Zigbee知识点.docx

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Zigbee知识点

第1章Zigbee概述

1、Zigbee是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，主要用于近距离无线连接。

2、Zigbee的特点是功耗低、成本低、时延短、网络容量大、可靠安全。

3、常见的Zigbee芯片有CC243X系列、MC1322X系列和CC253X系列。

4、常见的Zigbee协议栈有非开源（msstatePAN）协议栈、开源（freakz）协议栈和半开源（Zstack）协议栈。

5、Zigbee软件开发平台包括IAR、ZigbeeSniffer、物理地址修改软件以及其它辅助软件。

6、Zigbee硬件开发平台采用AltiumDesigner进行设计。

7、简述Zigbee的定义。

答：

Zigbee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术。

主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间，进行数据传输（包括典型的周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据）的应用。

8、简述无线传感器网络与Zigbee之间的关系。

答：

从协议标准来讲：

目前大多数无线传感器网络的物理层和MAC层都采用从应用上来讲：

Zigbee适用于通信数据量不大，数据传输速率相对较低，成本较低的便携或移动设备。

这些设备只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另外一个传感器，并能实现传感器之间的组网，实现无线传感器网络分布式、自组织和低功耗的特点。

9、Zigbee技术特点：

低功耗、低成本、大容量、可靠、时延短、灵活的网络拓扑结构。

第2章Zigbee技术原理

1、Zigbee协议分为物理层、MAC层、网络层和应用层

2、Zigbee有三种网络拓扑结构，分别是星型、树型和网状型。

3、物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。

4、MAC层提供MAC层数据服务和MAC层管理服务，并负责数据成帧。

5、网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接。

6、Zigbee的应用层由应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象、Zigbee应用框架（AF）、Zigbee设备模板和制造商定义的应用对象等组成。

7、简述MAC层帧的一般结构。

答：

MAC帧，即MAC协议数据单元（MPDU），是由一系列字段按照特定的顺序排列而成的。

设计目标是在保持低复杂度的前提下实现在噪声信道上的可靠数据传输。

MAC层帧结构分为一般格式和特定格式。

一般格式：

三部分，MAC帧头（MHR）、MAC有效载荷、MAC帧尾（MFR）。

特定格式：

信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。

（MAC帧头部分由帧控制字段和帧序号字段组成；MAC有效载荷由地址信息和特定帧的有效载荷组成，MAC有效载荷的有效长度与特定帧类型有关；MAC帧尾是校验序列FCS）。

8、简述Zigbee网络层的功能。

答：

Zigbee网络层主要实现网络的建立、路由的实现以及网络地址的分配。

Zigbee网络层不同功能由不同的设备完成。

其中Zigbee网络中的设备有三种类型：

协调器、路由器和终端节点，分别实现不同的功能：

协调器具有建立新网络的能力；协调器或路由器具备允许设备加入网络或者离开网络、为设备分配网络内部的逻辑地址、建立和维护邻居表等功能；终端节点只需要有加入或离开网络的能力即可。

