基于CC2530的ZigBee组网研究与实现毕业论文.docx
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基于CC2530的ZigBee组网研究与实现毕业论文.docx
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基于CC2530的ZigBee组网研究与实现毕业论文
基于CC2530的ZigBee组网研究与实现
学院:
专业:
姓名:
指导老师:
计算机学院
计算机科学与技术3班
冯子哲
学号:
职称:
160201102960
张华敏
副教授
中国·珠海
二○二零年五月
诚信承诺书
本人郑重承诺:
本人承诺呈交的毕业设计《基于CC2530的ZigBee组网研究与实现》是在指导教师的指导下,独立开展研究取得的成果,文中引用他人的观点和材料,均在文后按顺序列出其参考文献,设计使用的数据真实可靠。
本人签名:
日期:
年月日
基于CC2530的ZigBee组网研究与实现
摘要
Zigbee是一种应用范围最广的双向无线通信技术之一,不仅有近距离、低复杂度的特点,还有着低功耗、低成本的优势。
传输速率不高的各种电子设备之间的数据传输选择使用这门技术也是因为他的特点和优势。
之前被称为HomeRFLite、RF-EasyLink或FireFly的无线电技术,现在都统一称为Zigbee技术;Zigbee与别的无线技术不同,就比如WiFi,虽然传输速率没有WiFi高,但功耗相比极低,可以用电池供电;Wifi一般覆盖一定范围,Zigbee则组成无线传感器网络,能够应用于多种领域,比如特别贴切生活的智能家居领域,报警系统;一片区域的环境监测等,不过在最早期的时候大量应用于军事领域,未来前景还有很大发展空间;所选的芯片型号为CC2530-F256,该系列使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核,是CC243X的升级版,性能上更稳定。
关键词:
CC2530芯片;ZigBee技术;Zstack协议栈;IEEE802.15.4;
ResearchandimplementationofZigBeenetworkingbasedonCC2530
Abstract
Zigbeeisoneofthemostwidelyusedtwo-waywirelesscommunicationtechnologies,whichnotonlyhasthecharacteristicsofshortdistanceandlowcomplexity,butalsohastheadvantagesoflowpowerconsumptionandlowcost.Datatransmissionbetweenvariouselectronicdeviceswithlowtransmissionrateisalsochosentousethistechnologybecauseofitscharacteristicsandadvantages.PreviouslyknownasHomeRFLite,rf-easylinkorFireFly,nowknownasZigbeetechnology;Zigbeeisdifferentfromotherwirelesstechnologies,suchasWiFi.AlthoughthetransmissionrateisnotashighasWiFi,thepowerconsumptionisverylow,anditcanbepoweredbybatteries.Generally,Wificoversacertainrange,whileZigbeeformsawirelesssensornetwork,whichcanbeappliedtoavarietyoffields,suchassmarthomeandalarmsystem,whichisespeciallysuitableforlife.Anareaofenvironmentalmonitoring,butintheearlydaysofalargenumberofmilitaryapplications,thereisstillalotofroomforfuturedevelopment;Theselectedchipmodeliscc2530-f256.The8051CPUkernelusedinthisseriesisasingle-cycle8051compatiblekernel,whichisanupgradedversionofCC243Xandmorestableinperformance.
