zigbee通訊技術複習筆記

語言: CN / TW / HK

時間 2021-01-15 12:01:28 osc_cnb6sdnb

最高6000元，零門檻速搶阿里雲開發者新年加油包！>>>

這門課對於我一個學嵌入式的來說，還是比較重要的，所以我還是以老師給出的大綱為主體，好好複習一下！

題型：選擇題24x1.5 判斷10x1 填空15x1 簡答4x5 程式1x5 另外一個設計題1x14

每個標題前半部分是老師的提綱知識點，補充下面是我看到的可能比較重要的或者可以瞭解的。

WPAN及ZigBee基礎

Zigbee、藍芽、IEEE802.11b（WiFi）標準都是工作在2.4G頻段的無線通訊標準；Zigbee主要用在短距離無線控制系統，傳輸少量的控制資訊；（P2）
短距離無線網路主要分為：無線區域網(WLANs)和無線個域網(WPANs)（P3）
無線個域網所對應的通訊協議：（P3）
HR-WPANS：802.15.3
MR-WPANS：藍芽
LR-WPANS(低速率無線個域網)：802.15.4
Zigbee最大傳輸速率：250kbps。 ZigBee可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(歐洲流行) 和915 MHz(美國流行)3個頻段上,分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的範圍內, 但可以繼續增加。
Zigbee無線網路分層：物理層（PHY）介質訪問控制（MAC）網路層（NWK）應用程式支援子層（APS）應用層（APL）（P4）
其中802.15.4 定義了物理層和介質訪問控制層；Zigbee協議定義了網路層、應用程式支援子層和應用層（具體介紹見下面的補充）
Zigbee特點：（自組網）（P5）
高可靠性：採取了碰撞避免策略；MAC層採用了完全確認的資料傳輸模式；
低成本、低功耗 ：ZigBee模組的複雜度不高，ZigBee協議免專利費，再加之使用的頻段無需付費，所以它的成本較低；ZigBee的傳輸速率低,發射功率僅為1mW,而且採用了休眠模式,功耗低
高安全 ：採用高階加密標準(AES 128) 的對稱密碼；
低資料速率
Zigbee裝置型別：（P5）
協調器（ZC Coordinator）：主要負責無線網路的建立與維護；（每個ZigBee網路必須有一個）
路由器（ZR Router）：主要負責無線網路的路由；（ (1)允許其他網路裝置加入 (2)多跳路由 (3)協助電池供電的子節點通訊(4)自己作為終端節點應用）
終端節點（ZED End-device）：主要負責無線網路資料的採集。（1）向路由節點傳遞數（2）沒有路由功能（3）低功耗（Zigbee的低功耗主要體現在這裡）（4）可選擇睡眠與喚醒。(路由因不斷轉發資料需電源供電，終端節點電池供電)）
Zigbee工作在ISM（工業、科學和醫療）頻帶，共規定了27個通道：（P7）
2.4GHz頻段共16個通道，通訊速率為250kbps
915MHz頻段共10個通道，通訊速率為40kbps
896MHz頻段共1個通道，通訊速率為20kbps
Zigbee網路拓撲結構：星型；網路型；簇狀；（P8）
Zigbee應用為：週期性；反覆；間斷資料採集應用；
Zigbee模組開發一般包括兩個檔案：.h標頭檔案和.c檔案（P）
.h檔案可理解為一份介面描述檔案；
.c檔案主要功能是對.h檔案中宣告的外部函式進行具體實現。

補充：

Zigbee網路中傳輸的三類資料：
週期性資料：如家庭中水、電、氣三表資料的傳輸；
間斷性資料：如電燈、家用電器的控制等資料的傳輸；
反覆性的低反應時間的資料：如滑鼠、操作杆傳輸的資料。
ZigBee裝置分類
全功能裝置(FFD)：可以擔任網路協調者，形成網路，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，FFD具備控制器的功能，可提供資訊雙向傳輸。
~附帶由標準指定的全部 802.15.4 功能和所有特徵
~更多的儲存器、計算能力可使其在空閒時起網路路由器作用。
~也能用作終端裝置
精簡功能裝置(RFD)：RFD只能傳送資訊給FFD或從FFD接收資訊。
~附帶有限的功能來控制成本和複雜性
~在網路中通常用作終端裝置。
~ZigBee相對簡單的實現自然節省了費用。RFD由於省掉了記憶體和其他電路，降低了ZigBee部件的成本，而簡單的8位處理器和小協議棧也有助於降低成本。

