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DIY ZigBee入門無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

2011-08-20 來源：無線龍字號：大中小

一、從一張廣告照片談起

ZigBee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要用于近距離無線網(wǎng)絡(luò)連接。它的字面意思為“嗡嗡（zig）的蜜蜂（bee）”，來源于蜜蜂用于傳遞信息的舞蹈，蜜蜂通過“嗡嗡”地抖動翅膀飛翔出“八字舞”來與同伴傳遞花粉的方位信息，這樣的方式構(gòu)成了蜜蜂群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)的主要特色有低速、低功耗、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌蛷?fù)雜度、快速、可靠、安全。它工作于2.4GHz( 全球)、868MHz( 歐洲) 及915MHz( 美國)的ISM 頻段，其基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，這是IEEE 無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4(ZigBee) 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

2001年8月ZigBee聯(lián)盟成立，主要負(fù)責(zé)制定相關(guān)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定。2002年下半年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同宣布，它們將加盟ZigBee 聯(lián)盟，共同研發(fā)下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)，這一事件成為該項技術(shù)發(fā)展過程中的里程碑。目前已經(jīng)包括2004、2006 及2007/Pro版本。

由于ZIGBEE技術(shù)的高速發(fā)展，引起了廣大電子愛好者和單片機愛好者的極大關(guān)注，都希望自己也能動手熟悉這個新技術(shù)，但是，當(dāng)大家實際要準(zhǔn)備動手的時候，確感到好像是老虎啃天，無處下手，因為ZIGBEE技術(shù)相對于一個簡單無線網(wǎng)絡(luò)而言，太過于復(fù)雜和龐大，從基礎(chǔ)的無線知識，包括高頻天線，高頻調(diào)制技術(shù)，到無線和數(shù)字通訊原理，到個人區(qū)域無線網(wǎng)絡(luò)的國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.4 , MAC 原理，再到ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)規(guī)范，無線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑹o線網(wǎng)絡(luò)路由，無線網(wǎng) 絡(luò)安全 …… 如果將這些知識和理論變成書本，可能有厚厚幾尺高，初次入門者要很快實現(xiàn)這樣多的知識跨越，進(jìn)行DIY，幾乎是不可能完成的任務(wù)。

從哪里開始我們的DIYZIGBEE 歷程？我想到了在美國TI公司網(wǎng)頁上看到的一張廣告照片，見圖一所示：

圖一 TI 網(wǎng)頁上 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)處理器廣告照片

這張照片上，是一個充滿自信的小女孩，好像是上小學(xué)3年級那種好學(xué)生，背景上的黑白上寫了一行粉筆字：CC2480+MCU=ZIGBEE ,我們知道， CC2480是TI公司推出的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)處理器，將復(fù)雜的ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，處理成了簡單的用戶接口命令，用戶只要使用任何簡單的單片機（微控制器），就可以容易的實現(xiàn)對ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)的控制；TI推出這個芯片的目的，就是希望ZIGBEE容易被使用，所以這個廣告照片，TI特別選擇一個小學(xué)生，來說明其容易性。

這張照片，讓我們豁然開朗，因為我們在前面已經(jīng)介紹了DIYRF-2510和熟悉了CC2510 無線微控制器 (8051內(nèi)核無線單片機)，所以，我們只要加上一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)處理器，就可以繞開無線協(xié)議棧復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)入ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)的實際使用。也就是說，我們先將ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)處理器當(dāng)成一個“黑盒”，使用我們已經(jīng)熟悉的CC2510單片機（注意只使用單片機的功能），采用軟件來控制ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)處理器。來學(xué)習(xí)和體驗ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中那些最重要的技術(shù)特性，包括節(jié)點的類型，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊，傳感器信號采集和無線傳輸，低功耗網(wǎng)絡(luò)等等，這樣，就可以用很短的時間來完成這漫長的學(xué)習(xí)之旅。

二、快速實現(xiàn)升級，準(zhǔn)備好我們的ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

在2009年第9期《無線電》雜志，我們使用的是無線龍通訊公司生產(chǎn)的DIYRF-2510系統(tǒng)，我們需用購買升級包裝：DIYRF-2480－C或者DIYRF-2480-L ；不同的升級包裝包括不同的網(wǎng)絡(luò)處理器模塊，分別采用TI CC2480或者無線龍通訊LC2480 網(wǎng)絡(luò)處理器，但是軟件兼容，模塊插座也兼容，當(dāng)然，采用不同網(wǎng)絡(luò)處理器的升級套件價格也有很大差別，和TI CC2480不同，成都無線龍通訊公司設(shè)計的LC2480網(wǎng)絡(luò)處理器采用了標(biāo)準(zhǔn) TI CC2430芯片，內(nèi)置了無線龍開發(fā) 的兼容軟件，圖二是無線龍 LC2480網(wǎng)絡(luò)處理器模塊原理示意圖。

