第一部分 物联网简介

根据物联网中信息的生成、传输、处理和应用的过程，可以把物联网系统从结构上分为3层：感知层、传输层（网络层）、应用层。
网关节点实现与互联网等外部网络的链接，将收到的数据转发到外部网络上。
物理传感器：是检测物理量的传感器，它是利用某些物理效应，将被测的物理量转化为便于处理的能量信号的装置。
化学传感器：必须具有对被测化学物质的形状或分子结构进行俘获的功能，并且还能将所获得的化学量有效地转换为电信号。
RFID是一种无线射频识别技术。
物联网的特点：
一是互联网特征；二是识别与通信特征；智能化特征。
物联网大规模地应用面临着的挑战，至少包括三个方面：
一是成本的挑战；二是安全的挑战；三是侵犯隐私的威胁。
无线通信技术包括：
移动通信网络
宽带无线接入
射频与微波通信（短距离无线通信）

短距离无线通信三个重要特征：低成本、低功耗、对等通信
Zigbee的优势：Zigbee相比于现有的wifi、蓝牙等无线技术更加安全、可靠，同时由于其组网能力强、具备网络自愈能力并且功耗更低

第二部分 Zigbee

第一章 Zigbee概述

什么是短距离无线通信？
在一般意义上，只要通信收发方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。
什么是Zigbee？
Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。
其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本，主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。
Zigbee可工作在2.4GHz频段（全球流行）、868MHz（欧洲）915MHz（美国流行）3个频段上。
什么是cc2530？
CC2530是一款高性能和低功耗的8051微控制器核。集成符合Zigbee标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
Zigbee设备类型

• Zigbee协调器（ZC Coordinator）：上电启动和配置网络，一旦完成后相当于路由器功能。每个Zigbee网络必须有一个。
• Zigbee路由器（ZR Router）：允许其他设备接入、协助子节点通信、座机座位终端节点应用
• Zigbee终端设备（ZED
  End-device）：向路由节点传递数据、没有路由功能、低功耗（Zigbee的低功耗主要体现在这里）、可选择休眠与唤醒（终端节点电池供电）

（一）Zigbee协调器（Coordinator）

它包含所有的网络信息，是3种设备中最复杂的，存储容量大、计算能力强。主要用于：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、寻找一对一节点间的路由信息并且不断的接收信息。一旦网络建立完成，这个协调器的作用就像路由器节点。
（二）Zigbee路由器（Router）
允许其他设备加入这个网络，跳跃路由，辅助子树下电池供电终端的通信。通常，路由器全时间处在活动状态，因此为电源供电。但是在树状拓扑中，允许路由器操作周期运行，因此这个情况下允许路由器电池供电。
（三）Zigbee终端设备（End-device）

不参与网络维护，只负责感知和发送信息，可以休眠和唤醒，采用电池供电。
（四）Zigbee网络

一个Zigbee网络由一个协调器节点、多个路由器和多个终端设备节点组成。
拓扑结构：Zigbee支持三种自组织无线网络类型：星型结构、网状结构和簇状结构。
Zigbee采用自组织网的通信方式。
动态路由结合网状拓扑结构可以确保Zigbee网络在工业多变环境下的稳定性。
（五）Zigbee协议

Zigbee协议由应用层、网络层、数据链路层（MAC）、物理层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。
物理层功能：由射频收发器以及底层的控制模块构成。
数据链路层功能：为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。
网络层功功能：提供一些必要的函数，确保Zigbee的MAC层正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口
应用层功能：主要负责把不同的应用映射到Zigbee网络上，具体包括安全与鉴权、设备发现、服务发现等。
Zigbee应用领域：智能家居、工业领域、智能交通等。

第二章 Zigbee-cc2530-IAR

（一）Zigbee芯片

全球有多家Zigbee芯片，具有代表性的是TI公司的CC2530，存储容量最大支持256K，通信距离可以达到400米。
主要特点：高性能和低功耗的8051微控制器核、集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机…….