Zigbee裝置型別與角色對應關係
在這裡插入圖片描述
3. ZigBee協議架構
物理層功能：PHY層由射頻收發器以及底層的控制模組構成；
1. 啟用和休眠射頻收發器；
2. 通道能量檢測（energy detect）；
3. 檢測接收資料包的鏈路質量指示（link quality indication , LQI）；
4. 空閒通道評估（clear channel assessment, CCA）；
5. 收發資料。
資料鏈路層功能：MAC子層為高層訪問物理通道提供點到點通訊的服務介面
1. 協調器產生併發送信標幀，普通裝置根據協調器的信標幀與協議器同步；
2. 支援PAN網路的關聯（association）和取消關聯（disassociation）操作；
3. 支援無線通道通訊安全；
4. 使用CSMA-CA(載波偵聽多路訪問／衝突避免)機制訪問通道；
5. 支援時槽保障（guaranteed time slot, GTS）機制；
6. 支援不同裝置的MAC層間可靠傳輸。
網路層功能：
1. ZigBee網路層的主要功能就是提供一些必要的函式，確保ZIgBee的MAC層（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，並且為應用層提供合適的服務介面。為了嚮應用層提供其介面，網路層提供了兩個必須的功能服務實體，它們分別為資料服務實體和管理服務實體。
2. 網路層資料實體（NLDE）通過網路層資料服務實體服務接入點（NLDE-SAP）提供資料傳輸服務；
3. 網路層管理實體（NLME）通過網路層管理實體服務接入點（NLME-SAP）提供網路管理服務。網路層管理實體利用網路層資料實體完成一些網路的管理工作，並且，網路層管理實體完成對網路資訊庫（NIB）的維護和管理。
應用會聚層功能：該層主要負責把不同的應用對映到ZigBee網路上，具體而言包括：
1. 安全與鑑權
2. 多個業務資料流的會聚
3. 裝置發現
4. 服務發現

4.TCP/IP結構對應OSI結構：在這裡插入圖片描述
5. Z-Stack協議棧檔案組織結構介紹

CC2530晶片相關

CC2530微控制器是一款完全相容8051核心，支援802.15.4協議的無線射頻微控制器（P30）
CC2530的Flash（非易失性儲存器）容量可選： 32KB 64KB 128KB 256KB
CC2530有兩個晶振： 32MHz 晶振 32.768KHz（無線通訊時必須採用外部32M晶振）
I/O口控制
CC2530內部自帶溫度感測器：
使用步驟：
1、使能溫度感測器
2、連線溫度感測器到ADC
3、初始化ADC，確定參考電壓、解析度等，啟動ADC讀取溫度資料
補充：

Zigbee地址相關

裝置地址：（P134）
64位IEEE地址：長地址又稱 MAC地址或 擴充套件地址（全球唯一）
16位網路地址：短地址又稱邏輯地址（協調器地址為0x0000，其他裝置入網時由協調器分配）（1）在網路中標識不同裝置；（2）在網路資料傳輸時指定目的地址和源地址；
網路地址：唯一標示網路中的一個節點（用網路地址來區分不同的節點）；（P135）
網路地址最多可以分配65536個節點，地址分配取決於整個網路的架構，整個網路的架構由一下3個值決定：1、網路最大深度 2、每個父節點擁有的孩子節點最大數目 3、每個父節點擁有的孩子節點路由器的最大數目
同一父節點相連的終端節點的網路地址是連續的
同一父節點相連的路由器節點的網路地址通常是不連續的
埠：每個節點上最多支援240（1-240）個埠，每個節點上的所有埠共用一個發射/接收天線（用埠來區分同一節點的埠）；
PANID：Zigbee網路號可手動設定（或自動隨機生成），如果指定的PANID被佔用則自動加1。
~PANID範圍是0X0001----0XFFFF;
~可以通過給不同的網路指定不同的網路ID號來區分網路，避免干擾；
~如果設定為0XFFFF，那麼協調器則隨機產生一個值作為自己的PANID;

非易失性快閃記憶體條目ID號(NV操作用到的ID則定義在0x0201~0x0FFF 範圍內！)
資料傳送：呼叫**AF_DataRequest()**函式通過天線傳送資料（P139）

afStatus_t  AF_DataRequest( afAddrType_t *dstAddr, 
												endPointDesc_t *srcEP,
                          						uint16 cID, 
                          					    uint16 len, 
                          						uint8 *buf, 
                          						uint8 *transID,
                          						uint8 options,
                          						uint8 radius )

