1、ZigBee 开发教程之基础篇—ZigBee简介和学习方法

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

1、前言

​ 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，有相关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【创思通信】公司开发的 ZigBee 开发板，连接如下：【新版ZigBee开发板 CC2530学习板】

2、ZigBee 简介

​ 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。然而，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还未涉足或者刚刚涉足的领域。这些领域对数 据吞吐量的要求很低，功率消耗也比现有标准提供的功率消耗低。此外，为了促使简单方便的、 可以随意使用的无线装置大量涌现，需要在未来的个人活动空间内布置大量的无线接入点，因而 低廉的价格将起到关键的作用。为了降低元器件的价格，以便于这些装置批量生产，有必要发展 出一个标准的解决方案。这个标准要解决的问题是，设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂 度的无线收发信机；要考虑的核心问题是低功耗和低价格的设计。这就要求该标准应提供低带宽 低数据传输速率的应用。

ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。
在 ZigBee 网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和 End-Device(终端设备)。ZigBee 网络由一个 Coordinator 以及多个 Router 和多个 End_Device 组成。

各类型设备功能如下：

（1）Coordinator(协调器)
协调器负责启动整个网络。它也是网络的第一个设备。协调器选择一个信道和一个网络 ID(也称之为 PAN ID，即 Personal Area Network ID)，随后启动整个网络。
协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。
注意，协调器的角色主要涉及网络的启动和配置。一旦这些都完成后，协调器的工作就像一个路由器(或者消失 go away)。
由于 ZigBee 网络本身的分布特性，因此接下来整个网络的操作就不在依赖协调器是否存在。

（2）Router(路由器)
路由器的功能主要是：允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的儿子终端设备的通讯。
通常，路由器希望是一直处于活动状态，因此它必须使用主电源供电。但是当使用树群这种网络模式时，允许路由间隔一定的周期操作一次，这样就可以使用电池给其供电。

（3）End-Device(终端设备)
终端设备没有特定的维持网络结构的责任，它可以睡眠或者唤醒，因此它可以可以是一个电池供电设备。

3、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(CSMA/CA)：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。
ZigBee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ZigBee联盟对IEEE 802.15.4的改进 。

4、ZigBee 的特点

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（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 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。

无线网络数据传输协议对比

5、ZigBee 无线网络通信信道分析

​ 天线对于无线通信系统来说至关重要，在日常生活中可以看到各式各样的天线，如手机天、 电视接收天线等，天线的主要功能可以概括为:完成无线电波的发射与接收。发射时，把高频电流 转换为电磁波发射出去；接收时，将电磁波转换为高频电流。

如何区分不同的电波呢？

​ 一般情况，不同的电波具有不同的频谱，无线通信系统的频谱有几十兆赫兹到几千兆赫兹， 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输介质来传播，为了 防止不同的应用之间相互干扰，就需要对无线通信系统的通信信道进行必要的管理。各个国家都 有自己的无线管理结构，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、无线电监测、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限电管理部门的许可，当然，各国的无线电管理 部门也规定了一部分频段是对公众开放的，不需要许可使用，以满足不同的应用需求，这些频段 包括 ISM（Industrial、Scientific and Medical——工业、科学和医疗）频带

​ 除了 ISM 频带外，在我国，低于 135KHz，在北美、日本等地，低于 400KHz 的频带也是免 费频段。各国对无线电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、
896/915MHz 频带。在 IEEE 802.15.4 中共规定了 27 个信道：

• 在 2.4GHz 频段，共有 16 个信道，信道通信速率为 250kbps；
• 在 915MHz 频段，共有 10 个信道，信道通信速率为 40kbps；
• 在 896MHz 频段，有 1 个信道，信道通信速率为 20kbps。

6、ZigBee的网络拓扑模型

​ ZigBee 网络拓扑结构主要有星形网络和网型网络。不同的网络拓扑对应于不同的应用领域， 在 ZigBee 无线网络中，不同的网络拓扑结构对网络节点的配置也不同，网络节点的类型：协调 器、路由器和终端节点，具体配置根据需要决定，具体内容会在后面章节中进行讲解，在此，读者只需要对网络拓扑结构有个概念性的认识即可。

​ MESH 网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信；该拓 扑结构还可以组成极为复杂的网络；网络还具备自组织、自愈功能。

7、ZigBee的应用范围

8、本人所使用的开发板的硬件资料

开发板硬件资源介绍

• 板上资源接口丰富，通用传感器插上就能用，摆脱短路帽拔插的烦恼
• 采用底板加核心模块组合设计。便于更换带 PA 的模块或板载天线模块
• 板载 USB 转串口电路，方便笔记本以及没有串口的电脑用户
• 引出所有 IO 口，方便调试，外接自己的模块
• 开发板丝印清楚，便于研究电路，并配有原来图
• 支持 OLED 显示，并可在线调试 LCD 输出显示（独创）
• 增加串口收发指示灯，监控通讯状态一目了然
• 元件采购大厂原装件，开发板采用进口贴片机生产，板上零人工焊点，品质更有保障

功能特点：

• 底板尺寸：6.5 * 6.5 cm
• 串口通讯：自带 USB 转串口功能（FT232）,方便笔记本用户
• 供电方式：miniUSB 供电；pin2 电源座（5V），考虑可以外接电池。
• 功能接口：Debug 接口，兼容 TI 标准仿真工具，引出所有 IO 口。并支持多种
• 传感器即插即用：(2 组 5V 接口，2 组 3.3V 接口)，以及常用的串口引脚
• 功能按键：1 个复位，2 个普通按键,组网时可手动入网和退网
• LED 指示灯：电源指示灯、组网指示灯、普通 LED
• LCD：支持 OLED，显示更清晰,调试所见即所得

9、快速掌握ZigBee 的学习方法

1. 先掌握与 ZigBee 相关的理论知识
2. 安装开发环境 IAR for 8051，主要是用于 CC2530 程序的编写、编译、调试、仿真以及下载
3. 针对 CC2530 芯片做基础实验，明白 CC2530 相关内部外设寄存器的配置，明白 CC2530 的基本使用
4. 做“zigbee 协议栈应用与组网” 实验，前面几个实验暂时不研究 ZigBee 2007 协议栈，我们在做实验中穿插相关内容。避免刚接触 ZigBee 2007 协议栈理论枯燥乏味，不易理解，学习效率低。
5. 看协议栈视频、资料、文档，加深对协议栈的理解
6. 看完视频后接着再做后面的实验强化研究 ZigBee 2007 协议栈，我们在做实验中穿插相关内容。避免刚接触 ZigBee 2007 协议栈理论枯燥乏味，不易理解，学习效率低。
7. 看协议栈视频、资料、文档，加深对协议栈的理解
8. 看完视频后接着再做后面的实验强化
9. 最后研究 “实践项目” 就欧了