Zigbee基本通信实验MDK.docx
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Zigbee基本通信实验MDK.docx
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Zigbee基本通信实验MDK
Zigbee基本通信实验
1实验目的
Ø了解Zigbee的原理及在软件上如何编程来方便使用;
Ø掌握S3C2410在MDK下UART通信的编程方法。
2实验设备
Ø硬件:
EmbestEduKit-IV平台,ULINK2仿真器套件,PC机和Zigbee模块;
Ø软件:
µVisionIDEforARM集成开发环境,Windows98/2000/NT/XP。
3实验内容
Ø学习和掌握EduKit-IV教学实验平台中以S3C2410为处理器,MDK为开发工具编码实现,通过UART与Zigbee模块通信,实现对Zigbee模块的配置和各种组网模式下的通信。
4实验原理
4.1Zigbee起源
无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃(eMote)”技术,是目前国内、外研究的热点技术之一。
该系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术,工作在2.4GHz或868/928MHz,用于个人区域网和对等网状网络。
ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。
它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。
主要用于近距离无线连接。
它依据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。
这些传感器只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。
相对于现有的各种无线通信技术,无线ZigBee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术。
这一技术目前正向工业、民用方向推广和发展,市场前景广阔。
包括国家863计划等项目都在进行相关的研究工作。
因此,本文介绍的基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台,这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、安保系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化和医疗监护设备等许多行业和设备。
具有广泛的适应性。
并能弥补其他无线通信技术的不足,保证其安全性,降低服务成本。
4.2ZigBee网络配置
1.网络设备组成。
ZigBee网络设备主要包括网络协调器、全功能设备和精简功能设备3类。
●网络协调器:
包含所有的网络消息,是3种设备类型中最复杂的一种,存储容量最大、计算能力最强。
功能是发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。
●全功能设备:
全功能设备(Full-FunctionDevice,FFD)可以担任网络协调者,形成网络,让其他的FFD或精简功能装置(RFD)联结。
FFD具备控制器的功能,可提供信息双向传输。
其设备特性有:
附带由标准指定的全部IEEE802.15.4功能和所有特征;更强的存储能力和计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用;也能用作终端设备。
●精简功能设备:
精简功能设备(Reduced-FunctionDevice,RFD)只能传送信息给FFD或从FFD接收信息,其设备特性有:
附带有限的功能来控制成本和复杂性;在网络中通常用作终端设备;RFD由于省掉了内存和其他电路,降低了ZigBee部件的成本,而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。
2.网络节点类型。
从网络配置上,ZigBee网络中有3种类型的节点:
ZigBee协调点、ZigBee路由节点和ZigBee终端节点。
●ZigBee协调点:
ZigBee协调点在IEEE802.15.4中也称为PAN(PersonalAreaNetwork)协调点(ZigBeeCoordinator,ZC),在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。
ZigBee协调点必须是FFD,一个ZigBee网络只有一个ZigBee协调点,它往往比网络中其他节点的功能更强大,是整个网络的主控节点。
它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等,网络形成后也可以执行路由器的功能。
ZigBee协调点是3种类型ZigBee节点最为复杂的一种,一般由交流电源持续供电。
●ZigBee路由节点:
ZigBee路由节点(ZigBeeRouter,ZR)也必须是FFD。
ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息转发,通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。
此外,ZigBee路由节点还可以在它的个人操作空间(POS,PersonalOperatingSpace)中充当普通协调点(IEEE802.15.4称为协调点)。
普通协调点与ZigBee协调点不同,它仍然受ZigBee协调点的控制。
●ZigBee终端节点:
