ZigBee无线通讯技术 交通物联网应用技术

教学目的 介绍ZigBee无线组网技术的基础知识，包扩IAR集成开发环境，ZigBee硬件接口，协议栈移植与应用 掌握基于ZigBee无线网络的数据传输与应用，会使用常见的ZigBee开发工具与软件。

ZigBee技术简介 ZigBee技术概念 ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。 主要用于近距离无线连接。它依据IEEE 802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 ZigBee无线网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立。因此它具备简单、方便、稳定和低成本等特点。

ZigBee技术简介 ZigBee技术的工作频段与规范 ZigBee可使用的频段有3个，分别是2.4GHz的ISM频段、欧洲的868MHz频段、以及美国的915MHz频段，而不同频段可使用的信道分别是16、1、10个。

ZigBee技术简介 ZigBee技术特点 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。 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。 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。

ZigBee硬件接口介绍 常见的ZigBee硬件方案 MCU和RF收发器分离的双芯片方案如： TI CC2420+MSP430 、FREESCLAE MC13XX+GT60 、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU 集成RF和MCU的单芯片SOC方案 如：TI CC2430/CC2431 、ST STM32W108、FREESCALE MC1321X 、EM250。 ZigBee协处理器和MCU的双芯片方案如： JENNIC SOC+EEPROM、EMBER 260+MCU

ZigBee硬件接口介绍 CC2530处理器硬件接口 微控制器 外设接口 高性能和低功耗的增强型8051微控制器内核； 32/64/128/256KB系统可编程闪存、支持硬件调试； 8KB RAM 外设接口 21个可配置通用IO引脚； 2个同步串口； 1个看门狗定时器； 5通道DMA传输； 1个IEEE802.15.4标准MAC定时器和3个通用定时器； 1个32MHz睡眠定时器； 1数字接收信号强度指示RSSI/LQI支持； 8通道12位AD模数转换器，可配分辨率，内置电压、温度传感器检测； 1个AES安全加密协处理器；

ZigBee硬件接口介绍 STM32W ARM处理器硬件接口 STM32W是一款系统级（SoC）芯片，整合最优异的IEEE 802.15.4射频性能与32位ARM Cortex-M3 处理器。 STM32W系列的软件包括支持最新的ZigBee PRO规范以及 ZigBee RF4CE IEEE 802.15.4 MAC的软件库以及6LoWPAN无线嵌入式互联网解决方案协议。 处理器型号为32位STM32W108，丰富的存储资源：128K字节Flash，8K字节RAM。

ZigBee软件规范与IAR集成开发环境 freakz协议栈和contiki操作系统 msstatePAN协议栈(精简版ZigBee协议栈) EmberZNet协议栈(ST) BeeStack(Freescale ) SimpliciTI协议栈(TI) Z-Stack协议栈和OSAL操作系统(TI) TinyOS操作系统

ZigBee软件规范与IAR集成开发环境 TI Z-Stack协议栈软件层次 物理层：负责将数据通过发射天线发送出去及从天线接收数据。 介质访问控制层：提供点对点数据的确认及一些用于网络发现和形成的命令。 网络层：主要是对网型网络的支持，如在全网范围内发送广播包，为单播数据包选择路由，确保数据包能够可靠的从一个节点发送到另一个节点，此外，网络层还具有安全特性，用户可以自行选择所需要的安全策略。 应用程序支持子层:提供一些API函数供用户调用，此外，绑定表也是存储在应用程序支持子层。

ZigBee软件规范与IAR集成开发环境 ST EmberZnet协议栈介绍 ZigBee协议分为两部分，IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层技术规范，ZigBee联盟定义了网络层、安全层和应用层技术规范，ZigBee协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供一些应用层API，供用户调用。

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Z-Stack协议栈开发 OSAL系统初始化流程 系统上电后，通过执行Zmain文件夹中ZMain.c的主函数开始系统初始化。当顺利完成上述初始化时，执行osal_start_system()函数开始运行OSAL系统。

Z-Stack协议栈开发 MT层任务的应用 MT模块提供了协议栈与上位机软件交互的接口。 它利用串口进行数据的物理传输，并定义了串口数据包的格式，同时定义了数据包的封装、解析与处理方法。 协议栈在接收到上位机串口数据包后，将由串口回调函数调用MT层任务进行处理。

Z-Stack协议栈开发 SampleApp无线自组网解析 协议栈自带的ZigBee无线网络自启动(组网)样例，该实验实现的功能主要是协调器自启动(组网)，节点设备自动入网，之后两者建立无线通讯

Z-Stack协议栈开发 添加用户自定义任务方法 Z-Stack协议栈以OSAL贯穿始终，用户要添加自己的应用，需要以任务的方式实现。 协议栈中已经将底层的任务模块(必要任务)完成，且留有应用层相应的接口。 OSAL_XXX.c文件中定义了当前工程的任务与OSAL操作系统的函数接口。

常见ZigBee软件应用 Z-Tools工具集使用 Z-Tool.exe Z-Network.exe ZOAD.exe

常见ZigBee软件应用 SmartRF04Programer FLASH编程软件 闪存编程软件(修改IEEE地址)，确保网络中ZigBee节点的64bits IEEE地址唯一。该软件的使用，要确保IAR工程为非调试下载模式。

ZigBee无线网络通讯实验 CC2530硬件接口实验 Z-Stack协议栈无线组网入门实验 基于ZigBee无线网的温度采集传输实验 基于无线网络的数据透传实验 ZigBee Sensor 无线传感网演示实验 物联网智能交通系统之智能车辆无线控制实训

思考题 ZigBee技术有哪些特点？ 简述常见的ZigBee软硬件方案？ 结合Z-Stack协议栈简述ZigBee无线网的自启动过程？

思考题 物联网信息感知层技术如何分类？ 常见传感器的分类？ 什么是电阻式传感器的压阻效应与压阻系数？ 数字型温湿度传感器的补偿算法如何实现？ 智能传感器有哪些特点？