CC2530 zigbee 系列教程 1 zigbee介绍

时间 2021-08-15 标签 zigbee cc2530 完整开发资料 zigbee CC2530 物联网

ZigBee简介

1.1 什么是ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，这个是比较官方的解释了，简单说就是一种无线通信协议。它的名字其实蛮有意思的，这一词来源于蜜蜂的八字舞，由于“蜜蜂(Bee)”是靠飞翔和“嗡嗡(Zig)”地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee的组网方式与此类似，于是得名Zigbee（有点仿生学的意思哈）。

Zigbee 是基于IEEE802.15.4标准的网络协议。这个协议是一种近距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。简而言之，ZigBee 就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

1.2 ZigBee特点简介

1) 高的可靠性

对于无线通信而言，由于电磁波在传输过程中容易受很多因素的干扰，例如，天气状况，特别要提的是障碍物的阻挡对信号的衰减很非常之严重。因此，无线通信系统在数据传输过程中具有一定的不靠谱性，这也是为什么在军工上大部分会采用电缆线传输信号的原因之一。当然，更多的是为了防止信号被截取。无线控制系统作为无线通信的一个小的分支，在数据传输过程中也同样具有以上问题。

为了弥补无线传输的不靠谱，ZigBee联盟[1]在制定ZigBee规范时己经考虑到这种数据传输过程中的内在的不确定性，采取了一些措施来提高数据传输的可靠性。主要从以下几个方面着手：第一，物理层兼容高可靠的短距离无线通信协议IEEE 802.11.5同时使用OQPSK和DSSS技术；第二，使用CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access Collision Avoidance) 技术来解决数据冲突问题；使用l6-bits CRC来确保数据的正确性；第三，使用带应答的数据传输方式来确保数据正确的传输目的地址：采用尽量保证数据可以沿着不同的传输路径从源地址到达目的地址，这也就是所谓的星型网络。

2) 低成本、低功耗

ZigBee技术可以应用于8-bit MCU，目前TI公司推出的兼容ZigBee 2007协议的SoC芯片CC2530每片价格几十元，外接几个阻容器件构成的滤波电路和PCB天线即可实现网络节点的构建。结构之简单让我不得不佩服此芯片的强大啊！但是想玩转数学功底不好可不行，利用ZigBee进行定位，在PC端的滤波算法可以说还是很有学问的。

关于低功耗问题需要说明一下，ZigBee网络中的设备主要分为三种：

协调器(Coordinator)，主要负责无线网络的建立和维护；
路由器(Router)，主要负责无线网络数据的路由，连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网，这里可以理解为一个ZigBee发出来的数据；

终端节点(End Device)，主要负责无线网络数据的采集。

低功耗仅仅是对终端节点而言的，因为路由器和协调器需要一直处于供电状态，只有终端节点可以定时休眠，下面通过一个例子向朋友们展示一下终端节点的低功耗是如何实现的。

例子是从《ZigBee无线传感器网络设计与实现》一书中摘录的。一般情况下，市面上每节5号电池的电量为1500mA·h。对于两节5号电池供电的终端节点而言，总电量为3000mA·h，即电池以1mA电流放电，可以连续放电3000h（理论值），如果放电电流为100mA.则可以连续放电30h。终端节点在数据发送期间需要的瞬时电流是29mA；数据接收期间所需要的瞬时电流为24mA。再加上各种传感器所需的工作电流，为了讨论问题方便，假设各种传感器所需的工作电流为30mA（这个工作电流已经很大了），那么数据发送期间所需要的总电流为59mA，数据接收期间所需要的总电流为54mA，为了讨论问题方便，总电流取60mA，表面上2节5号电池可以供终端节点连续工作50h。但是，对应实际系统，终端节点对数据的采集一般是定时采集，例如采集温度数据，由于温度变化减慢，所以可以定时采集，在此假设终端节点每小时工作50s.其他时间都在休眠（其他时间都在休眠，休眠时工作电流在微安级，所以可以忽略不计）。那么实际上情况是：系统采用2节5号电池供电，终端节点工作电流为60mA.每小时工作50s（其他时间都在休眠，休眠时工作电流在徽安级，所以可以忽略不计），可以计算出2节5号电池可以供终端节点工作时间为：3600h=150天，即大约半年时间，这也就是很多介绍ZigBee技术的书籍中提到的“对于ZigBee终端节点，使用2节5号电池供电，可以工作半年的时间”的理论依据。请读者注意，上述分析是针对的终端节点。对于路由节点和协调器而言，要一直供电来确保数据的正确路由，所以一般不谈低功耗问题。

