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ZigBee简介摘要由于是初学者，本文知对ZigBee技术进行简要的介绍。包括ZigBee协议，ZigBee联盟的简要介绍，ZigBee协议栈结构的概览，ZigBee的应用简介及几个应用实例，ZigBee芯片（CC2530和MRF24J40）简介，设计调试平台IAR简介。关键词ZigBee协议ZigBee联盟ZigBee协议栈ZigBee应用ZigBee芯片设计调试平台IAR正文一ZigBee协议无线传感器网络节点要进行相互的数据交流就要有相应的无线网络协议(包括MAC层、路由、网络层、应用层等)，传统的无线协议很难适应无线传感器的低花费、低能量、高容错性等的要求，这种情况下，ZigBee协议应运而生。ZigBee的基础是IEEE802.15.4，但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和APL进行了标准化。ZigBee协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，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。二ZigBee联盟Zigbee联盟成立于2001年8月。2002年下半年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同宣布，它们将加盟“ZigBee联盟”，以研发名为“ZigBee”的下一代无线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。ZigBee联盟是一个高速增长的非牟利业界组织，成员包括国际著名半导体生产商、技术提供者、代工生产商以及最终使用者。成员正制定一个基于IEEE802.15.4的可靠、高性价比、低功耗的网络应用规格。目前超过150多家家成员公司正积极进行ZigBee规格的制定工作。当中包括7位推广委员，半导体生产商、无线技术供应商及代工生产商。7位推广委员分别为：Honeywell，Invensys，Mitsubishi，Freescale，Philips，Samsung,Chipcom,Ember。ZigBee联盟的主要目标是以透过加入无线网络功能，为消费者提供更富弹性、更易用的电子产片。ZigBee技术能融入各类电子产品，应用范围横跨全球民用、商用、公用及工业用等市场。生产商终于可以利用ZigBee这个标准化无线网络平台，设计简单、可靠、便宜又省电的各种产品。在2011年6月14日召开的“2011中关村物联网与ZigBee产业发展国际论坛”上，中关村管委会委员张茂盛与ZigBee联盟主席鲍勃海利博士共同为“ZigBee联盟中关村办公室”揭牌。作为在中国开展物联网产业技术交流与合作的平台，ZigBee联盟中关村办公室将于2011年下半年开始正式运作。三ZigBee协议栈结构及几个常用的ZigBee协议栈1.ZigBee协议栈结构1.1.协议栈结构图ZigBee堆栈是在IEEE802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4(该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信)的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络层(NWK)、应用层和安全服务提供层。下图给了这些组件的概况。ZigBee协议栈结构概览1.2802.15.4物理层（PHY层）物理层由半双工的无线收发器及其接口组成，PHY层定义了无线射频应该具备的特征，它支持二种不同的射频信号，分别位于2.5GMHz波段和868/915MHz波段。2.5GMHz波段射频可以提供250kbps的数据速率和16个不同的信道。868/915MHz波段中，868MHz支持1个数据速率为20kbps的信道，915MHz支持10个数据速率为40kbps的信道。目前，几乎全世界都能使用2.5GHZ频段。1.3802.15.4媒体访问控制子层（MAC层）MAC提供节点自身和与其相邻的节点之间可靠的数据传输链路。其主要任务是实现传输媒体的共享，提高通信的有效性。1.4网络层（NKW）网络层利用MAC层可靠的数据通信，提供路由，多跳转发能力，实现和维护星形，树簇形或网格形网络。对于一些简单的节点而言，其功能只不过是加入或离开一个网络而已。而路由器则需要完成信息的转发，发现邻居，构造到某节点的路由任务。1.5应用层（APL）应用层由三个部分组成，应用支持子层（APS）、ZDO（包含ZDO管理平台）和制造商定义的应用对象。APS的任务是将网络信息转发到运行在节点上的不同应用端点，包括维护一个绑定表，在被绑定的设备之间传送信息等。绑定表将设备按它们能够提供的服务和需要的服务匹配起来。应用对象（ApplicationObject）是运行在端点的应用软件它具体实现节点的应用功能。ZigBee中的应用框架是为驻扎在ZigBee设备中的应用对象提供活动的环境。最多可以定义240个相对独立的应用程序对象，且任何一个对象的端点编号都是从1到240。此外还有两个附加的终端节点，为了APSDE-SAP的使用：端点号0固定用于ZDO数据接口；另外一个端点255固定用于所有应用对象广播数据的数据接口功能。端点241-254保留（留给未来扩展使用）。1.6小结每个ZigBee设备都与一个特定模板有关，可能是公共模板或私有模板。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。公共模板可以确保不同供应商的设备在相同应用领域中的互操作性。设备是由模板定义的，并以应用对象(ApplicationObjects)的形式实现，每个应用对象通过一个端点连接到ZigBee堆栈的余下部分，它们都是器件中可寻址的组件从应用角度看，通信的本质就是端点到端点的连接。端点之间的通信是通过称之为簇的数据结构实现的。这些簇是应用对象之间共享信息所需的全部属性的容器，在特殊应用中使用的簇在模板中有定义。