DIY ZIGBEE 入门无线传感器网络

一、从一张广告照片谈起

　　ZigBee是一种新兴的无线网络技术标准，主要用于近距离无线网络连接。它的字面意思为“嗡嗡（zig）的蜜蜂（bee）”，来源于蜜蜂用于传递信息的舞蹈，蜜蜂通过“嗡嗡”地抖动翅膀飞翔出“八字舞”来与同伴传递花粉的方位信息，这样的方式构成了蜜蜂群体中的通信网络。该技术的主要特色有低速、低功耗、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。它工作于2.4GHz( 全球)、868MHz( 欧洲) 及915MHz( 美国)的ISM 频段，其基础是IEEE802.15.4，这是IEEE 无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee) 技术标准。

　　2001年8月ZigBee联盟成立，主要负责制定相关的无线网络协定。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，共同研发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。目前已经包括2004、2006及2007/Pro版本。

　　由于ZIGBEE技术的高速发展，引起了广大电子爱好者和单片机爱好者的极大关注，都希望自己也能动手熟悉这个新技术，但是，当大家实际要准备动手的时候， 确感到好像是老虎啃天，无处下手，因为ZIGBEE技术相对于一个简单无线网络而言，太过于复杂和庞大，从基础的无线知识，包括高频天线，高频调制技术，到无线和数字通讯原理，到个人区域无线网络的国际标准IEEE802.15.4 , MAC 原理， 再到ZIGBEE无线网络技术规范，无线网络拓扑，无线网络路由，无线网络安全 ……    如果将这些知识和理论变成书本，可能有厚厚几尺高，初次入门者要很快实现这样多的知识跨越，进行DIY，几乎是不可能完成的任务；

　　从哪里开始我们的DIYZIGBEE 历程？我想到了在美国TI公司网页上看到的一张广告照片，见图一所示：  
  

图1   TI 网页上ZIGBEE 网络处理器广告照片

　　这张照片上，是一个充满自信的小女孩，好像是上小学3年级那种好学生，  背景上的黑白上写了一行粉笔字：

　　CC2480+MCU=ZIGBEE ,    我们知道，CC2480是TI公司推出的ZIGBEE网络处理器，将复杂的ZIGBEE网络协议栈，处理成了简单的用户接口命令，用户只要使用任何简单的单片机（微控制器），就可以容易的实现对ZIGBEE网络的控制；TI推出这个芯片的目的，就是希望ZIGBEE容易被使用，所以这个广告照片，TI特别选择一个小学生，来说明其容易性；

　　这张照片，让我们豁然开朗，因为我们在前面已经介绍了DIYRF-2510和熟悉了CC2510 无线微控制器 (8051内核无线单片机)，所以，我们只要加上一个ZIGBEE网络处理器，就可以绕开无线协议栈复杂的内部结构，直接进入ZIGBEE无线网络的实际使用。也就是说，我们先将ZIGBEE网络处理器当成一个“黑盒”，使用我们已经熟悉的CC2510单片机（注意只使用单片机的功能），采用软件来控制ZIGBEE无线网络处理器。来学习和体验ZIGBEE无线传感器网络中那些最重要的技术特性，包括节点的类型，网络拓扑，网络数据通讯，传感器信号采集和无线传输，低功耗网络等等，这样，就可以用很短的时间来完成这漫长的学习之旅；   

二、快速实现升级，准备好我们的ZIGBEE无线传感器网络系统

　　在2009年第9期《无线电》杂志，我们使用的是无线龙科技公司生产的DIYRF-2510系统，我们需用购买升级包装：DIYRF-2480－C或者DIYRF-2480-L ；不同的升级包装包括不同的网络处理器模块 ，分别采用TI  CC2480或者无线龙科技LC2480 网络处理器，但是软件兼容，模块插座也兼容，当然，采用不同网络处理器的升级套件价格也有很大差别， 和TI CC2480不同，深圳无线龙科技公司设计的LC2480网络处理器采用了标准 TI CC2430芯片，内置了无线龙开发的兼容软件，图二是  无线龙 LC2480网络处理器模块原理示意图 
 