高安全性

为了保证数据传输的安全性，可以使用AES-128技术进行加密，但是对于初学的我们来说，还是先实现基本功能先~

1.3 ZigBee协议

传统的无线协议很难适应无线传感器的低成本、低功耗、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议变应运而生，所谓适者生存嘛。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，而ZigBee联盟这帮人又扩展了该协议，对其网络层协议和API进行了标准化。主要应用领域有：家庭、楼宇的自动化、自动读表系统等。具体的ZigBee协议内容，将会随着作者学习的深入进一步加深，敬请期待。

1.4 ZigBee无线网络简介

天线对于无线通信系统来说至关重要，在日常生活中天线与我们息息相关如手机天线（我说的可不是大哥大啊亲）、收音机天线、移动信号发射基站、电视接收天线（现在都木有了）等，天线的主要功能可以包括为：完成无线电波的发射与接收。发射时，把高频电流转换为电视波发射出去；接收时，将电磁波转换为高频电流。

无线通信系统的频谱在几十MHz到几千MHz之间，包括了收音机、手机、卫星电视等使用的波段，这些电波都使用空气作为传播介质来传输，就像我们熟知的声音一样，利用振动在空气中传播。为了防止不同的应用之间相互干扰，就需要实施无线通信系统的频谱资源管理。各个国家都有自己的无线电管理机构，如美国的联邦通信委员会 (FCC)，欧洲的典型标准委员会 (ETSI)，我国的无线电管理机构称为中国无线电管理委员会。其主要职责是负责无线电频率的划分、分配与指配、卫星轨道位置协调和管理、无线电检测、检测、干扰查处。协调处理电磁干扰事宜和维护空中电波秩序等。一般情况，使用某一特定的频段需要得到无线电管理部门的许可。当然，各国的无线电管理部门也规定了一部分波段是对公众开放的，不需要许可即可使用，以满足不同的应用需求，这些波段包括ISM (Industrial, Scientific and Medical——工业、科学和医疗）频带。除了ISM频段外，在我国，低于135KHZ。在北美、日本等地低于400kH的频带也是免费频段。各国对无线频谱的管理不仅规定了ISM频带的频率，同时也规定了在这些频带上所使用的发射功率。在项目开发过程中，需要查阅相关的手册。如我国信息产业部发布的《微功率（短距离）无线电设备管理规定》。

IEEE 802.15.4 (ZigBee) 工作在ISM频带，定义了两个频段，2.4GHz 频段和896/915MHz频带。在IEEE 802.15.4中共规定了27个信道，其中2.4GHz是全球通用的ISM频段。

ISM频谱波段图如图1.1所示。

图1-1 ISM频谱波段图

1.5 ZigBee应用领域简介

ZigBee技术是基于小型无线网络而开发的通信协议标准。尤其是伴随ZigBee2007协议的逐渐成熟，ZigBee技术在智能家居和商业智能楼宇自动化方面有较大的应用前景。ZigBee技术的出现弥补了低成本、低功耗和低速率无钱通信市场的空缺，在以下应用场合，ZigBee技术已体现出其它无线通信系统前所未有的优势：

1. 1. 需要进行大量信息数据采集或控制的节点网络较多；
  2. 应用对传输速率和成本要求不高；
  3. 对设备的体积有限制或电池更换时间不宜过长；
  4. 野外布置网络节点，进行简单的数据传输。

下面，给大家展示当前市场上几个ZigBee方面应用的例子。在工业控制方面．可以使用ZigBee技术组建无线网络，每个节点采集传感器数据，然后通过ZigBee网络来完成数据的传送。在智能家居和商业智能楼宇自动化方面，将空调、电视、窗帘控制器等通过ZigBee技术来组成一个无线网络，通过一个遥控就可以实现各种家电的控制。这种应用场所比现行的每个家电一个遥控都要方便得多。在农业方面，传统的农业主要使用没有通信能力且孤立的机械设备，使用人力来检测农田的土质状况、作物生长状祝等，如果采用ZigBee技术，可以轻松地实现作物各个生长阶段的监控，传感器数据可以通过ZigBee网络来进行无线传输，用户只需要在电脑前即可实时监控作物生长情况，这将大大促进现代农业的步伐。在医学应用倾域，可以借助ZigBee技术。准确、有效地检测病人的血压、体温等信息．这将大大减轻查房的工作负担，医生只需要在电脑前使用相应的上位机软件，即可监控数个病房病人的情况。