Keywords:
CC2530chips;ZigBeetechnology;Zstackprotocolstack;IEEE802.15.4;
1、绪论1
1.2.1国外ZigBee技术发展概况4
1.2.2国内ZigBee技术发展概况4
1.2.3ZigBee技术的研究意义5
2、ZigBee协议及基本结构6
2.1ZigBee联盟的发展及现状6
2.2ZigBee的协议概述6
2.3ZigBee协议栈的基本理解与基本应用7
2.3.1ZigBee协议栈的理解7
2.3.2如何使用ZigBee协议栈8
2.4ZigBee无线网络通信信道分析8
2.5ZigBee无线网络体系结构9
2.5.1节点类型9
2.5.2网络拓扑结构10
3、实验过程及结果11
3.1本设计的研究目标、内容及效果11
3.2本设计所用的基本工具(硬件、软件)11
3.3实验步骤12
3.3.1器材准备12
3.3.2开发环境准备13
3.3.3操作步骤及实验现象14
3.4关键代码作用及展示18
4、结论21
参考文献22
谢辞23
附录24
1、绪论
全球科技、经济飞速发展,通信占据极其关键的一环,如何能在当今迅猛的发展节奏下分毫不差的快速传输数据,并能进一步做出相对应的策略,是我们当今追求的理想效果,而新型无线技术又是通信中当今的发展趋势,更是科技上所持续关注的焦点。
比较具有代表性的无线技术有Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth、超宽频(UltraWideBand)和近距离无线传输(NFC)等等。
其中ZigBee诞生于2003年,它的出现引领了无线技术的更进一步,当时的出现虽然最开始是为了弥补蓝牙通信协议的缺陷,但它本身拥有着前所有未有的低成本和低功耗的优势,在无线网络领域中立下了不可动摇的根基。
1.1课题背景
当今社会迅猛发展,高科技技术不断创新,通信技术在其中充当着重要的一环,人们对通信技术的要求日益提高,而无线通信技术更是通信技术中未来的发展重点。
无线网络技术按照传输范围来分的话,总结为以下4大类:
无线广域网(WWAN)、无线城域网(WMAN)、无线局域网(WLAN)和无线个人域网(WPAN)。
这些众多的网络技术都有他们广泛应用的层面,而我这次设计涉及到的是无线个人域网,即相比之下短距离的网络,比较具有代表性的有:
蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、UWB和NFC等等;ZigBee也是最受业界关注的标准之一。
每种无线技术都有自己擅长的领域,在工业控制领域、智能家居、医疗设备和无线传感器网络等比较贴切生活的应用来说,每种技术应用效果也大不相同:
1蓝牙(Bluetooth)最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制,后来这项无线网络技术在1998年由爱立信、IBM、东芝、Intel和诺基亚这5家公司联合推出。
从近十年来看,总体来说蓝牙的发展还是不错的,为生活作出重大改善,很多人喜欢运动,手上戴着蓝牙手环已经不是罕见的事,它能将监测人体的身体数据传到手机端或者电脑端,其他常见的应用还有蓝牙耳机、手机上的蓝牙信息互传、汽车上的蓝牙连接等,虽然成本在当时也算低,发展时间也有一定年份了,积累了很多经验,规范性的构建基本完善,但是传输距离和功耗一直是他的短板。
如果你有用过蓝牙耳机,对于传输距离你肯定深有体会,手机放在房间里,走到大厅的时候就有可能蓝牙断开了;功耗的短板就更加明显了,蓝牙耳机能持续听半天就非常不错了,之后充电的话也需要数小时,所以在大多生活应用中不是最佳选择。
2Wi-Fi是诞生于1999年的Wi-Fi联盟创立的品牌,现在绝大部分的手机和电脑都支持Wi-Fi上网,确实也已经渗透了我们的日常生活,在家里、大街上、室内等地方无处不充斥着Wi-Fi的覆盖。
在生活中的应用也很普遍,家中的网络、手机的Wi-Fi连接,传输速度比较出色,并且还在不断进步,传输距离甚至可以达到上百米,但是价格相对昂贵,且功耗也大,组网能力差,在某些领域不能发挥其优点。
3UWB(超宽带技术)最早是在2002年开始应用到民用领域,传输速度极快,可高达几百Mbps的传输速率,在当时情况下,这门技术在室内定位领域占据重要地位,由于定位受到干扰的因素有很多,室内定位的复杂程度远比室外定位的高,建筑的构架也会影响当初的GPS定位,这种情况下设备会自动切换为LBS基站定位,即直接获取基站的位置,所以造成了位置的偏差,室内定位在当时阶段并不好解决,不能实现精确的室内定位。
直到UWB技术的诞生应用,它有一个非常关键的优势,很好的解决了室内定位的难题,就是定位的穿透力极强。