9、Zigbee技术是一种低速数据传输速率的无线个域网，网络的基本成员称为设备。

按照各自作用分为：

协调器节点、路由器节点和终端节点。

协调器：

整个网络的中心功能为建立、维持和管理网络，分配网络地址。

路由器：

路由发现、消息传输、允许其他节点通过它接入到网络。

终端节点：

数据采集或控制，不允许其他节点通过它加入到网络中。

10、Zigbee网络分为4层，从下向上分别为物理层、MAC层、网络层和应用层

11、Zigbee网络协议体系结构：

应用层包括三部分：

应用支持子层、Zigbee设备对象和厂商定义的应用对象。

网络层提供保证MAC层正确工作的能力，并为应用层提供合适的服务接口，包括数据服务接口和管理服务接口。

通信层（MAC层和物理层）。

12、数据服务接口的作用：

一是为应用支持子层的数据添加适当的协议头以便产生网络协议数据单元；而是根据路由拓扑结构，把网络数据单元发送到通信链路的目的地址设备或通信链路的下一跳地址。

管理服务接口的作用：

提供的服务包括配置新设备、常建新网络、设备请求加入或者离开网络；允许Zigbee协调器或路由器请求设备离开网络、寻址、路由发现等功能。

13、物理层所负责的功能：

工作频段的分配、信道的分配、为MAC层提供数据服务和为MAC层提供管理服务。

14、物理层功能：

数据的发送与接收、物理信道的能量检测、射频收发器的激活与关闭、空闲信道评估、链路质量指示、物理层属性参数的获取与设置。

15、MAC层负责无线信道的使用方式，它们是构建Zigbee协议底层的基础。

其功能如下：

CSMA/CA访问信道；PAN的建立和维护；支持PAN网络的关联和解除关联；协调器产生网络信标帧普通设备根据信标帧与协调器同步；处理和维护保证GTS；在两个对等MAC实体间提供可靠链路。

16、MAC层服务规范，MAC层包括MAC层管理服务（MLME）和数据服务（MCPS）。

MAC管理服务可以提供调用MAC层管理功能的服务接口，同时还负责维护MACPAN信息库；MAC数据服务可以提供调用MAC公共部分子层（MCPS）提供的的数据服务接口，为网络层数据添加协议头，从而实现MAC层帧数据。

17、CSMA/CA机制实际是在发送数据帧之前对信道进行预约，以免造成信道碰撞问题。

CSMA/CA提供两种方式来对无线信道共享访问，其工作流程如下：

送出数据前，监听信道的使用情况，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后信道依然空闲，送出数据；送出数据前，先送一段小小的请求传送RTS报文给目标端，等待目标端回应CTS报文后才开始传送。

18、MAC子层具体功能：

CSMA/CA机制、PAN的建立和维护、关联和解除关联、信标帧。

19、Zigbee网络层的主要作用：

负责网络的建立、允许设备加入或离开网络、路由的发现和维护。

20、网络层内部由两部分组成，分别是网络层数据实体（NLDE）和网络层管理实体（NLME）。

网络层数据实体通过访问服务接口NLDE-SAP为上层提供数据服务；网络层管理实体通过访问服务接口NLME-SAP为上层提供网络层的管理服务，另外还负责维护网络层信息库。

22、网络层协议数据单元（NPDU）即网络层帧的结构，在Zigbee网络协议中定义了两种类型的帧结构，即网络层数据帧和网络层命令帧。

23、Zigbee的应用层由应用支持子层（APS）、Zigbee设备对象、Zigbee应用框架（AF）、Zigbee设备模板和制造商定义的应用对象等组成。

24、Zigbee设备中应用对象驻留的环境称为应用框架（ApplicationFramework，英文简称AF）。

在应用框架中，应用程序可以通过APSDE-SAP发送、接收数据，通过“设备对象公共接口”实现应用对象的控制与管理。

应用支持子层数据服务接口（APSDE-SAP）提供的数据服务包括数据传输请求、确认、指示等原语。

25、每个Zigbee设备都与一个特定的模板有关，这些模板定义了设备的应用环境、设备类型以及用于设备间通信的簇，比如应用环境为智能家居，那么就可以建立一个智能家居的模板。