图2   无线龙 LC2480网络处理器模块原理示意图

　　我们将DIYRF-2510无线网关上的模块，拔出放到安全的地方，然后插入DIYRF-2480升级套装中的一个无线网络处理器模块，就方便的完成了无线网关的ZIGBEE升级，然后，我们再在DIYRF-2510套件的无线节点底板上，分别插上剩下的两个无线龙科技公司生产的2480无线网络处理器模块，就全部快速完成了DIYRF-2510向DIY2480的硬件升级，也就是完成了DIY ZIGBEE无线传感器网络的硬件准备工作，DIYRF升级套件售价非常低廉，用户只需要300元人民币(全套系统DIYRF2510+ZIGBEE2480升级套装，仅仅需要700元人民币)，就可以在DIYRF-2510基础上，升级为完整的ZIGBEE无线网络DIY平台。通过www.WXLMCU.com , 可以非常容易在无线龙科技公司网上商城完成现货购买；

　　升级后的DIY-2480 ZIGBEE DIY系统如图3所示 
 

图3   升级后的DIY-2480 ZIGBEE DIY系统

　　由于我们原来的DIYRF-2510无线节点底板的CC2510无线单片机中，内置的是简单网络表演软件代码（HEX）.在我们实现对ZIGBEE网络处理器控制的时候，我们需用使用新的代码，所以，对两个节点板，我们必需从新下载代码；
将节点板分别连接到网关板，如图4连接，使用CC2510仿真器下载软件到节点板CC2510中去： 
 

图4   连接到PC，下载ZIGBEE网络处理器控制表演软件到两个节点板

　　完成两个模块下载ZIGBEE控制表演软件后，我们可以装上电池，将USB电缆连接到通讯口（不是仿真器），开始我们在在ZIGBEE无线网络世界的翱翔…..

三、开始你第一个ZIGBEE实验

　　首先，将网关（注意检查是否插上了2480网络处理器模块）连接到电脑的USB接口，另外两个无线节点板插上2480网络处理器模块，（注意检查是否下载了正确的ZIGBEE2480表演代码），ZIGBEE网络系统结构如图5所示; 
 

图5   DIYRF-2480基本 ZIGBEE网络结构

　　在开始我们的实验前，我们必需先了解一下ZigBee网络技术的一些基础知识。
　　每个ZigBee 个人区域网（Personal Area Network ，PAN），可以由数千个或者更多无线节点组成。每个ZigBee网络中的节点，都是由一个单片机加上无线收发器组成，我们将单片机和ZigBee无线收发器集成为一个单芯片的片上系统，也称为ZigBee无线单片机，CC2430、CC2480、LC2480等都是这样的无线单片机，在无线单片机内部的存储器里面，安装了ZigBee无线网络软件协议栈后，无线单片机就可以实现ZigBee无线网络节点的功能。如图6所示： 
 

图6   ZIGBEE协议栈

　　在ZigBee网络中，有三种主要的网络拓扑，分别是星状、树状和网状，如图7所示。 
 

图7   ZIGBEE拓扑

　　按照功能不同，将无线网络节点分为三种不同类型，包括协调者节点（Coordinator）、路由器节点(Router)和终 端节点(End Device) ，在图8中，按不同颜色来示意这些不同类型的节点。 
 

图8   ZIGBEE网络拓扑

　　在简单了解基础概念后，我们可以开始ZigBee网络实验了，首先按照DIYRF-2480使用说明书要求，一步一步安装DIYRF计算机监控软件，然后启动软件，你可以看到图9的欢迎画面。 
 

图 9   DIY  ZIGBEE 无线网络软件欢迎画面

　　将DIYRF-2480 网关节点使用USB电缆连接到PC，如图10所示。点击PC欢迎画面上的“点击进入”，DIYRF PC 
监控软件会出现，如图11界面，完成网络参数配置即可开始实验演示。 
 

图10   连接你的网关到PC(USB)

图11   ZIGBEE 网络配置

　　根据ZigBee技术规范，每个个人区域网必须有一个唯一的协调者节点，该节点承担网络时序管理、网络协调、存储网络地图、允许其他设备加入网络、网络组织、路由信息等，是一个全功能节点（FFD），任何时候都必需打开无线收发部分，在ZigBee 网络中有非常重要的作用。
　　当你给DIYRF-2480 网关（协调者节点）加上电源的时候，模块上的ZigBee无线单片机已经完成了一个ZigBee网络格式化的启动过程，这个过程包括：建立一个独立的ZigBee个人区域网，这个网络一个唯一的个人区域网号码（PAN ID），选择了一个可以使用的，在2.4GHz范围内的通信频道，等待其他网络设备加入这个网络。