但目前UWB的发展中存在的频率管制、标准化等难题,也还必须面对其他无线技术的竞争。
4NFC由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来,在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能,生活中常见的就是一些智能手机的前置摄像头附近,就有这个功能,搭乘公交车时可以依靠这个功能刷卡上车,它的功能就是能在短距离内迅速的组建网络,识别网络并进行数据的相互通信,虽然传输距离仅为10cm左右,但也深度进入了我们的生活,在支付领域有代表性作用,还有通道控制、门禁、收费站、停车场等等。
但NFC的普及需要有大量的硬件设备来支持,并且有两个风险,毕竟NFC大多涉及到付款的应用,那这个付款也有一定的标准,在各行各业中都有差异,那么应该遵循什么标准,也是要继续改进的地方;还有付款的项目大小不一,那么这个最高额度又该如何界定,这些都是需要商酌才能统一,才能便利的使用。
5ZigBee技术的名字起源于蜜蜂之间传递信息的方式,是基于IEEE802.15.4标准的无线技术。
2003年12月,Chipcon公司推出第一款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器CC2420,而后又有很多家公司推出与CC2420收发芯片相匹配的处理器,其中以ATMEL公司的Atmega128最成功。
2004年12月,Chipcon公司推出全球第一个IEEE802.15.4Zigbee片上系统解决方案—CC2430无线单片机,该芯片内部集成了一款增强型的8051内核以及当时业内性能卓越的射频收发器CC2420。
2005年12月,Chipcon公司推出内嵌定位引擎的ZigbeeIEEE802.15.4解决方案CC2431。
2006年2月,TI公司收购Chipcon公司,又相继推出一系列的Zigbee芯片,比较有代表性的片上系统有CC2530等。
本设计就是基于CC2530的作品,ZigBee技术与其他无线技术相比有独特的优势:
1、成本低,模块成本仅为几块钱,并且协议免专利费,可以直接工作在2.4 GHz(全球流行)、868 MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)三个频段上,分别具有最高250 kb/s、20 kb/s和40 kb/s的传输速率;2、低功耗,由于传输速率一直不是ZigBee的优势,所以一般使用ZigBee技术的设备传输数据量也是比较小的,并且ZigBee还有休眠模式,就是在设备活跃度不高的情况下,相当于进入了计算机的屏保待机模式,后台关键程序依然在运行,但已经减少了大部分的电量消耗,因此ZigBee设备较其他无线技术省电;3、网络容量大,Zigbee设备既可以使用64位IEEE网络地址,又可以使用指配的16位网络短地址。
在一个单独的Zigbee网络内,理论上可以容纳最多216个=65 536个设备;4、安全可靠,首先要明白的是无线通信虽然我们肉眼是看不到的,但它却真实存在,所以构建的难度比有线网络更大,而且出错率相比会更高,有线网络可以通过线路来控制,但无线网络就要控制传输的信道,控制信道可比控制线路难度大多了,不稳定性也更高了,因而面临着众多有线网络所没有的问题。
而为了解决这些在以前有线网络中没遇到过的问题,规范Zigbee的协议在物理层和MAC层中,包含能尽量避免这些信道冲突的数据传输方法,后手还有数据的确认和检验等手段相结合,可保证数据的可靠传输;5、时延短,时延有分进入工作状态的时延和工作中的时延,就像电脑开机一样,有些电脑开机需要几十秒甚至几分钟,而优秀的电脑可以将这个时间缩短到十秒以内;开机之后,有些电脑打开一个网页需要加载数秒,而性能好的电脑在同一网络情况下打开同一网页的速度只需要一眨眼,这就是时延短所带来的好处。
而ZigBee相比普通的无线技术来说,它就是一台优秀且性能好的电脑;6、灵活的网络拓扑结构,Zigbee支持三种拓扑结构,分别是星型、树型和网状型拓扑结构,一个网络优劣的标准之一在于他的结构,为什么它能称的上灵活呢,就是因为它可以通过路由来扩散自己的传播范围节点,在众多的网络节点中,每个节点都可以实现直接通讯或间接通讯,而相比之下蓝牙的网络结构就死板很多;7、传输距离远,这里的传输距离远不是指简易的ZigBee网络中,最普通的ZigBee网络也只能传输几十米的距离,不过在增加RF(射频)发射功率后,最高甚至可增加至3km,最关键的地方在于,值得我们关注的是,这个网络可以通过路由节点实现通讯接力,这是什么意思呢?