資料接收：呼叫**osal_msg_receive()**函式從訊息佇列中接收一個訊息（包含事件與資料）
uint8 *osal_msg_receive( uint8 task_id )
資料儲存位置（結構）：（P130）

typedef struct
{
   
   
  osal_event_hdr_t hdr;     /* OSAL Message header */
  uint16 groupId;           /* Message's group ID - 0 if not set */
  uint16 clusterId;         /* Message's cluster ID */
  afAddrType_t srcAddr;     /* Source Address, if endpoint is STUBAPS_INTER_PAN_EP,
                              				 it's an InterPAN message */
  uint16 macDestAddr;       /* MAC header destination short address */
  uint8 endPoint;           /* destination endpoint */
  uint8 wasBroadcast;       /* TRUE if network destination was a broadcast address */
  uint8 LinkQuality;        /* The link quality of the received data frame */
  uint8 correlation;        /* The raw correlation value of the received data frame */
  int8  rssi;               /* The received RF power in units dBm */
  uint8 SecurityUse;        /* deprecated */
  uint32 timestamp;         /* receipt timestamp from MAC */
  afMSGCommandFormat_t cmd; /* Application Data */
} afIncomingMSGPacket_t;

typedef struct
{
   
   
  byte   TransSeqNumber;
  uint16 DataLength;               // Number of bytes in TransData
  byte  *Data;
} afMSGCommandFormat_t;

OSAL（系統抽象層）是一種支援多工執行的系統資源分配機制（P72）
OSAL主要功能：
任務註冊、初始化和啟動
任務間的同步、互斥
中斷處理
儲存器分配和管理

補充：

IEEE802.15.4網路的建立過程
int main( )主函式實現硬體的初始化其中包括

事件驅動

首先記住 任務輪詢、事件驅動 必考；
Zigbee將事件和任務的事件處理函式聯絡方法：（P74）
1、建立一個事件表，儲存各個任務的對應事件
2、建立另一個函式表，儲存各個任務事件處理函式地址
3、將兩張表建立某種對應關係
OSAL工作原理（輪詢）osal_start_system(void)
通過tasksEvents指標訪問事件表的每一項，如果有時間發生，則查詢函式表找到事件處理函式進行處理，處理完後，繼續訪問事件表，檢視是否有事件發生，無限迴圈；（P75）
協議棧定義的事件成為系統強制事件：（P80）
AF_INCOMING-MSG-CMD
ZDO_STATE_CHANGE
ZDO_CB_MSG
AF_DATA_CONFIRM_CMD
Zigbee協議棧為半開源；
Zigbee協議棧串列埠操作（P85）
串列埠基本操作步驟：
1、初始化串列埠，包括設定波特率、中斷等
2、向傳送緩衝區傳送資料或從接收緩衝區讀取資料
操作函式：

 uint8    HalUARTOpen(uint8 port,halUARTCfg_t *config); //初始化串列埠（設定波特率、中斷等）
 uint16  HalUARTRead(uint8 port,uint8 *buf,uint16 len); //從接受緩衝區讀取資料
 uint16  HalUARTWrite(uint8 port,uint8* buf,uint16  len);// 向緩衝區傳送資料

串列埠回撥函式：回撥函式不是由該函式實現方直接呼叫的，而是在特定的事件或條件發生的，由另外的一方呼叫，用於對該事件或條件進行響應。因此，串列埠回撥函式是在有串列埠操作（事件）發生時（自動觸發）呼叫的；（P89）
當應用有串列埠操作時，應該對應用程式模組的工程屬性的編譯預處理的Definedsymbols下拉列表框中輸入“HAL_UART=TRUE”。（即用條件編譯來控制是否編譯與該模組相關的程式，目的是為了節約儲存資源）；（P93）
程式中波特率的設定要與上位機（如串列埠助手）一致；
Zigbee協議棧NV操作（P120）
NV（Non Volatile），即非易失性儲存器（Flash儲存器），即系統掉電，儲存器中的資料不掉失。主要用途儲存網路的配置引數，或掉電後，上電該節點還是加入原來的網路並且該節點的網路地址就可以從NV讀取。
NV儲存器主要的操作有初始化NV儲存器、讀NV儲存器、寫NV儲存器。這些都在OSAL資料夾下中的OSAL_Nv.h和OSAL.h檔案中定義和實現。
下面三個操作函式分別是：
NV初始化函式：uint8 osal_nv_item_init( uint16 id, uint16 len, void *buf )，NV儲存器將該儲存器分成多個條目，每個條目都有一個ID號。條目的分類見OSAL資料夾中的ZcomDef.h檔案，其中要知道的是：使用者應用程式定義的條目地址範圍為是0x0201到0x0FFF;
NV寫操作函式：uint8 osal_nv_write( uint16 id, uint16 ndx, uint16 len, void *buf )；
NV讀取函式：uint8 osal_nv_read( uint16 id, uint16 ndx, uint16 len, void *buf );
第一個引數：uint16：NV條目ID號
第二引數：舉例條目開始的偏移量
第三引數：要寫入的資料長度
第四引數：執行要存放寫入或讀取資料函式緩衝區的指標
使用者只能使用條目ID範圍0x0201~0x0FFF
可在OSAL資料夾下的ZcomDef.h檔案中新增自己的條目
如：#define Test_NV 0x0201