（二）IEEE802.15.4网络地址

Zigbee网络地址分为两种：1、全球唯一的64位的MAC IEEE地址 2、Zigbee网络内唯一的16位的短地址，用于在Zigbee网络中辨识设备。
一个节点是一个设备，有一个射频端，一个64为IEEE地址，一个16位网络地址。

（三）Z_stack协议栈相关概念

Z-stack是TI公司开发的一款ZigBee协议栈，经过了ZigBee联盟的认可，为全球众多开发商所广泛采用。
TI公司的Z-Stack协议栈装载在一个基于IAR开发环境的工程里。
Z-Stack采用事件轮询机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理。这种软件架构可以极大滴降低系统功耗。
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。操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台。
整个Z-Stack的主要工作流程，大致分为系统启动，驱动初始化，OSAL初始化和启动，进入任务轮询几个阶段。
协议栈主函数
协议栈已经将主函数放在了库文件中，程序先是从main函数开始运行，main函数实现的功能是，初始化硬件、初始化网络（加入/创建网络）、初始化任务列表、进入任务处理循环。

OSAL操作系统函数
顺利完成上述初始化后，开中断执行osal_start_system( )函数开始运行OSAL系统
该任务调度函数按照优先级检测各个任务是否就绪，如果存在就绪的任务则调用tasksArr[ ]中相对应的任务处理函数去处理该事件，直到执行完所有就绪的任务
如果任务列表中没有就绪的任务，则可以使处理器进入睡眠状态实现低功耗
osal_start_system( )一旦执行，则不再返Main( )函数
OSAL是协议栈的核心
Z-Stack的任何一个子系统都作为OSAL的一个任务，因此在开发应用层的时候，必须通过创建OSAL任务来运行程序。
通过osalInitTasks()函数创建OSAL任务，其中TaskID为每个任务的唯一标识号
任何OSAL任务必须分为两步：一是进行任务初始化、二是处理任务事件。

（四）IAR

创建新项目的后缀名为.ewp。

第三章 Zigbee系统应用开发流程分析

（一）Zigbee特性

ZigBee采用数据帧的概念，每个帧包含了众多信息，如时间、地址、命令、同步等，真正的数据只占很少部分，这正是ZigBee高可靠传输的关键。
ZigBee网络中传输的三类数据：周期性数据（如水电气数据）、间断性数据（如电灯、家用电器控制）、反复性的低反应时间的数据（如鼠标、操作杆传输的数据）
1ZigBee的频带和数据传输率：频带：2.4GHz；适用范围：全球；数据传输率：250kbps；信道数：16.
ZigBee网络层服务分为两种：1、网络层数据服务：产生网络协议数据单元、选择通信路由；2、网络层管理服务：配置新设备、开始新网络、加入和离开网络等等

第四章 Zigbee点播、广播以及组播通信

Zigbee网络数据发送，不同的组网模式涉及到不同的网络发送设置。在Zigbee网络中进行数据通信主要有三种类型：广播（Broadcast）、单播（Unicast）和组播（Multicast）。
那么Zigbee是如何实现上述通信方式的呢？
Zigbee协议栈将数据通信息过程高度抽象，使用一个函数完成数据的发送，以不同的参数来选择数据发送方式。Zigbee协议栈中数据发送函数原型如下：
afStatus_t AF_DataRequest(afAddrType_t *dstAddr , ……,uint8 radius)
在上面的函数中，第一个参数是一个指向afAddrType_t类型的结构体的指针，该结构体拥有一个枚举类型参数afAddrMode_t addrMode，该枚举类型结构如下：

typedef enum
{
    afAddrNotPresent = AddrNotPresent,    //按照绑定方式（实现将两个设备进行绑定，不需要设置地址）进行点播
    afAddr16Bit = Addr16Bit,         //指定目标地址进行点播
    afAddrGroup = AddrGroup,        //组播
    afAddrBroadcast = AddrBroadcast //广播
}afAddrMode_t;

他们分别对应着如注释所示的发送方式。上述的AddrNotPresent、AddrGroup等是一个常数，在Zigbee协议栈中的定义如下：

enum
{
    AddrNotPresent = 0,
    AddrGroup = 1,
    Addr16Bit = 2,
    Addr64Bit = 3,
    AddrBroadcast = 15
};

具体发送步骤如下（以单播为例）：
首先，定义一个afAddrType_t类型的变量：
afAddrType_t SendDataAddr;
然后，将其addrMode参数设置为Addr16Bit（发送方式）：

SendDataAddr.addrMode=(afAddrMode_t) Addr16Bit; //设置播送方式 SendDataAddr.addr.shortAddr=XXXX; //其中XXXX代表目标节点的短地址，如协调器的短地址为0x0000.