　　然后，我们采用DIYRF-2480上的按键的第一位，分别设定“0”或者“1”来确定LC2480模块工作在路由或者终端 节点，我们将无线节点板1设定为路由器节点，将无线节点板2设定为终端节点，安装你的无线节点的电池，然后打开电池开关到ON，设定DIP开关在全部关闭——0XX，或者1XX ,你可以看见图12所示的画面。 
 

图12   ZIGBEE节点加入网络

　　经过几秒钟等待，你可以从DIYRF-2480 PC网络监控软件看到这里出现了两个不同类型的节点。如图13所示，红色是网关 节点，黄色是路由节点。如果你选购了更多的LC2480节点和无线底板和模块，例如再加两个无线传感器节点，你可以看到如图13所示的图像，有5个节点在这个ZigBee网络中间，蓝色为终端节点。你可以简单关闭电源开关，节点会从屏幕上消失，然后打开电池开关，节点会重新加入网络。 
 

图13   更多的网络节点和路由器

　　当你改变底板的开关从X0X,到X1X， 会指定节点从路由传输数据，你可以在PC软件屏幕上看到这个变化。从节点上，你可以看到相关传感器数据传输，包括温度、光敏、RSSI（信号强度）等，体验ZigBee无线传感器网络的神奇和强大。  

四、自己动手DIY通过软件控制ZIGBEE网络

　　看了这些激动人心的应用，可能你会心情激动，希望自己也来动动手，看看自己能不能通过改写软件，实现对低功耗无线网络的控制，DIYRF-2480 为你提供了这样的无限可能。

　　对于已经熟悉8051系列单片机和C51语言的爱好者，可以直接上手下面的实验（对于还不熟悉单片机的爱好者，仍然可以使用系统，从头开始学习8051单片机和C语言，但是你需要入门教材和实验，好在这些东西都可以很快在网络上找到）。
对于已经有单片机和C语言的，并且熟悉IAR调试编译工具的爱好者，让我们开始一个ZIGBEE无线网络软件DIY之旅。
DIY目标，使用两个ZIGBEE 2480模块无线节点，不需要PC机，用加速度传感器做一个ZIGBEE防盗报警实验。

　　步骤是：

　　1、安装IAR C51编译软件（需要自己到IAR网站下载评估版本）。

　　2、按如下示意图十三连接仿真器到PC USB 口， 注意这次是不同USB接口。 
     

图14   连接仿真器到PC USB 口

　　3、根据需要将仿真器分别连接无线节点板，进行下载和调试，首先进行第一号节点，作为终端节点使用。

　　4、打开工程软件，DIYRFZIGBEE.PRJ 如图15。 
 

图15    IAR平台  DIYRF工程文件和和源代码

　　5、你可以在C语言源代码中，修改和定义你使用无线节点上加速度门限，然后继续编译，如果提示正确，说明你成功完成编译。 

　　6、点击下载（注意当你点击这个键，预先固化表演代码，会完全丢失，如果你需要恢复，可以使用光盘中下载工具，下载HEX代码，恢复表演代码）。

　　7、退出下载。 

　　8、按启动（RESET）开始运行。

　　9、仿真电缆连接  2号节点，定义协调者节点 ，然后重复3－8步。

　　10．1号 节点内置MMC7660加速度传感器，你可以打开1号节点的电池开关，把节点固定在被监视的设备上，如笔记本电脑或其他贵重设备，当这个设备移动超过门限时，2号节点（ZigBee协调器）的LED会指示报警。如果你在LED控制线外加驱动蜂鸣器，可以听到响声，知道设备被移动，有丢失危险。

　　11．这样，就通过CC2510软件代码的修改，实现了对CC2480和ZigBee网络的直接控制。

　　从这里出发，你可以采用软件DIY实现ZigBee的各种 高级功能，如使用DIYRF-2480的基本硬件进行扩展，设计一ZigBee健康照顾系统，如图16所示。 
 

图16   ZIGBEE 健康照顾系统

　　又如，可以继续增加购买无线节点板，自己建设更复杂的多节点ZigBee无线传感器网络，实现一个工业仪表的无线传感器网络，如图17所示。 

图17   ZIGBEE 工业仪表系统

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