不过Zigbee模板不是随意定义的，它们的定义，由Zigbee联盟负责。

Zigbee联盟定义了三种模板分别为Zigbee协议栈模板、ZigbeePRO模板以及特定网络模板，在Zstack协议栈中使用了这三种模板。

26、协议模板Zigbee有三种类型的模板可以按使用限制分为：

私有、公开和共用。

每个模板都有一个模板标识符，此标识符必须是唯一的

27、单个的Zigbee设备可以支持多个模板，提供定义的簇标识符和设备描述符。

这些簇标识符和端点标识符通过设备地址和端点地址来实现实现：

设备地址：

包含有IEEE地址和短地址的无线收发装置；端点地址：

设备中的不同应用端点号代表。

一个设备中最多可以有240个端点。

28、功能描述：

Zigbee应用框架的功能可以简单概括为组合事务、接收和拒绝。

29、Zigbee设备对象（ZDO）使用应用支持子层（APS）和网络层提供的服务实现Zigbee协调器、路由器和终端设备的功能。

ZDO的功能包括：

初始化应用支持子层、网络层和其他Zigbee设备层；汇聚来自端点应用的信息，以实现设备和服务发现、网络管理、绑定管理、安全管理、节点管理等功能。

30、Zigbee网络中的设备类型有三种：

协调器、路由器和终端节点，每一种的设备的设备对象行为都不同。

第3章Zigbee硬件设计

1、原理图设计基本要求：

规范、清晰、准确、易读。

2、在硬件设计过程中根据功能和性能需求制定合适的方案，选取合适的CPU及外围元件

3、Zigbee硬件分为三部分，即CC2530核心板、协调器底板和路由器底板。

4、协调器底板集成了LED、LCD、RS232、电源接口、JTAG接口、蜂鸣器、时钟模块、按键以及传感器模块。

5、路由器底板集成了LED、电源接口、JTAG接口、蜂鸣器、按键以及传感器模块。

6、简述对CPU进行选型时需要注意的事项。

答：

1性价比高；2容易开发；3可扩展性好。

7、简述低功耗设计的注意事项。

答：

选择低功耗器件；去除不必要的器件；选择合适的电源；综合考虑所以器件的工作电压范围；利用器件本身特性降低功耗。

8、Zigbee的硬件设计，主要内容包括硬件设计规则及注意事项、Zigbee节点硬件总体设计、Zigbee节点低功耗设计，其中:

硬件设计规则及注意事项主要包括需求分析、元器件选型以及设计的基本原则；硬件总体设计分别介绍Zigbee核心板、Zigbee协调器底板和路由器底板；主要讲解在低功耗设计过程中所要考虑的问题以及需要注意的事项。

9、原理图设计的一般过程包括以下几个方面：

确定需求、确定核心CPU、参考成功案例、对外围器件的选型、设计基本原则。

10、在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤。

11、路由器底板的电源有两种供电方式，外接电源供电和电池供电。

外接电源供电和协调器底板完全相同，不同的是电池供电，电池采用两节的五号电池串联得到电压为路由器底板进行供电。

第4章CC2530基础开发

1、CC2530外设包括I/O引脚、ADC、DMA、串口等。

2、CC2530包括3个8位输入/输出（I/O）端口，分别是P0、P1和P2。

3、CC2530的ADC支持多达14位的模拟数字转换，具有多达12位的有效数字位。

它包括一个模拟多路转换器，具有多达8个各自可配置的通道，一个参考电压发生器。

4、CC2530的8051CPU有四个不同的存储空间,分别为CODE、DATA、XDATA和SFR

5、CC2530内置一个存储器直接存取（DMA）控制器，可以用来减轻8051CPU内核传送数据操作的负担，从而实现在高校利用电源的条件下的高性能。

6、CC2530具有USART0和USART1串行通信接口，能够分别运行于异步URAT模式或者同步SPI模式。

7、定时器1是一个独立的16位定时器，支持典型的定时/计数功能，五个独立的捕获/比较通道。

8、定时器3和定时器4是两个8位定时器。

每个定时器有两个独立的比较通道，每个通道上使用一个I/O引脚。

10、睡眠定时器用于设置系统进入和退出低功耗睡眠模式之间的周期。

11、简述CC2530de增强型8051内核与标准的8051微控制器相比有什么不同。

答：

CC2530的“增强型8051内核”与“标准的8051微控制器”相比，除了速度改进之外，使用时要注意以下两点：

内核代码：

CC2530的“增强型8051”内核的“目标代码”兼容“标准8051”内核的“目标代码”，即CC2530的8051内核的“目标代码”可以使用“标准8051”的编译器或汇编器进行编译。

微控制器：

由于CC2530的“增强型8051”内核使用了不同于“标准8051”的指令时钟，因此“增强型8051”在编译时与“标准8051”代码编译时略有不同，例如“标准8051”的微控制器包含的“外设单元寄存器”的指令代码在CC2530的“增强型8051”不能正确运行。