ZigBee终端节点(ZigBeeEndDevice,ZE)可以是FFD或者RFD,它通过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络,但不允许其他任何节点通过它加入网络,ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。
3.网络工作模式。
ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)和非信标(Non-beacon)2种模式,信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠,以达到最大限度的功耗节省,而非信标模式则只允许ZE进行周期性休眠,ZC和所有ZR设备必须长期处于工作状态。
信标模式下,ZC负责以一定的间隔时间(一般在15ms~4min)向网络广播信标帧,2个信标帧发送之间有16个相同的时槽,这些时槽分为网络休眠区和网络活动区2个部分,消息只能在网络活动区的各时槽内发送。
非信标模式下,ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据,ZE主动向其父节点提取数据的机制,实现ZE的周期性(周期可设置)休眠。
网络中所有父节点需为自己的ZE子节点缓存数据帧,所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式,周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中,其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。
4.3ZigBee的网络拓扑结构
ZigBee主要采用了3种组网方式:
星型网、网状网和簇状网。
其中网络协调器相当于本试验中的中心节点,全功能设备相当于本试验中的路由节点,精简功能设备相当于本试验中的终端节点。
●如图1所示在星型网中,一个功能强大的主器件位于网络的中心,作为网络协调者,其它的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。
由于网络协调者定义了整个网络的时分复用和多址接人方式,因此星型网的控制和同步都比较简单,通常用在设备薯莨比较少的场合。
图1星型网
●如图2所示,网状网是由主器件连接在一起形成的,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;
图2网状网
●星型网和网状网相结合则形成了簇状网,如图3所示。
各个子网内部都以星型网连接。
其主器件又以对等的方式连接在一起。
信息流首先传到同一个子网内的主节点。
通过网关节点达到更高层的子网,随后继续上传,直至到达中心采集设备。
中心采集设备与普通的WPAN设备相比具有更强的处理能力。
簇状网可以用于覆盖范围较大的区域,
图3簇状网
在上述网络拓扑结构中,网络的形成和维护通过设备间的通信自动实现,不需要人32干预网络的建立、扩展或者减小。
ZigBee网络中的所有设备都被动态分配到IEEE地址。
4.4SZ05-ZBEE嵌入式无线通信模块介绍
顺舟科技SZ05系列嵌入式无线通信模块,集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器,它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活、性能可靠稳定等优点和特性;可实现点对点、一点对多点、多点对多点之间的设备间数据的透明传输;可组成星型、树型和蜂窝型网状网络结构。
SZ05系列无线通信模块数据接口为TTL电平收发接口。
可以实现数据的广播方式发送、按照目标地址发送模式,除可实现一般的点对点数据通信功能外,还可实现多点之间的数据通讯,串口通信使用方法简单便利,可以大大简短模块的嵌入匹配时间进程。
SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点,这三类设备具备不同的网络功能,中心协调器是网络的中心节点,负责网络的发起组织、网络维护和管理功能;路由器负责数据的路由中继转发,终端节点只进行本节点数据的发送和接收。
中心协调器、路由器和终端节点这三种类型的设备在硬件结构上完全一致,只是设备嵌入软件不同,只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。
表1描述了模块左侧引脚相应标识
表1模块左侧引脚说明
引脚号
标识
功能
备注
1
GND
电源地
2
+5V
电源正5V
输入
3
RX1/TTL
TTL电平输入
TTL电平输入
4
TX1/TTL
TTL电平输出
接用户系统输入RX
5
SGND
串口RS232信号地
信号地
6
TX2/RS232
串口RS232输出
接用户232输入
7
RX2/RS232
串口RS232输入
接用户232输出
8
系统保留
悬空
9
RESET
系统复位
低电平复位
表2描述了模块右侧引脚相应标识
表2模块右侧引脚说明
引脚号
标识
功能
备注
1
DATA
串口数据收发指示
低电平点亮,数据收发即闪烁
2
RUN
系统运行指示
低电平点亮,间隔1秒闪烁
3
NET
网络指示
低电平点亮,中心节点建网成功点亮,从节点入网后点亮。
4
ALARM
系统告警指示
低电平点亮
5
SLEEP
低功耗
低电平进入低功耗,高电平或悬空正常运行。
9
CONFIG
配置接口
低电平有效,或加跳线帽,进入系统配置状态。
4.5Zigbee模块配置
SZ05-ZBEE无线通信模块复位后,CONFIG引脚进入低电平状态3秒,系统进入配置状态;高电平或悬空状态则进入工作状态。
配置接口是用于对本产品的某些参数进行配置的接口,串口信号为RS232配置如表3所示:
表3配置模式时串口参数配置
串口参数
配置值
串口波特率
38400
串口校验
NONE
数据位
8
停止位
1
设备配置选项如下所示:
1.通信信道CHANNEL设置如表4所示。
表4通信信道参数配置
CHANNEL选项
配置说明
4
2.425GHZ
9
2.450GHZ
E
2.475GHZ
F
2.480GHZ
G
