device2Ctl(2,0x01,1);
            SampleApp_Device2Ctl(2,0x02,1);
            SampleApp_Device2Ctl(2,0x04,1);
          }
        }
    }
    break;

首先在switch语句中，我们看到了pkt->clusterId，pkt->clusterId的作用是区分ZigBee中的不同簇，体现在下面的case 语句中，由于我们前面无线发送使用的是SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID这个簇ID，这里的case 就要保持一致，接着我们这里用到了一个条件编译开关ZDO_COORDINATOR这里使用这个条件编译的原因是只让协调器接收数据，其他的不会接收到传感器节点发送的环境参数，接着我们去读取pkt->cmd.Data[0]，在前面无线发送的时候，我们的str[5]中的数据被cmd.Data接收，所以只需要按照我们发送过来的格式解析就可以了，接收到的数据会存放在全局变量中。

前面我们讲述了终端如何无线发送数据给协调器，接下来我们讲述协调器如何发送命令给终端，我们回到SampleApp_ProcessEvent这个函数当中，关注case ZDO_STATE_CHANGE:
在设备联网成功后，除协调器外的所有设备都要执行SampleApp_DeviceConnect()，用于上报自己在网络中的短地址，协调器的短地址默认是0x0000，所以不用上报

函数定义部分

在这个函数中主要做三件事

1.获取设备地址：
 nwkAddr = NLME_GetShortAddr()   获取设备自身的16位短地址

2.设置目标地址：
创建afAddrType_t结构体SampleApp_TxAddr
设置地址模式为16位短地址(Addr16Bit)
设置端点号为SAMPLEAPP_ENDPOINT
目标地址设为0x0000(协调器地址)

3. 准备并发送数据
建立5字节缓冲区buff并初始化为0
buff[0]设置为设备ID
buff[1]和buff[2]分别存储设备网络地址的高字节和低字节
AF发送自己的ID+短地址到协调器

函数运行完后，设备的短地址就成功发送给了协调器上，但是一定要注意ID的问题，否则会导致短地址覆盖的问题，举个例子，传感器节点的ID为1，执行器节点的终端为2，在烧录程序的时候一定要去修改这个ID值，否则执行器节点也会发送错误的环境数据给协调器，这个ID是我们人为为了区分不同的设备而添加的校验值

这里再教给大家一个办法来区分开不同设备，以该项目为例，项目有传感器节点和执行器节点，这两个节点都属于终端设备怎么办呢，我们只需要两个宏定义，一个是传感器节点的，一个是执行器节点的要执行传感器节点的代码的时候就把执行器节点的宏定义注释掉，反之则反，并且在要实现功能的部分前加上，以下为示例

#id defined ( SENSOR_TERMINAL )

/*
自己要实现的功能代码
*/ 

#endif

就可以了

当协调器也成功接收到了短地址后，会将终端传来的短地址存入到全局变量devAddr[3]中，终端1的短地址存到devAddr[0]中，终端二的短地址传入到devAddr[1]中。
当传感器节点发送的数据超过阈值，协调器就会进入对应情况的分支，去执行SampleApp_Device2Ctl()这个函数

SampleApp_Device2Ctl()的定义如下

void SampleApp_Device2Ctl(uint8 id, uint8 led,uint8 cmd)
{
  uint8 str[3]={id,led,cmd};
  afAddrType_t SampleApp_TxAddr;
  
  SampleApp_TxAddr.addrMode = (afAddrMode_t)Addr16Bit;//点播
  SampleApp_TxAddr.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;
  SampleApp_TxAddr.addr.shortAddr = devAddr[1];//终端2短地址
  
  if ( AF_DataRequest( &SampleApp_TxAddr, &SampleApp_epDesc,
                       SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID,
                       3,
                       (uint8 *)str,
                       &SampleApp_MsgID,
                       0,
                       AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )
  {
  }
  else
  {
  }
}