12、CC2530芯片特征：

高性能、低功耗的8051微控制器内核。

极高的接收灵敏度和抗干扰性。

32KB/64KB/128KB/256KB闪存。

8KBSRAM，具备各种供电方式下的数据保持能力。

强大的DMA功能。

只需极少的外接元件，即可形成一个简单应用系统。

只需一个晶振，即可满足网状型网络系统的需要。

低功耗，主动模式RX（CPU空闲）；主动模式TX（CPU空闲）；供电模式1（4us唤醒）；供电模式2（睡眠定时器运行）；供电模式3（外部中断）；宽电源电压范围（）。

硬件支持CSMA/CA。

支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示（RSSI/LQI）。

具有8路输入8位~14位ADC。

高级加密标准AES协处理器。

具有看门狗和2个支持多种串行通信协议的USART。

1个通用的16位定时器和2个8位定时器，1个MAC定时器。

21个通用I/O引脚。

13、CC2530内部模块大致分为三种类型：

CPU和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理模块；射频相关模块。

CPU和内存相关的模块：

CC2530CPU；存储器以及映射（CC2530的物理存储器、存储空间、映射和存储器仲裁）。

14、映射就是将CC2530的物理存储器映射到其存储空间上，有两个作用：

方便DMA访问

存储设备；可在CODE区执行FLASH或SRAM中的代码。

映射的两种形式：

CODE存储器映射（功能：

一是将FLASH映射至CODE存储空间；

二是执行来自SRAM的代码（将SRAM映射至CODE存储空间））；XDATA存储器映射。

15、首先要解决存储空间不对称的问题：

CC2530将FLASH存储器分为几个bank，每个bank的大小是32KB。

对于CC2530F256设备来说，它有8个bank，分别为bank0~bank7。

通过操作寄存器[2：

0]来控制将哪个编号的bank映射到CODE区域。

16、XDATA包含了所有物理存储器的映射，包括8KB的SRAM存储器、XREG、SFR、信息页面和FLASH存储器。

17、存储器仲裁：

主要功能是解决CPU与DMA访问所有物理存储器（除了CPU内部寄存器）之间的冲突问题。

当CPU和DMA之间发生冲突时，“存储器仲裁”停止CPU或DMA的总线。

18、存储器仲裁主要有两个寄存器：

存储器仲裁控制寄存器MEMCTR和闪存区映射寄存器FMAP，这两个寄存器用于控制存储器子系统的各个方面。

19、CC2530软件开发平台使用IAR；IAR对CC2530编程操作提供了良好的C语言支持；CC2530编程包括头文件、运行库以及中断编程等。

20、CC2530的CPU寄存器与标准的8051的CPU寄存器相同，都包括8组寄存器R0~R7、程序状态字PSW、累加器ACC、B寄存器和堆栈指针SP等。

CC2530的CPU指令与标准的8051的指令集相同。

21、CC2530的中断系统是为了让CPU对内部或外部的突发事件及时地作出响应，并执行相应的中断程序。

中断由中断源引起，中断源由相应的寄存器来控制。

当需要使用中断时，需配置相应的中断寄存器来开启中断，当中断发生时将跳入中断服务函数中执行此中断所需要处理的事件。

22、CC2530有18个中断源，每个中断源都可以产生中断请求，中断请求可以通过设置中断使能SFR寄存器的中断使能位IEN0、IEN1或IEN2使能或禁止中断。

23、中断优先级将决定中断响应的先后顺序，在CC2530中分为六个中断优先组，即IPG0~IPG5，每一组中断优先组中有三个中断源。

中断优先组的优先级设定由寄存器IP0和IP1来设置。

CC2530的优先级有4级，即0~3级，其中0级的优先级最低，3级的优先级最高。

如果同时收到相同优先级或同一优先级组中的中断请求时，将采用轮流检测顺序来判断中断优先级别的响应。

24、中断处理过程：

中断发生时，CC2530硬件自动完成以下处理：

中断申请：

中断源向CPU发出中断请求信号（中断申请一般需要在程序初始化中配置相应的中断寄存器开启中断）；中断响应：

CPU检测中断申请，把主程序中断的地址保存到堆栈，转入中断向量入口地址；中断处理：

按照中断向量中设定好的地址，转入相应的中断服务程序；中断返回：

中断服务程序执行完毕后，CPU执行中断返回指令，把堆栈中保存的数据从堆栈弹出，返回原来程序。

25、在中断函数编写中，当程序进入中断服务程序之后，需要执行以下几个步骤：

将对应的中断关掉（不是必须的，需要根据具体情况来处理）；如果需要判断具体的中断源，则根据中断标志位进行判断（例如所有I/O中断共用1个中断向量，需要通过中断标志区分是哪个引脚引起的中断）；清中断标志（不是必须的，CC2530中中断发生后由硬件自动清中断标志位）；处理中断事件，此过程要尽可能的少耗时；最后如果在第一步中关闭了相应的中断源，需要在退出中断服务程序之前打开对应的中断。