AUTO模式,自动选择最佳信道。
2.网络类NET_TYPE设置如表5所示。
表5网络类型参数配置
NET_TYPE选项
网络选项
配置说明
备注
MESH
网状网
主从网络,网络中心必须有唯一的中心节点。
在同一个网络中,网络类型必须设置相同。
STAR
星型网
PEER
对等网
非主从网,无中心节点。
3.设备类型NODE_TYPE设置如表6所示。
表6设备类型参数配置
NODE_TYPE选项
设备类型
配置说明
PAN_Coord
中心节点
ROUTER
中继路由
兼有终端设备功能
END_DEVICE
终端设备
4.网络号NET_ID设置如表7所示。
表7网络号参数配置
NET_ID选项选项
ID范围
配置说明
NET_ID
00-FF
同个网络中ID必须相同
5.数据发送模式TX_TYPE设置如表8所示。
表8数据发送模式参数配置
TX_TYPE选项
网络选项
配置说明
备注
BROADCAST
广播模式
无需目标地址。
目标地址为2字节的MAC地址,加在数据包前即可。
MASTER—SLAVE
主从模式
中心节点必需目标地址,非中心节点无需目标地址。
POINT—POINT
点对点
必需目标地址。
6.设备地址MAC_ADDR设置如表9所示。
表9设备地址参数配置
MAC_ADDR选项选项
ID范围
配置说明
备注
MAC_ADDR
0000-FFFF
中心节点为0000
同个网络不能有相同地址节点
7.数据类型DATA_TYPE设置如表10所示。
表10数据类型参数配置
DATA_TYPE选项
数据类型
配置说明
ASCII
ASCII码
只在按目标地址发送情况下设置,在广播发送情况下无须设置。
HEX
16进制
8.数据位DATA_BIT设置如表11所示。
表11数据位参数配置
DATA_TYPE选项
数据类型
配置说明
7+1+1
7位数据+1位校验+1位停止
需要跟数据校验设置结合起来选择。
8+0+1
7位数据+无校验+1位停止
8+1+1
8位数据+1位校验+1位停止
9.波特率设置。
10.数据校验DATA_PARITY设置如表12所示。
表12数据校验参数配置
DATA_PARIT选项
设备类型
配置说明
NONE
无校验
选择匹配的校验类型。
EVEN
偶校验
ODD
奇校验
11.串口超时TIME_OUT设置。
12.数据源地址SRC_ADDR设置如表13所示。
表13数据源地址是否输出参数配置
SRC_ADR选项
数据源地址
配置说明
NOTOUTPUT
不输出源地址
根据应用需要选择是否输出数据包源地址。
HEX
16进制输出
ASCII
ASCII输出
●16进制方式输出源地址格式:
2字节源地址+有效数据;
●ASCII方式输出源地址格式:
4字节源地址+有效数据。
4.6数据发送格式说明
1.数据发送模式如表14所示。
表14数据发送模式表
模块类型
发送模式
目标节点
发送模式
中心节点
广播
网内所有非中心节点
数据直接发送
主从或点对点
目标地址的节点
目标地址+数据
非中心节点
广播
网内所有非中心节点
数据直接发送
主从
中心节点
数据直接发送
点对点
目标地址的节点
目标地址+数据
2.数据发送帧格式如表15所示。
表15数据发送帧格式
发送模式
数据编码
数据帧格式
数据直接发送
不需要做任何变动
目标地址+数据
16进制目标地址
2字节目标地址+数据
ASCII目标地址
4字节目标地址+数据
4.7硬件连接
图4Zigbee与主板之间的硬件连接
其中引脚11和10分别连到主板的地和电源;引脚12和13分别连接到主板ExternB1区的TXD和RXD;引脚9和18分别连接到主板ExternB1区的SP1TXD和SP1RXD。
5实验步骤
5.1准备实验环境
使用ULINK2仿真器连接EmbestEduKit-IV实验平台的主板JTAG接口;使用EmbestEduKit-IV实验平台附带的交叉串口线,连接实验平台主板上的COM2和PC机的串口(一般PC只有一个串口,如果有多个请自行选择,笔记本没有串口设备的可购买USB转串口适配器扩充);使用EmbestEduKit-IV实验平台附带的电源适配器,连接实验平台主板上的电源接口。
5.2串口接收设置
在PC机上运行windows自带的超级终端串口通信程序,或者使用实验平台附带光盘内设置好了的超级终端实验光盘路径,设置超级终端:
波特率115200、1位停止位、无校验位、无硬件流控制,或者使用其它串口通信程序。
(注:
超级终安端串口的选择根据用户的PC串口硬件不同,请自行选择,如果PC机只有一个串口,一般是COM1)
5.3打开实验例程
1)拷贝实验平台附带光盘实验例程文件夹到MDK的安装路径:
Keil\ARM\Boards\Embest\(如果本实验之前已经拷贝,可以跳过这一步)。
(注:
用户也可拷贝工程到任意目录,本实验为了便于教学,故统一实验路径);
2)运行µVisionIDEforARM软件,点击菜单栏“Project”,选择“OpenProject…”,在弹出的对话框选择实验例程目录ZGB_Test子目录下的ZGB_Test.Uv2工程。
3)默认打开的工程在源码编辑窗口会显示实验例程的说明文件readme.txt,详细阅读并理解实验内容。
4)工程提供了两种运行方式:
一是下载到SDRAM中调试运行,二是固化到NorFlash中运行。
用户可以在工具栏SelectTarget下拉框中选择在RAM中调试运行还是固化Flash中运行。
如下图所示:
图5选择运行方式
下面实验将介绍下载到SDRAM中调试运行,所以我们在SelectTarget下拉框中选择Uart_TestINRAM。
5)接下来开始编译链接工程,在菜单栏“Projiet”选择“Buildtarget”或者“Rebuildalltargetfiles”编译整个工程,用户也可以在工具栏单击“
”或者“
”进行编译。
6)编译完成后,在输出窗口可以看到编译提示信息,比如“".\SDRAM\ZGB_Test.axf"-0Error(s),1Warning(s).”,如果显示“0Error(s)”即表示编译成功。