最后，调用AF_DataRequest函数发送数据即可：

AF_DataRequest(&SendDataAddr,......)

一、任务、事件以及串口通信

（一）事件的设置

事件驱动，任务轮询：给任务添加事件的函数
osal_set_event(taskId, SYS_EVENT_MSG);
参数说明：
taskID：任务的ID
SYS_EVENT_MSG：事件

（二）事件与消息

SYS_EVENT_MSG是系统事件，也是协议栈已经定义好的系统事件。一个任务最多可以有16个事件（因为事件号是一个16bit的常量，一个位表示一个事件，在ZcomDef.h中定义），SYS_EVENT_MSG已经占用了0x8000，故自定义的事件只能有15个。
事件的提取和清除可以用简单的位操作指令实现：
事件的提取：events & SYS_EVENT_MSG 与
事件的清除：events ^ SYS_EVENT_MSG 异或
系统事件包括了各种系统消息（message），一个事件可以包括255个消息（系统时间的消息号是一个8bit常量，定义在ZcomDef.h中）。
消息与事件的联系
OSAL在后台维护了一个消息队列，每一个消息都会被放到这个消息队列中去，当任务接收到事件以后（调用osal_set_event方法），从消息队列中获取属于自己的信息，然后进行处理。

（三）定时器的调用

协议栈允许任务调用定时器，定时器能用1ms的增量进行设置。
启用函数 osal_start_timerEx()
函数原型 uin8 osal_start_timerEx(uint8 taskID, uint16 event_id, uint16 timeout_value);
参数说明：
taskID：任务
event_id：事件
timeout_value：定时毫秒数

（四）串口操作

串口发送接收数据的基本步骤：

• 初始化串口（设置波特率、中断等）：uint8 HalUARTOpen(uint8 port, halUARTCfg_t config);
• 向缓冲区发送数据：uint16 HalUARTWrite(uint8 port, uint8* buf, uint16 len);
• 从接收缓冲区读取数据：uint16 HalUARTRead(uint8 port, uint8* buf, uint16 len);

二、点播、广播以及组播

（一）点播

1、绑定方式的点播

GenericApp_DstAddr.addrMode = (afAddrMode_t) AddrNotPresent;
GenericApp_DstAddr.endPoint = 0;
GenericApp_DstAddr.shortAddr = 0;

2、指定地址的点播方式

GenericApp_DstAddr.addrMode = (afAddrMode_t) Addr16Bit;
GenericApp_DstAddr.shortAddr = XXXX; //XXXX表示要送到的地址

（二）广播

GenericApp_DstAddr.addrMode = (afAddrMode_t) AddrBoradcast;
GenericApp_DstAddr.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;
GenericApp_DstAddr.shortAddr = 0xFFFF; //0xFFFF表示网络上的所有设

备，包括睡眠中的设备；0xFFFD除睡眠中的设备，网络中所有空闲且打开接收的设备；0xFFFC所有路由器，包括协调器。

（三）组播

组播的实现需要以下步骤：
1、声明一个组对象 aps_Group_t SampleApp_Group;
2、对aps_Group_t结构体赋值，示例如下：
SampleApp_Group.ID = 0x0003;//组ID
osal_memcpy(SampleApp_Group.name,”Group 3”,7)
3、设定通信的目标地址

SampleApp_Flash_DstAddr.addrMode = (afAddrMode_t)afAddrGroup;
SampleApp_Flash_DstAddr.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;
SampleApp_Flash_DstAddr.addr.shortAddr = SAMPLEAPP_FLASH_GROUP;

4、注册端点描述符

// Fill out the endpoint description.
SampleApp_epDesc.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT;
SampleApp_epDesc.task_id = &SampleApp_TaskID;
SampleApp_epDesc.simpleDesc = (SimpleDescriptionFormat_t *)&SampleApp_SimpleDesc;
SampleApp_epDesc.latencyReq = noLatencyReqs;
// Register the endpoint description with the AF
afRegister( &SampleApp_epDesc );

5、在本任务里将端点加入到组中
aps_AddGroup(SAMPLEAPP_ENDPOINT, &SampleApp_Group);
6、按照组播地址向对方发送数据

if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Periodic_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
                    SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,
                    1,
                    (uint8*)&SampleAppPeriodicCounter,
                    &SampleApp_TransID,
                    AF_DISCV_ROUTE,
                    AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )
{
}
else
{
    // Error occurred in request to send.
}

