暑期学什么？——关于ZigBee技术

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#物联网

于 2024-09-09 12:28:09 首次发布

前言

近年来，由于无线接入技术的需求日益增大，无线通信和无线网络均呈现出指数增加的趋势。这有力的推动力无线通信向高速通信方向的发展。工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等都是无线通信应用的领域。中国大力推广的物联网也是 zigbee 应用的主战场，物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。如果你想在物联网上有所作为，那现在就开启Zigbee学习的大门吧。

ZigBee 学习笔记系列是基于笔者需要使用 ZigBee 模组进行项目开发而写的学习笔记。本人从网上购买了 ZigBee 模组来学习，有相的学习视频以及资料，跟着教程边学边做记录。主要目的如下:
1.方便自己以后回顾学习
2.方便刚接触 ZigBee 的开发者学习参考
本人在所使用的开发板是“安联德”公司开发的 ZigBee 开发板

一、ZigBee技术——基本介绍

1. Zigbee通信概述
Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术，它主要用于低功耗、低数据速率和短距离的无线通信。Zigbee通信适用于物联网设备、家庭自动化、智能能源管理等领域。

2. Zigbee通信原理
Zigbee通信采用低功耗的星型或网状拓扑结构，具有以下特点：

调制方式：Zigbee使用2.4 GHz、868 MHz或915 MHz频段的无线电波进行通信。
网络拓扑：Zigbee网络可以采用星型、网状或混合型拓扑结构。
通信模式：Zigbee采用低功耗的睡眠和唤醒模式，以延长设备的电池寿命。

3. 常用的Zigbee芯片
在Zigbee通信中，常见的芯片制造商和型号包括：

Texas Instruments CC2530/CC2531：广泛用于物联网设备和家庭自动化。
Silicon Labs EM35x系列：适用于各种应用场景，如智能能源管理和工业自动化。
NXP JN516x系列：用于物联网设备和智能家居等领域。

4. Zigbee开发流程
在进行Zigbee开发时，通常遵循以下流程：

硬件准备：选择合适的Zigbee开发板或模块，并连接所需的外围设备。
Zigbee协议栈选择：选择适合项目需求的Zigbee协议栈，如Z-Stack、EmberZNet等。
芯片配置：通过编程方式配置Zigbee芯片的参数，如信道、功率、网络设置等。

应用开发：基于选择的Zigbee协议栈开发应用层代码，实现Zigbee功能和应用逻辑。
调试和测试：对开发的代码进行调试和测试，确保Zigbee功能正常运行。

5. Zigbee整体架构
Zigbee通信采用分层架构，包括物理层、MAC层、网络层和应用层。每个层级具有不同的功能和责任。

物理层：负责无线通信的物理特性，如调制解调、频率选择等。
MAC层：提供数据帧的封装和解封装，负责数据传输的可靠性和安全性。
网络层：处理节点之间的路由和网络拓扑结构，确保数据的传输和可达性。
应用层：实现具体的应用功能，如传感器数据的采集和控制命令的发送等。

Zigbee协议模型，Zigbee协议栈自上而下由应用层、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。

1.应用层，应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层用户。

2.应用会聚层，主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，主要包括安全属性设置、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现等功能。

3.网络层，网络层的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。

4.数据链路层，IEEE082系列标准将数据链路层分成逻辑链路控制和媒体接入控制两个子层。

5.物理层，IEEE802.15.4定义了2.4GHz和868MHZ/915MHz这两个物理层，它们都是基于直接序列扩频数据包格式，两者的主要区别在于工作频率、调制技术、扩频码长度和传输速率。

（一）简介

1.ZigBee简介

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査和鉴权功能，采用 AES-128 加密算法(美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一)
有效范围小:有效爱盖范围 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工作频段灵活:使用频段为 2.4GHZ.868MHZ(欧洲)和 915MHZ(美国)，均为免执照(免费)的频段。
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。

名称/标准	GPRS/GSM/1XRTT/CDMA	WiFi 802.11b	BIuetooth 802.15.1	ZigBee 802.15.4
应用重点	声音&数据	Web、Email、图像	近场通信	检测&控制
系统资源	16MB+	1MB+	250KB+	4KB-32KB
电池寿命（天）	1-7	0.5-5	1-7	100-1000
网络大小	1	32	7	255/6500
带宽(KB/s)	34-128+	11000+	720	20-250
传输距离（米）	1000+	1-100	1-10+	1-100+
优点	覆盖面大，传输质量高	传输速度快，使用灵活	价格便宜，使用方便	可靠，低功耗，价格便宜

2.ZigBee和IEEE 802.15.4 的关系

IEEE 802.15.4 标准的优点
A:低功耗
B:低价格
C:低数据传输率

IEEE 802.15.4 标准制定小组的任务
A:物理层(DSSS):数据的调制发送和接收解调，介质选择，信道选择。
B:MAC 层(CSMAVCA):产生网络信标，支持设备的安全性等。

ZigBee 是建立在 IEEE802.15.4标准之上，由于IEEE 802.15.4标准只定义了物理层协议和MAC层协议，于是成立了zigbee联盟.
ZiqBee联盟对其网络层协议和API 进行了标准化，还开发了安全层。经过ZiqBee联盟对IEEE 802.15.4的改进。这才真正形成了真正Zigbee协议栈（Zstack）。

3.详细的介绍

（1）CC2530单片机简介

CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案，它能够以非常低的总材料成本建立功能强大的网络节点。

SoC与单片机 SoC是System on Chip的缩写，可翻译为“芯片级系统”或“片上系统”。我们可以这样来理解SoC与单片机的区别：一个应用系统除了包括单片机还包括其他外围电子器件，例如要实现无线通信功能，电路板上需要有单片机芯片和无线收发芯片才能构成无线通信系统，若将整个电路板集成到一个芯片中，那么这个高度集成的芯片就可以称为SoC。 SoC为了专门的应用而将单片机和其他特定功能器件集成在一个芯片上，但其仍旧是以单片机为这个片上系统的控制核心，从使用的角度来说我们基本还是在操作一款单片机。

CC2530内部使用业界标准的增强型8051CPU，结合了领先的RF收发器，具有8KB容量的RAM，具备32/64/128/256KB四种不同容量的系统内可编程闪存和其他许多强大的功能。CC2530根据内部闪存容量的不同分为4种不同型号：CC2530F32/64/128/256，F后面的数值即表示该型号芯片具有的