7)拨动实验平台电源开关,给实验平台上电,单击菜单栏Debug->Start/StopDebugSession项将编译出来的映像文件下载到SDRAM中,或者单击工具栏“
”按钮来下载。
8)下载完成后,单击菜单栏Debug->Run项运行程序,或者单击工具栏“
”按钮来全速运行程序。
用户也可以使用进行单步调试程序。
9)全速运行后,用户可以在超级终端看到程序运行的如下消息:
*******************************************************************
**英蓓特EduKit系列嵌入式教学系统平台**
**EmbestEduKitSeriesEmbeddedTeachingPlatform**
*******************************************************************
Pressinput[ENTER]toenterrunningmodeor[SPACE]toenterconfigmode!
Itwillenterrunningmodein4seconds.
10)用户可以在5秒按下空格健来使系统进入配置模式,在此模式下用户可以根据需要配置自己的系统参数。
进入配置模式下会出现如下所示信息:
*******************************************************************
**英蓓特EduKit系列嵌入式教学系统平台**
**EmbestEduKitSeriesEmbeddedTeachingPlatform**
*******************************************************************
Pressinput[ENTER]toenterrunningmodeor[SPACE]toenterconfigmode!
Itwillenterrunningmodein3seconds.
Enterconfigmode.
*****************************************************
Enter0toexitconfigmode,thenenterrunningmode.
Enter1toconfigureMAC_Addr.
Enter2toconfigureNode_Type.
Enter3toconfigureNet_Type.
Enter4toconfigureNet_ID.
Enter5toconfigureChannel.
Enter6toconfigureData_Type.
Enter7toconfigureTx_Type.
Enter8toconfigureBaud_Rate.
Enter9toconfigureParity.
EnterAtoconfigureData_Bit.
EnterBtoconfigureTime_Out.
EnterCtoconfigureSrc_Addr.
Pleaseinputyourchoice:
11)上一步中出现的信息中有1个输入菜单,包括13个输入选择。
输入0为退出配置模式而进入运行模式;会出现如下所示信息:
Pleaseinputyourchoice:
0
Enterrunningmode.
Senddatabysettingtheletter'$'atthebeginningandattheend.
12)输入1为配置当前设备物理地址在0x0000到0xFFFF之间,会出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
1
Pleaseinput0000~FFFF:
13)输入2为配置当前设备的节点类型,可以是路由节点、中心节点或终端设备,会出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
2
Pleaseinput0-->PAN_Coord,1-->ROUTER,2-->END_DEVICE:
14)输入3为配置当前设备所属的网络类型,可以是主从网、星型网或对等网会出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
3
Pleaseinput0-->MESH,1-->STAR,2-->PEER:
15)输入4为配置当前设备所属网络的网络ID,范围为在0x00到0xFF之间,会出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
4
Pleaseinput00~FF:
16)输入5为配置当前设备通信信道,可以是2.425GHZ、2.450GHZ、2.475GHZ、2.480GHZ或自动模式会(注意同一个网络中的节点的此参数应该设置相同),出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
5
Pleaseinput0-->2.425GHZ,1-->2.450GHZ,2-->2.475GHZ,3-->2.480GHZ,4-->AUTOMODE:
17)输入6为配置当前设备设备类型,会出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
6
Pleaseinput0-->ASCII,1-->HEX:
8)输入7为配置当前设备的发送模式,会出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
7
Pleaseinput0-->BROADCAST,1-->MASTER-SLAVE,2-->POINT-POINT:
19)输入8为配置当前设备的UART通信的波特率,会出现如下所示信息;
Pleaseinputyourchoice:
8
Pleaseinput0-->1200,1-
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