这个时候，就是我们前面讲述的协调器向终端发送命令的过程，和终端向协调器发送数据的结构是一样的，唯一需要修改的就是终端2的短地址，在该项目中，执行器都是用LED灯模拟变化，所以我们需要发送三个参数，设备ID，LED地址，控制命令

设备ID是我们自己定义的，LED的的地址定义在HAL库下，以独热码的形式存在，还包括LED灯运行的模式，可以自己使用喜欢的模式。

发送控制命令需要两个关键的参数，一是设备地址，二是指令，理解原理后可以自己尝试其他设备的无线控制

来总结一下整个功能实现的步骤

传感器节点读取数据并解析，无线发送给目标设备，发送时要保证目标地址正确，保证协调器接收时的簇ID与AF参数中的簇ID一致，设备上报自己的短地址，协调器接收后判断情况发送控制指令给终端二。

4.2.2 RFID的读取与上报

在种子仓库监管系统中，RFID 模块（MFRC522）用于识别种子的出库入库信息，传感器节点需要将读取到的 RFID 卡片数据通过 ZigBee 网络上报给协调器，实现种子流转的自动化记录。以下从硬件初始化、卡片数据读取、无线上报三个环节详细说明实现过程。

1. RFID 模块初始化（MFRC522）
MFRC522 是一款高频 RFID 读写器芯片，支持 ISO 14443A 标准（如 Mifare 系列卡片）。在 CC2530 上使用时，需先完成硬件引脚配置和模块初始化，确保其能正常与卡片通信。

初始化流程：

#define MF522_RST      P0_4  // 复位引脚
#define MF522_NSS      P0_5  // 片选引脚
#define MF522_SO       P0_6  // SPI数据输入
#define MF522_SI       P1_5  // SPI数据输出
#define MF522_SCK      P1_0  // SPI时钟

模块复位与配置：在RFID_Init()函数中完成 MFRC522 的复位、天线开启和通信协议配置（ISO 14443A）

void RFID_Init()
{
  P0DIR |= 0xF0; //P0_4、P0_5、P0_6、P0_7定义为输出
  P1DIR |= 0x21;//p1_0,P15输出

  P0 |= 0xF0; //P0_4、P0_5、P0_6、P0_7输出1
  P1 |= 0x21; //P1_0,P15输出高电平

  P0SEL &= ~0x40;                  //设置P0.6口为普通IO
  P0DIR &= ~0x40;                  //设置P0.6为输入
  
  CmdValid=0; 

  PcdReset();                      //复位
  PcdAntennaOff();                 //关闭天线
  PcdAntennaOn();                  //开启天线
  M500PcdConfigISOType( 'A' );     //配置位ISO 14443A协议
}

初始化完成后，MFRC522 进入等待状态，可开始检测并读取 RFID 卡片。

2. RFID 卡片数据读取流程
读取 RFID 卡片需经过寻卡、防冲撞、选卡三个步骤，最终获取卡片的类型和唯一序列号（UID）。这些操作封装在iccardcode()函数中，由传感器节点周期性调用。

关键步骤解析：

寻卡（PcdRequest）：发送寻卡命令（如PICC_REQIDL），检测天线范围内是否有未休眠的卡片，返回卡片类型（如 Mifare S50、S70 等）：

// 寻卡示例（iccardcode()中case 2分支）
status = PcdRequest(RevBuffer[1], &RevBuffer[2]);  // RevBuffer[1]为寻卡模式（0x26或0x52）
if (status != MI_OK) {
  // 寻卡失败，重试一次
  status = PcdRequest(RevBuffer[1], &RevBuffer[2]);
}