7、若要把一个谁被加入到组中的端点从组中移除，调用aps_RemoveGroup即可

aps_RemoveGroup(SAMPLEAPP_ENDPOINT, SAMPLEAPP_FLASH_GROUP);

三、通信信道以及PANID的设置

（一）通信信道

Zigbee在3个频段定义了27个物理信道，其中在2.4GHz频段上定义了16个250kb/s信道，信道间隔为5MHz。
可以在f8wConfig.cfg里设置信道

-DDEFAULT_CHANLIST=0x00000800 // 11 - 0x0B

这里默认使用的是编号为11的信道
当建网过程开始后，网络层将请求MAC层对规定的信道或由物理层默认的有效信道进行能量检测扫描，以检测可能的干扰。网络层管理实体对能量扫描的结果以递增的方式排序，丢弃那些能量值超出可允许能量水平的信道，然后再由网络层管理实体执行一次主动扫描，结合检查PAN描述符，对剩下的信道选择一个合适的建立网络。

（二）PANID

当一个环境中存在多个Zigbee网络时，16个信道可能就不够用了，如果两个网络设置在同一个默认信道，就有可能A的终端加到B的网络中去。解决这个问题的方法是：使用PANID给网络编号。
PANID范围是0X0001——0XFFFF；
可以在f6wConfig.cfg文件中配置PANID
如果这里设置为0XFFFF，那么协调器则随机产生一个值作为自己的PANID；路由器和终端设备则会在自己的默认信道上随机选择一个网路加入，加入之后协调器的PANID即为自己的PANID。
当一个协调器的PANID设置好以后，比如1234，周边的路由器、终端节点加入了网络1234，一切都正常运行。但是当协调器断电重启就不能回到原来的网络中去了。因为协调器重启时发现有一个1234网络在运行，所以，他的PANID自动加1了，成为了另一个网络，只有将所有路由器和终端节点都重启才能组成一个网络。

Zigbee整个网络的架构由以下三个值决定：1、网络最大深度 2、每个父节点拥有的孩子节点最大数目 3、每个父节点拥有的孩子节点路由器的最大数目
端口：每个节点最多支持240个端口

数据接收：调用osal_msg_receive()函数从消息队列中接收一个消息（包含事件与数据）
uint8 *osal_msg_receive(uint8 task_id)

任务轮询：osal_start_system(void) 。通过tasksEvents指针访问事件表的每一项，如果有事件发生，则查询函数表找到时间处理函数进行处理，处理完成，继续访问事件表，查看是否有事件发生，无限循环。

四、Zigbee协议栈的NV操作

NV（Non Volatile），即非易失性存储器（FLash存储器），即系统掉电，存储器中的数据不掉，主要用于保存网路的配置参数，掉电再上电后，节点还是加入原来的网络并且节点的网络地址直接从NV读取。
NV存储器的主要操作有初始化NV存储器、读NV存储器、写NV存储器，这些都在OSAL文件夹下的OSAL_Nv.h和OSAL.h文件中定义和实现。
上面三个操作的函数分别是：

• NV初始化函数：uint8 osal_nv_item_init(uint16 id, uint16 len, void *buf)，NV存储器将该存储器分成多个条目，每个条目都有一个ID号。
• NV写操作函数：uint8 osal_nv_write(uint16 id, uint16 ndx, uint16 len, void *buf);

• NV读取函数：uint8 osal_nv_read(uint16 id, uint16 ndx, uint16 len, void *buf);

  参数说明：
  id：NV条目ID号；
  ndx:偏移量
  *buf:执行要存放写入或读取数据函数缓冲区的指针。
  用户只能使用条目ID范围0x0201~0x0FFF，可以在OSAL文件夹下的ZcomDef.h文件中添加自己的条目

五、Zigbee协议栈网络管理

Zigbee协议栈实现网络管理的函数：
获得该节点的网络地址：uint16 NLME_GetShortAddr(void)
获得该节点的MAC地址：byte * NLME_GetExtAddr(void)
获得该节点的父节点网络地址：uint16 NLME_GetCoordShortAddr(void)
获得该节点的父节点MAC地址：void NLME_GetCoordExtAddr(byte * buf)