以我的理解来看就是突破了本身技术的上限,理论上的传输覆盖范围由节点的数量决定,可以扩大非常多。
生活上的应用主要是短距离范围内的低速率数据传输的设备,所以在智能家居和小型电子设备(传感器、鼠标、键盘等)的无线控制占着重要分量。
1.2ZigBee技术的研究概况及意义
1.2.1国外ZigBee技术发展概况
ZigBee联盟成立于2002年8月,由TexasInstruments、Ember、Freeseale、Honeywell、Motorola、Philips和Samsung等公司联合创建,发展时间最早,成熟程度最高,如今有上百家的相关企业被这个联盟的前景所吸引,纷纷加入了这个联盟,ZigBee联盟的势力一直在不断变大,从未失落过,联盟企业包括IC供应商,无线IP供应商,ADDR服务提供、OEMs,测试设备制造商,最终产品制造商等,该联盟不仅包含了上百家会员,并且许多厂商将ZigBee纳入产品中,这些企业能不断为ZigBee的发展提供新想法和各种问题的解决方案。
1.2.2国内ZigBee技术发展概况
国内ZigBee的技术还没有国外的这么标准和成熟,毕竟这门技术诞生于国外,技术的源头也在国外的科学家中,所以对于国内的这门技术的发展,我们还有很多的路要走,要面临的难题还很多,就比如说生产这块,虽然我们国家不缺生产力,缺的是这门技术的核心——芯片,对于芯片厂家的出口,在国内一直都有数量的限制,所以要想大力发展这门技术,还得能开发出并掌握这门技术的核心;就比如最近的手机芯片,华为首推出国内自主研发的芯片,至少能在芯片市场打出一片势力,不需要完全依靠国外的提供,这就是核心技术掌握在自己手中的好处,但ZigBee这方面,国内目前还未能有比较成熟的自主研制的ZigBee产品,不过无线技术肯定是也必然是将来发展的趋势,而我国对这门技术有深入研究过的人才不多,总的来说应该只有国家级别的科研人员和重点大学的个别教授才有这方面研究的经验,也是本着他们对科研的态度和时代的进步,促使我国对这门技术的发展有更进一步的成功,毕竟无线技术最终也是应用到我们日常生活中,所以他们的首要研究方向也是与我们的日常生活不可分割,他们首先是利用国外的开发平台和芯片,做ZigBee网络相关的技术,在掌握了技术原理之后,再慢慢将技术引进我们的生活当中,逐渐改善我们的生活。
无线技术的研究必然是大趋势,国产ZigBee也正在不断突破自我,将来有一天必然会绽放光芒,所以无线网络领域在国内市场一定还有很大空间。
1.2.3ZigBee技术的研究意义
①ZigBee作为当今应用领域较广的技术之一,从2003年开始发展,也算是比较新的技术之一,有许多其他无线技术所不具备的优点,例如成本低,研究门槛低,网络容量高,功耗低,发展历程短,还有很多功能方面可以进一步提高。
②ZigBee也是当今无线技术中的焦点,早有许多先例应用到各个领域,并且取得不错的效果,我研究的精准实时传输数据,也算是该技术应用的开头,并且在广大的市场领域,需求一直在不断上升。
③ZigBee网络被广泛应用于家庭自动化、家庭安全、工业现场控制、环境控制、医疗护理、交通运输等各个领域,应用的领域都非常贴切生活实际,对改善群众的生活质量有着直接影响,等到技术开发完善,需求量不是问题,ZigBee无线技术前景一片光明。
2、ZigBee协议及基本结构
2.1ZigBee联盟的发展及现状
ZigBee联盟成立于2002年8月,由TexasInstruments、Ember、Freeseale、Honeywell、Motorola、Philips和Samsung等公司联合创建,这些联盟成员向着给世界带来更大自由度和灵活度的发展的目标,属于非盈利性组织,帮助世界朝着智能化和可持续发展化不断进步,成员包括国际著名的半导体生产商、技术开发商、技术集成商和最终使用者。
到目前为止,联盟成员有16个promoters,114个participate,170个adaptor。
2.2ZigBee的协议概述
在无线传感网络节点之间,每个网络节点需要进行通信的话,就需要具备相应的无线网络协议(包括MAC层、路由层、网络层、应用层等),这些协议规范着数据传输的方法,大小和安全性等问题,是无线网络的通信标准,决定了无线传输的效率和数据传达的正确率。
由于传统的无线协议难以满足低成本、低能耗、高容错等要求,所以产生了ZigBee协议。
ZigBee是基于IEEE802.15.4的标准上建立的,但我们要知道的是,在这个标准上建立不代表这个标准规范了整个ZigBee协议内容,下面有一张图表示的非常清楚,IEEE仅包括最底层的MAC层和物理层协议,上面的那三个层,从路由网络到用户的应用,都是ZigBee联盟来扩展定义,并将其标准化。
一个简易的ZigBee网络传输距离或许很短,但由于他的网络容量大的特点,可以将成千上万的的微传感器互相连接起来,期间他们的数据互通有无,通信的高效率也不在话下,形成了一个覆盖范围巨大的网络数据圈;而又由于它的低功耗的特点,即使这些传感器数量庞大,但其实每个传感器节点仅仅需要极少的电量供给,就能维持比其他无线技术长的多的时间(仅靠普通的电池就能维持数个月以上)。
不仅如此,整个ZigBee网络是可以与现有的其他的各种的网络连接。
下图就是ZigBee无线网络协议层的架构图:
2.3ZigBee协议栈的基本理解与基本应用
2.3.1ZigBee协议栈的理解
那么在前面讲到了ZigBee的协议,那么ZigBee协议栈又是什么呢?