成功后，RevBuffer[2]和RevBuffer[3]存储卡片类型（如 0x0400 表示 Mifare S50）。

防冲撞（PcdAnticoll）：当多个卡片同时在天线范围内时，通过防冲撞算法获取唯一卡片的序列号（4 字节 UID），避免数据冲突：

// 防冲撞示例（iccardcode()中case 3分支）
status = PcdAnticoll(&RevBuffer[2]);  // 读取UID到RevBuffer[2]~RevBuffer[5]
if (status == MI_OK) {
  memcpy(MLastSelectedSnr, &RevBuffer[2], 4);  // 保存UID到全局变量
}

选卡（PcdSelect）：根据获取的 UID 选中特定卡片，后续操作（如读写数据）仅对该卡片生效：

// 选卡示例（iccardcode()中case 4分支）
status = PcdSelect(MLastSelectedSnr);  // MLastSelectedSnr为之前获取的UID

数据封装：读取成功后，卡片信息（类型 + UID）被存入SendBuf数组，格式为：

SendBuf[0]~SendBuf[1]：卡片类型（2 字节）
SendBuf[2]~SendBuf[5]：卡片 UID（4 字节）

3. RFID 数据无线上报
传感器节点将读取到的 RFID 数据通过 ZigBee 单播发送给协调器，使用独立的簇 ID（SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID1）与温湿度数据区分，确保协调器能正确解析。

上报实现：

周期性触发：在SampleApp_SendPeriodicMessage()函数中，传感器节点每 3 秒（可通过定时器调整）调用iccardcode()读取 RFID 数据，并通过AF_DataRequest发送：

void SampleApp_SendPeriodicMessage(void) {
  uint8 SendBuf[6] = {0};  // 存储卡片类型（2字节）+ UID（4字节）
  uint8 error = 0;
  
  // 读取RFID卡片（过程略，最终结果存入SendBuf）
  iccardcode();
  if (/* 读取成功 */) {
    // 发送数据到协调器
    AF_DataRequest(&SampleApp_P2P_DstAddr,  // 目标地址：协调器（0x0000）
                  &SampleApp_epDesc,        // 端点描述符
                  SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID1, // 簇ID（RFID专用）
                  6,                        // 数据长度（6字节）
                  SendBuf,                  // 数据缓冲区
                  &SampleApp_MsgID, 
                  0, 
                  AF_DEFAULT_RADIUS);
  }
}

协调器解析与显示：协调器通过SampleApp_ProcessMSGCmd()函数接收数据，根据簇 IDSAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID1解析卡片类型和 UID，并通过串口打印或 LCD 显示：

// 协调器解析RFID数据（SampleApp_ProcessMSGCmd()中case SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID1分支）
if (pkt->cmd.DataLength == 6) {
  // 解析卡片类型
  if (pkt->cmd.Data[0] == 0x04 && pkt->cmd.Data[1] == 0x00) {
    HalUARTWrite(0, "Mifare_One(S50),", strlen("Mifare_One(S50),"));
  }
  // 解析UID（转换为十六进制字符串）
  char card_buff[20] = {0};
  card_buff[0] = 'I'; card_buff[1] = 'D'; card_buff[2] = ':';
  for (int i=0; i<4; i++) {
    // 将每个字节转换为2位十六进制字符（如0x1A → "1A"）
    card_buff[3+i*2] = NumberToLetter((pkt->cmd.Data[2+i] >> 4) & 0x0F);
    card_buff[3+i*2+1] = NumberToLetter(pkt->cmd.Data[2+i] & 0x0F);
  }
  HalUARTWrite(0, card_buff, strlen(card_buff));  // 串口输出UID
}

上述流程就是传感器节点实时读取RFID卡片的信息并上报给协调器，实现种子出库入库的识别与记录。

这里再说一点，RFID使用的簇ID是SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID1，也可以使用SAMPLEAPP_P2P_CLUSTERID这个簇ID，我们使用不同的簇ID是为了区分RFID和环境传感器

结束

本片文章写的比较匆忙，如有错误部分，虚心接受各位的指正，希望能对初学者能有些许的帮助

项目链接

https://github.com/XZ486/Zigbee.git