26、CC2530包括3个8位输入/输出（I/O）端口，分别是P0、P1和P2。

其中P0和P1有8个引脚，P2有5个引脚，共21个数字I/O引脚，具有以下功能：

通用I/O；外设I/O；外部中断源输入口；弱上拉输入或推拉输出。

27、在设置I/O口的中断时必须要将其设置为输入状态，通过外部信号的上升或下降沿触发中断。

通用I/O的所有的外部中断共用一个中断向量，根据中断标志位来判断是哪个引脚发生中断。

28、通用I/O中断寄存器有三类：

中断使能寄存器、中断状态标志寄存器和中断控制寄存器

29、中断使能寄存器IENx（其中x为0，1，2）。

IENx寄存器包括三个八位寄存器：

IEN0、IEN1和IEN2。

IENx中断主要是配置总中断和P0~2端口的使能。

（IE：

P0端口中断使能。

IE：

P1端口中断使能。

IE：

P2端口中断使能。

）

30、中断配置，为了使能任一中断，应该采取以下步骤：

设置需要发生中断的I/O口为输入方式。

清除中断标志，即将需要设置中断的引脚所对应的寄存器PxIFG状态标志位置0。

设置具体的I/O引脚中断使能，即设置中断的引脚所对应的寄存器PxIEN的中断使能位为1。

设置I/O口的中断触发方式。

设置寄存器IEN1和IEN2中对应引脚的端口的中断使能位为1。

设置IEN0中的EA位为1使能全局中断。

编写中断服务程序。

31、整个P0口可作为ADC使用，因此可以使用多达8个ADC输入引脚。

此时P0引脚必须配置为ADC输入。

APCFG寄存器（ADC模拟外设I/O配置寄存器）可以配置P0的某个引脚为一个ADC输入，且相应的位必须设置为1。

32、串口：

USART0和USART1均有两种模式，分别是异步UART模式或同步SPI模式，并且每种模式下所对应的外设引脚有两种，即外设位置1和外设位置2。

和为端口1指派外设优先顺序，当两者都设置为0时，USART0优先。

33、定时器1：

用于设置定时器1是使用外设位置1还是外设位置2，定时器1的外设信息对应如下：

0：

通道0捕获/比较引脚。

1：

通道1捕获/比较引脚；2：

通道2捕获/比较引脚；3：

通道3捕获/比较引脚；4：

通道4捕获/比较引脚。

34、定时器3：

用于设置定时器3是使用外设位置1还是外设位置2。

（0：

通道0比较引脚；1：

通道1比较引脚。

）

35、CC2530共有四个振荡器，它们为系统时钟提供时钟源。

（2MHz外部晶振、16MHz内部RC振荡器、32KHz外部晶振和32KHz内部RC振荡器。

其中32MHz晶振和16MHz内部RC振荡器是两个高频振荡器；32KHz晶振和32KHz内部RC振荡器是两个低频振荡器）

36、CC2530内部有一个内部系统时钟和一个主时钟。

37、CC2530的供电模式有五种：

主动模式、空闲模式、PM1、PM2和PM3。

38、CC2530的复位源有5个，这5个复位源分别是：

强制RESET_N输入引脚为低电平复位，这一复位经常用于复位按键；上电复位，在设备上电期间提供正确的初始化值。

布朗输出复位，只能运行在数字电压，此复位是通过布朗输出探测器来进行的。