下图就是设备及其接口的一个例子：接口结构图每个接口都能接收(用于输入)或发送(用于输出)簇格式的数据。一共有二个特殊的端点，即端点0和端点255。端点0用于整个ZigBee设备的配置和管理。应用程序可以通过端点0与ZigBee堆栈的其它层通信，从而实现对这些层的初始化和配置。附属在端点0的对象被称为ZigBee设备对象(ZD0)。端点255用于向所有端点的广播。端点241到254是保留端点。所有端点都使用应用支持子层(APS)提供的服务。APS通过网络层和安全服务提供层与端点相接，并为数据传送、安全和绑定提供服务，因此能够适配不同但兼容的设备，比如带灯的开关。APS使用网络层(NWK)提供的服务。NWK负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。应用层可以通过ZigBee设备对象(ZD0)对网络层参数进行配置和访问。2.几个常用的ZigBee协议栈2.1TI的Z-Stack协议栈2007年4月，德州仪器推出的一款ZigBee协议栈。Z-Stack符合ZigBee2006规范，支持多种平台，包括基于CC2420收发器以及TIMSP430超低功耗单片机的平台，CC2430SOC平台等。Z-Stack包含了网状网络拓扑的几近于全功能的协议栈，在竞争激烈的ZigBee领域占有很重要地位。协议栈定义通信硬件和软件在不同级如何协调工作。在网络通信领域，在每个协议层的实体们通过对信息打包与对等实体通信。在通信的发送方，用户需要传递的数据包按照从高层到低层的顺序依次通过各个协议层，每一层的实体按照最初预定消息格式向数据信息中加入自己的信息，比如每一层的头信息和校验等终抵达最低的物理层，变成数据位流，在物理连接间传递。在通信的接收方数据包依次向上通过协议栈，每一层的实体能够根据预定的格式准确的提取需要在本层处理的数据信息，最终用户应用程序得到最终的数据信息进行处理。ZigBee无线网络的实现，是建立在ZigBee协议栈的基础上的，协议栈采用分层的结构协议分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，服务由协议定义，程序员只需关心与他的工作直接相关的那些层的协议，它们向高层提供服务，并由低层提供服务。Z-Stack协议栈结构整个Z-Stack采用分层的软件结构，硬件抽象层（HAL）提供各种硬件模块的驱动，包括定时器Timer，通用I/O口GPIO，通用异步收发传输器UART，模数转换ADC的应用程序接口API，提供各种服务的扩展集。操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。2.2微芯的MicrochipZigBee协议栈MicrochipZigBee协议栈是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议。有许多应用可从ZigBee协议受益，其中可能的一些应用有：建筑自动化网络、住宅安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设。与其他无线协议相比，ZigBee无线协议提供了低复杂性、缩减的资源要求，最重要的是它提供了一组标准的规范。它还提供了三个工作频带，以及一些网络配置和可选的安全功能。MicrochipZigBee协议栈设计为随着ZigBee无线协议规范的发展而发展。在发布此文档时，该协议栈的1.0版本具有以下特点：•基于ZigBee规范的0.8版本•使用ChipconCC2420RF收发器支持2.4GHz频带•支持简化功能设备（ReducedFunctionDevice，RFD）和协调器•在协调器节点中实现对邻接表和绑定表的非易失性存储•支持非时隙的星型网络•可以在大多数PIC18系列单片机之间进行移植•协同多任务处理架构•不依赖于RTOS和应用•支持MicrochipMPLAB®C18和Hi-TechPICC-18™C编译器•易于添加或删除特定模块的模块化设计四．ZigBee的应用范围及几个应用实例4.1应用范围ZigBee的典型应用如工业控制﹑智能建筑﹑家庭自动化应用﹑无线传感器网络﹑能源管理﹑智能交通系统﹑医疗与健康监护﹑汽车﹑现代农业等.1.家庭自动化应用可用于安防自动报警,烟雾,煤气泄漏检测,照明设备的自动控制与遥控,空气环境,节能控制,门窗检测与控制.2.医疗领域将各种传感器与ZigBee设备整合在一起,可以及时﹑准确﹑方便地对患者的血压﹑脉搏﹑体温等生命特征进行监测,从而使医护人员作出有效﹑快速反应.3.现代农业现代农业要求对局部的环境﹑土壤的成分﹑气候等进行全面的监测。无土栽培﹑大棚室温的环境控制等都需要有效的监测手段。4.工业自动化目前的绝大部分测控系统都是基于有线方式的。由于ZigBee设备体积小﹑成本低﹑耗电低，因此极有希望替代这些有线的测控系统5.交通城市街道﹑高速公路﹑交通路口﹑信号灯﹑车辆检测设备等上安装大量成本低﹑耗电低﹑具有极强组网能力的ZigBee设备，机动车辆也会装上，从而组成智能交通系统。这样，在车辆在行驶过程中的状态﹑方位等都在有效的监测之中，也能够将导航﹑地理信息及时传送给车辆，还能够对交通系统进行调度。6.智能建筑现代化的智能大厦需要信息交换，从计算机网络到通信，从门禁控制到消防监控，从空调系统的节能运行到供电保证体系，无不需要高效﹑方便网络。由于ZigBee设备体积小﹑成本低﹑耗电低，以及可用电池供电长期工作，因此在消防监控﹑空调节能运行﹑门将﹑供电系统监测方面都是一种很好的选择。7.环境监测在气象﹑环保领域，可以将ZigBee网络与其他的通信技术（如GSM/GPRS）结合起来，采集某特定区域中的温度﹑气压﹑降雨﹑大气成分等数据。ZigBee设备负责采集各点的数据，有ZigBee协调器进行集中，然后使用GSM等将采集的数据传送到监测中心。4.2具体应用（个人比较感兴趣）4.2.1ZigBee餐馆点餐系统系统构成1.通过在餐厅﹑吧台﹑厨房﹑收银台﹑处理中心部署的ZigBee节点设备构成了完整的无线通讯网络，实现了信息处理的自动化。2.手持点餐终端，服务员通过