圖2 無線龍 LC2480網(wǎng)絡(luò)處理器模塊原理示意圖

我們將DIYRF-2510無線網(wǎng)關(guān)上的模塊，拔出放到安全的地方，然后插入DIYRF-2480升級套裝中的一個無線網(wǎng)絡(luò)處理器模塊，就方便的完成了無線網(wǎng)關(guān)的ZigBee 升級，然后，我們再在DIYRF-2510套件的無線節(jié)點底板上，分別插上剩下的兩個無線龍通訊公司生產(chǎn)的2480無線網(wǎng)絡(luò)處理器模塊，就全部快速完成了DIYRF-2510 向DIY2480的硬件升級，也就是完成了DIY ZIGBEE無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件準(zhǔn)備工作，DIYRF升級套件售價非常低廉，用戶只需要300元人民幣(全套系統(tǒng)DIYRF2510+ ZigBee2480升級套裝，僅僅需要700元人民幣)，就可以在DIYRF-2510基礎(chǔ)上，升級為完整的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)DIY平臺。通過www.C51RF.com , 可以非常容易在無線龍通訊公司網(wǎng)上商城完成現(xiàn)貨購買。

升級后的DIY-2480 ZIGBEE DIY系統(tǒng)如圖3所示

圖3 升級后的DIY-2480 ZIGBEE DIY系統(tǒng)

由于我們原來的DIYRF-2510無線節(jié)點底板的CC2510無線單片機中，內(nèi)置的是簡單網(wǎng)絡(luò)表演軟件代碼（HEX）.在我們實現(xiàn)對ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)處理器控制的時候，我們需用使用新的代碼，所以，對兩個節(jié)點板，我們必需從新下載代碼。

將節(jié)點板分別連接到網(wǎng)關(guān)板，如圖5連接，使用CC2510仿真器下載軟件到節(jié)點板CC2510中去：

圖4 連接到PC，下載ZigBee網(wǎng)絡(luò)處理器控制表演軟件到兩個節(jié)點板

完成兩個模塊下載ZigBee控制表演軟件后，我們可以裝上電池，將USB電纜連接到通訊口（不是仿真器），開始我們在在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)世界的翱翔…..

三、開始你第一個ZIGBEE實驗

首先，將網(wǎng)關(guān)（注意檢查是否插上了2480網(wǎng)絡(luò)處理器模塊）連接到電腦的USB接口，另外兩個無線節(jié)點板插上2480網(wǎng)絡(luò)處理器模塊，（注意檢查是否下載了正確的ZigBee2480表演代碼），ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 DIYRF-2480基本 ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在開始我們的實驗前，我們必需先了解一下ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一些基礎(chǔ)知識。

每個ZigBee 個人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network ，PAN），可以由數(shù)千個或者更多無線節(jié)點組成。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，都是由一個單片機加上無線收發(fā) 器組成，我們將單片機和ZigBee無線收發(fā)器集成為一個單芯片的片上系統(tǒng)，也稱為ZigBee無線單片機，CC2430、CC2480、LC2480等都是這樣的無線單片機，在無線單片機內(nèi)部的存儲器里面，安裝了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件協(xié)議棧后，無線單片機就可以實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能。如圖7所示：

圖7 ZIGBEE協(xié)議棧

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有三種主要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌謩e是星狀、樹狀和網(wǎng)狀，如圖8所示。

圖8 ZigBee拓?fù)?

按照功能不同，將無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為三種不同類型，包括協(xié)調(diào)者節(jié)點（Coordinator）、路由器節(jié)點(Router)和終端節(jié)點(End Device) ，在圖9中，按不同顏色來示意這些不同類型的節(jié)點。

圖9網(wǎng)絡(luò) ZigBee拓?fù)?/DIV>

在簡單了解基礎(chǔ)概念后，我們可以開始ZigBee網(wǎng)絡(luò)實驗了，首先按照DIYRF-2480使用說明書要求，一步一步安裝DIYRF計算機監(jiān)控軟件，然后啟動軟件，你可以看到圖10的歡迎畫面。

圖 10 DIY ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)軟件歡迎畫面

將DIYRF-2480 網(wǎng)關(guān)節(jié)點使用USB電纜連接到PC，如圖11所示。點擊PC歡迎畫面上的“點擊進(jìn)入”，DIYRF PC 監(jiān)控軟件會出現(xiàn)，如圖12界面，完成網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置即可開始實驗演示。

圖11 連接你的網(wǎng)關(guān)到PC(USB)

圖12 ZIGBEE 網(wǎng)絡(luò)配置

根據(jù)ZigBee技術(shù)規(guī)范，每個個人區(qū)域網(wǎng)必須有一個唯一的協(xié)調(diào)者節(jié)點，該節(jié)點承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)時序管理、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)、存儲網(wǎng)絡(luò)地圖、允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)組織、路由信息等，是一個全功能節(jié)點（FFD），任何時候都必需打開無線收發(fā)部分，在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中有非常重要的作用。

當(dāng)你給DIYRF-2480 網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)者節(jié)點）加上電源的時候，模塊上的ZigBee無線單片機已經(jīng)完成了一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)格式化的啟動過程，這個過程包括：建立一個獨立的ZigBee個人區(qū)域網(wǎng)，這個網(wǎng)絡(luò)一個唯一的個人區(qū)域網(wǎng)號碼（PANID），選擇了一個可以使用的，在2.4GHz范圍內(nèi)的通信頻道，等待其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入這個網(wǎng)絡(luò)。