布朗输出探测器在电压变化期间检测到的电压低于布朗输出探测器所规定的最低电压电压时，导致复位；看门狗定时复位，当使能看门狗定时器，且定时器溢出时产生复位；时钟丢失复位，此复位条件是通过时钟丢失探测器来进行的。

时钟丢失探测器用于检测时钟源，当时钟源损坏时，系统自动使能时钟丢失探测器，导致复位。

39、CC2530在复位之后初始状态如下：

I/O引脚配置为带上拉的输入；CPU程序计数器在0x0000，并且程序从这个地址开始；所有外设寄存器初始化为各自复位值；看门狗定时器禁用；时钟丢失探测器禁用。

40、USART0和USART1是串行通信接口，两个USART具有同样的功能，可以分别运行于异步UART模式和同步SPI模式。

41、异步UART模式:

UART模式提供异步串行接口，在UART模式中，有2种接口选择方式：

2线接口和4线接口。

（2线接口，即使用RXD、TXD。

4线接口，即使用引脚RXD、TXD、RTS和CTS）

42、UART模式的操作具有以下特点:

8位或者9位负载数据。

奇校验、偶校验或者无奇偶校验。

配置起始位和停止位。

配置LSB（最低有效位）或者MSB（最高有效位）首先传送。

独立收发中断。

独立收发DMA触发。

奇偶校验和帧校验出错状态。

43、串口初始化：

选择工作时钟。

选择串口外设备用位置。

初始化I/O口。

设置波特率。

44、SPI模式：

在SPI模式中，USART通过3线接口或者4线接口与外部系统通信。

接口包含引脚MOSI、MISO、SCK和SS_N。

当设置为0时，选中SPI模式。

SPI模式包含下列特征：

3线或者4线SPI接口。

主和从模式。

可配置的SCK极性和相位。

可配置的LSB或MSB传送。

45、每个USART都有两个中断：

RX完成中断和TX完成中断。

46、DMA：

CC2530内置一个存储器直接存取（DMA）控制器。

该控制器可以用来减轻8051CPU内核传送数据时的负担，有效降低功耗。

CPU做初始化工作后，DMA控制器就可以将数据从相关外设传送到存储器。

CC2530的DMA控制器协调所有的DMA传送，确保DMA请求和CPU访问存储器之间按照优先等级协调合理的进行。

DMA控制器含有若干个可编程的DMA通道，用来实现存储器与存储器之间的数据传送，即DMA控制器通过访问整个XDATA存储空间来进行存储器与外设之间的数据传输。

47、使用DMA可以在CPU在休眠状态下使外部设备之间传送数据，从而降低各系统的能耗，因此DMA的操作能够减轻CPU的负担。

DMA控制器的主要特点如下：

具有5个独立的DMA通道。

具有3个可以配置的DMA通道优先级。

具有31个可以配置的传送触发事件。

数据传输的源地址和目标地址可独立控制。

具有单独传送、数据块传送和重复传送3种数据传送模式。

数据传输长度可变。

既可以工作在字模式，又可以工作在字节模式。

48、DMA有5个通道，即DMA通道0~4。

每个DMA通道能够从DMA存储器空间的一个位置传送数据到另一个位置，比如从XDATA的XREG到RAM。

49、DMA配置参数：

源地址、目标地址、传送地址、可变长度设置、优先级、DMA优先级、触发事件、源地址和目标增量、传送模式、字节传送或字传送、中断屏蔽、模式8设置。

50、ADC：

CC2530的ADC支持多达14位的模拟数字转换，具有多达12位的有效数字位