**函式名要考：**
**事件新增函式**：osal_set_event()
			函式原型：osal_set_event(  taskID, SYS_EVENT_MSG );
			引數說明:  taskID：任務
							 SYS_EVENT_MSG ：事件
**定時器函式**：osal_start_timerEx() (具有開啟和停止一個定時器的功能，定時器能用**1毫秒**的增量進行設定)
			函式原型： uint8 osal_start_timerEx( uint8 taskID, uint16 event_id, uint16 timeout_value);
			引數說明：taskID：任務
							  event_id：事件
							  timeout_value：定時毫秒數

**記憶體拷貝函式**：osal_memcpy()
**記憶體比較函式**：osal_memcmp()
**字串長度函式**：osal_strlen()

**無線傳送函式**:AF_DataRequest( afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP,
                   uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID,
                   uint8 options, uint8 radius )
**訊息接收函式**:uint8 *osal_msg_receive( uint8 task_id )

補充：

SYS_EVENT_MSG是系統事件，也是協議棧已經定義好的系統事件。
在檔案ZcomDef.h中，事件號是一個16bit的常量，使用叫作獨熱碼（one-hot code）編碼，也是一個位表示一個事件，方便進行event的提取，這樣一個task最多可以有16個event，SYS_EVENT_MSG已經佔用了0x8000，故自定義的事件只能有15個；
事件的提取和清除可以用簡單的位操作指令實現，事件的提取可以用位與操作 events & SYS_EVENT_MSG,事件的清除可以用異或操作實現，evets ^ SYS_EVENT_MSG;

Zigbee通訊相關

Zigbee協議棧中的規範（Profile）和簇（Cluester）
Zigbee網路中進行資料收發都是建立在應用規範基礎上的。每個應用規範都有一個ID來標示。在一個規範（Profile）下又提出了簇（Cluester）的概念，這個Cluester要理解為一個應用領域下的一個特定物件。簇是由命令組成的。
同一規範下的傳送命令（簇號）和接受命令（簇號）要相同才能通訊；
Zigbee網路通訊必須建立在具體裝置節點的具體通訊埠：
網路地址可以描述一個節點，使用者可使用簡單描述符來描述一個埠。（使用者可用的埠號是1-240）
Zigbee通訊模式：點播廣播組播（這一點重點，我覺得可能考設計題和程式題，所以我會在下面著重補充）
點播
傳送模式：Addr16Bit
傳送目的埠：目的節點的簡單描述符設定的工作埠
傳送地址：目的節點的網路地址
廣播
傳送模式：AddrBroadcast
傳送目的埠：目的節點的簡單描述符設定的工作埠
傳送地址： 0xFFFF 全網傳送包括休眠節點
0xFFFD 只發往休眠節點
0xFFFC 發往所有路由節點
組播（同一組的節點才能通訊）
傳送模式：AddrGroup
傳送目的埠：目的節點的簡單描述符設定的工作埠
傳送地址：組ID
#include “aps_groups.h”
1、設定組物件（ID 和 name）
2、加入物件組 aps_AddGroup()
3、退出組
Zigbee協議棧網路管理
Zigbee協議棧實現網路管理的函式：
獲得該節點的網路地址：uint16 NLME_GetShortAddr(void)
獲得該節點的MAC地址：byte * NLME_GetExtAddr(void)
```
 	獲得該節點的父節點網路地址：uint16 NLME_GetCoordShortAddr(void)
 	獲得該節點的父節點MAC地址：void NLME_GetCoordExtAddr(byte *buf)
```

藍芽

採用高速跳頻擴充套件，實現語音和資料在短距離上的穩定無縫無線連線
在2.4GHz的ISM頻帶上設立79個頻寬為GHz的通道，用每秒鐘切換1600次的頻率的跳頻（Hobbing）擴充套件技術實現資訊的收發。
藍芽系統中的功能模組分為：無線射頻單元、鏈路控制單元、鏈路管理單元、軟體結構
微微網： 1主裝置 7從裝置
藍芽技術採用了全開放的框架結構
藍芽技術的系統結構分為三大部分：
1.底層硬體模組
2.中間協議層
3.高層應用
藍芽協議分為四層：
1.核心協議：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；
2.電纜替代協議：RFCOMM；
3.電話傳送控制協議：TCS-Binary、AT 命令集；
4.選用協議：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、 WAE。
近場通訊NFC 及WIFI（瞭解一下，不考）

下面我整理了一下實驗的一些核心程式碼，大家可以結合教材一起看，應該會在程式碼題和設計題裡面考：

「其他文章」