一开始我了解的时候对协议和协议栈充满了疑问,网上一般搜到的解释都是比较官方的,说的比较笼统,我开始用我自己的方法去理解这个“栈”的意义,栈,一般生活中想到的词组是“客栈”、“栈道”等,顾名思义,在用于客栈的时候,理解为旅客住宿的房屋,“栈”有存储的意思;在用于栈道的时候,理解为用木料或其他材料建设的通道,此时“栈”有通道的意思;所以我将协议栈的“栈”也理解为存储、通道的意思。
那这样通俗的理解之后,ZigBee协议和它的协议栈之间又有什么关系呢?
这就比较好理解了,其实,协议作为一系列规范的通信标准,通信双方都要严格按照这一标准来实现数据的无线发送和接收,那么谁来控制这一系列存储起来包装起来的规则并发挥出它的作用呢?
就是协议栈,协议栈将上面所说的5层的每层协议统一打包到一起,并且以函数的形式实现,最后给用户提供应用层(APL),可以让用户直接调用,通俗说协议栈就是协议和用户之间的一个接口,作为他们之间信息传递的通道,开发人员也是通过使用协议栈来使用协议。
2.3.2如何使用ZigBee协议栈
刚刚上面讲到了开发人员是通过协议栈来使用协议的,那么到底是怎样使用的?
根据上面讲的,协议栈就可以理解为代码,很多一系列代码的函数库,供上层应用调用。
就像本设计中,最开始,我的协调器节点和终端节点之间需要无线数据的通信,那我就肯定要调用组网函数;然后我想实现这两个节点之间的数据传输时,终端节点就是发送端,就调用无线数据的发送函数,协调器节点就是接收端,就调用接收函数;所以举了这么多情况的例子,就是要说明,协议栈就是一个集成的函数库,当你需要具体的应用时,就调用具体函数,但就目前我这个阶段来说,我只要掌握如何调用就可以了,至于为什么调用这个函数能实现你想要的功能,需要研究再深一层的时候再考虑,不然调用还不扎实,埋头研究协议栈反而会一头雾水,也不利于学习的兴趣,所以现阶段我也没有考虑协议栈的深层,毕竟那些功能在协议栈里面早已经帮我们工作好,我们只需要学会如何运用这些API函数就可以。
例如用户想实现一个简单的无线数据通信时的一般步骤:
1、组网:
2个节点或以上,调用协议栈的组网函数,加入网络函数,实现网络的建立与节点的加入,其中一定要有协调器和终端节点。
2、发送:
发送节点一般是终端,调用协议栈的无线数据发送函数,实现无线数据发送。
3、接收:
接收节点一般是协调器,调用协议栈的无线数据接收函数,实现无线数据接收。
2.4ZigBee无线网络通信信道分析
首先我们要知道的是,无线通信系统中,天线是重要的一个组成部分。
在生活中也不难看到,家庭的电视接收天线,汽车上面的信号接收天线,手机的通信天线等,不过随着无线技术的迅速发展,以前有损颜值的天线都被“隐藏”了起来,现在大多生活中的天线都是内置的,不会暴露于我们视野之中,本设计的开发板所用的也是隐藏的PCB天线,内置于开发板上,虽然PCB天线的有效范围不如外置天线广(PCB天线室内可穿两堵墙,距离大概为120M;外置天线空旷情况下可覆盖2500M范围),但本设计主要是想展示无线组网的原理和效果,并不需要这么长的传播范围,同时也是为了方便携带,所以采用了PCB天线。
那么天线到底起到了什么关键的作用?
那我们就要从这门技术的原理开始了解,你想啊,无线通信,虽然是无线,但中间肯定有传播的介质才能完成一来一回的信号发射和接收,不难猜测,这个介质就是我们无处不在,无可避免,围绕整个世界的空气,再通过电波来完成这一整个过程,那么电波又是什么?
简单来说,天线的功能就是将电转换为波,来完成无线电波的发射和接收,分为两步,开始是需要有电源,天线将电能转换为电磁波,电磁波通过空气这个介质发射;接收时电磁波又通过空气这个介质返回,天线将电磁波转换为电流,完成接收。
上面我分析了无线的传播和接收途径,他们都存在于无形的空气中,虽然我们看不到,感觉不了,但它确实真实存在,那么就要考虑另一个问题了,不同的设备之间所需要的波不同,不同的波有不同的频谱,比如收音机跟卫星,他们之间的频谱差别巨大,从几十兆赫兹到几千兆赫兹,但他们都是通过空气来作为传输介质来传播,那么必然会遇到一个问题,这么多
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