然后，我們采用DIYRF-2480上的按鍵的第一位，分別設(shè)定“0”或者“1”來確定LC2480模塊工作在路由或者終端節(jié)點，我們將無線節(jié)點板1設(shè)定為路由器節(jié)點，將無線節(jié)點板2設(shè)定為終端節(jié)點，安裝你的無線節(jié)點的電池，然后打開電池開關(guān)到ON，設(shè)定DIP開關(guān)在全部關(guān)閉——0XX，或者1XX ,

你可以看見圖13所示的畫面。

圖13 ZIGBEE節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)

經(jīng)過幾秒鐘等待，你可以從DIYRF-2480 PC網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控軟件看到這里出現(xiàn)了兩個不同類型的節(jié)點。如圖14所示，紅色是網(wǎng)關(guān)節(jié)點，黃色是路由節(jié)點。如果你選購了更多的LC2480節(jié)點和無線底板和模塊，例如再加兩個無線傳感器節(jié)點，你可以看到如圖14所示的圖像，有5個節(jié)點在這個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中間，藍(lán)色為終端節(jié)點。你可以簡單關(guān)閉電源開關(guān)，節(jié)點會從屏幕上消失，然后打開電池開關(guān)，節(jié)點會重新加入網(wǎng)絡(luò)。

圖14 更多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和路由器

當(dāng)你改變底板的開關(guān)從X0X,到X1X，會指定節(jié)點從路由傳輸數(shù)據(jù)，你可以在PC軟件屏幕上看到這個變化。從節(jié)點上，你可以看到相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)傳輸，包括溫度、光敏、RSSI（信號強度）等，體驗ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的神奇和強大。

四、自己動手DIY通過軟件控制ZIGBEE網(wǎng)絡(luò)

看了這些激動人心的應(yīng)用，可能你會心情激動，希望自己也來動動手，看看自己能不能通過改寫軟件，實現(xiàn)對低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的控制，DIYRF-2480 為你提供了這樣的無限可能。

對于已經(jīng)熟悉8051系列單片機和C51語言的愛好者，可以直接上手下面的實驗（對于還不熟悉單片機的愛好者，仍然可以使用系統(tǒng)，從頭開始學(xué)習(xí)8051單片機和C語言，但是你需要入門教材和實驗，好在這些東西都可以很快在網(wǎng)絡(luò)上找到）。

對于已經(jīng)有單片機和C語言的，并且熟悉IAR調(diào)試編譯工具的愛好者，讓我們開始一個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件DIY之旅。DIY目標(biāo)，使用兩個ZigBee 2480模塊無線節(jié)點，不需要PC機，用加速度傳感器做一個ZIGBEE防盜報警實驗。

步驟是：1、安裝IAR C51編譯軟件（需要自己到IAR網(wǎng)站下載評估版本）。
2、按如下示意圖十三連接仿真器到PC USB 口，注意這次是不同USB接口。

圖15 連接仿真器到PC USB 口

3、根據(jù)需要將仿真器分別連接無線節(jié)點板，進(jìn)行下載和調(diào)試，首先進(jìn)行第一號節(jié)點，作為終端節(jié)點使用。
4、打開工程軟件，DIYRFZIGBEE.PRJ 如圖16。

圖16 IAR平臺 DIYRF工程文件和和源代碼

5、你可以在C語言源代碼中，修改和定義你使用無線節(jié)點上加速度門限，然后繼續(xù)編譯，如果提示正確，說明你成功完成編譯。
6、點擊下載（注意當(dāng)你點擊這個鍵，預(yù)先固化表演代碼，會完全丟失，如果你需要恢復(fù)，可以使用光盤中下載工具，下載HEX代碼，恢復(fù)表演代碼）。
7、退出下載。
8、按啟動（RESET）開始運行。 9、仿真電纜連接 2號節(jié)點，定義協(xié)調(diào)者節(jié)點，然后重復(fù)3－8步。
10．1號節(jié)點內(nèi)置MMC7660加速度傳感器，你可以打開1號節(jié)點的電池開關(guān)，把節(jié)點固定在被監(jiān)視的設(shè)備上，如筆記本電腦或其他貴重設(shè)備，當(dāng)這個設(shè)備移動超過門限時，2號節(jié)點（ZigBee協(xié)調(diào)器）的LED會指示報警。如果你在LED控制線外加驅(qū)動蜂鳴器，可以聽到響聲，知道設(shè)備被移動，有丟失危險。
11．這樣，就通過CC2510軟件代碼的修改，實現(xiàn)了對CC2480和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的直接控制。

從這里出發(fā)，你可以采用軟件DIY實現(xiàn)ZigBee的各種高級功能，如使用DIYRF-2480的基本硬件進(jìn)行擴展，設(shè)計一ZigBee健康照顧系統(tǒng)，如圖17所示。