zigbee通讯技术复习笔记

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时间 2021-01-15 12:01:28 osc_cnb6sdnb

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这门课对于我一个学嵌入式的来说，还是比较重要的，所以我还是以老师给出的大纲为主体，好好复习一下！

题型：选择题24x1.5 判断10x1 填空15x1 简答4x5 程序1x5 另外一个设计题1x14

每个标题前半部分是老师的提纲知识点，补充下面是我看到的可能比较重要的或者可以了解的。

WPAN及ZigBee基础

Zigbee、蓝牙、IEEE802.11b（WiFi）标准都是工作在2.4G频段的无线通信标准；Zigbee主要用在短距离无线控制系统，传输少量的控制信息；（P2）
短距离无线网络主要分为：无线局域网(WLANs)和无线个域网(WPANs)（P3）
无线个域网所对应的通信协议：（P3）
HR-WPANS：802.15.3
MR-WPANS：蓝牙
LR-WPANS(低速率无线个域网)：802.15.4
Zigbee最大传输速率：250kbps。 ZigBee可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行) 和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内, 但可以继续增加。
Zigbee无线网络分层：物理层（PHY）介质访问控制（MAC）网络层（NWK）应用程序支持子层（APS）应用层（APL）（P4）
其中802.15.4 定义了物理层和介质访问控制层；Zigbee协议定义了网络层、应用程序支持子层和应用层（具体介绍见下面的补充）
Zigbee特点：（自组网）（P5）
高可靠性：采取了碰撞避免策略；MAC层采用了完全确认的数据传输模式；
低成本、低功耗 ：ZigBee模块的复杂度不高，ZigBee协议免专利费，再加之使用的频段无需付费，所以它的成本较低；ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低
高安全 ：采用高级加密标准(AES 128) 的对称密码；
低数据速率
Zigbee设备类型：（P5）
协调器（ZC Coordinator）：主要负责无线网络的建立与维护；（每个ZigBee网络必须有一个）
路由器（ZR Router）：主要负责无线网络的路由；（ (1)允许其他网络设备加入 (2)多跳路由 (3)协助电池供电的子节点通信(4)自己作为终端节点应用）
终端节点（ZED End-device）：主要负责无线网络数据的采集。（1）向路由节点传递数（2）没有路由功能（3）低功耗（Zigbee的低功耗主要体现在这里）（4）可选择睡眠与唤醒。(路由因不断转发数据需电源供电，终端节点电池供电)）
Zigbee工作在ISM（工业、科学和医疗）频带，共规定了27个信道：（P7）
2.4GHz频段共16个信道，通信速率为250kbps
915MHz频段共10个信道，通信速率为40kbps
896MHz频段共1个信道，通信速率为20kbps
Zigbee网络拓扑结构：星型；网络型；簇状；（P8）
Zigbee应用为：周期性；反复；间断数据采集应用；
Zigbee模块开发一般包括两个文件：.h头文件和.c文件（P）
.h文件可理解为一份接口描述文件；
.c文件主要功能是对.h文件中声明的外部函数进行具体实现。

补充：

Zigbee网络中传输的三类数据：
周期性数据：如家庭中水、电、气三表数据的传输；
间断性数据：如电灯、家用电器的控制等数据的传输；
反复性的低反应时间的数据：如鼠标、操作杆传输的数据。
ZigBee设备分类
全功能设备(FFD)：可以担任网络协调者，形成网络，让其它的FFD或是精简功能装置（RFD）连结，FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。
~附带由标准指定的全部 802.15.4 功能和所有特征
~更多的存储器、计算能力可使其在空闲时起网络路由器作用。
~也能用作终端设备
精简功能设备(RFD)：RFD只能传送信息给FFD或从FFD接收信息。
~附带有限的功能来控制成本和复杂性
~在网络中通常用作终端设备。
~ZigBee相对简单的实现自然节省了费用。RFD由于省掉了内存和其他电路，降低了ZigBee部件的成本，而简单的8位处理器和小协议栈也有助于降低成本。

Zigbee设备类型与角色对应关系
在这里插入图片描述
3. ZigBee协议架构
物理层功能：PHY层由射频收发器以及底层的控制模块构成；
1. 激活和休眠射频收发器；
2. 信道能量检测（energy detect）；
3. 检测接收数据包的链路质量指示（link quality indication , LQI）；
4. 空闲信道评估（clear channel assessment, CCA）；
5. 收发数据。
数据链路层功能：MAC子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口
1. 协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协议器同步；
2. 支持PAN网络的关联（association）和取消关联（disassociation）操作；
3. 支持无线信道通信安全；
4. 使用CSMA-CA(载波侦听多路访问／冲突避免)机制访问信道；
5. 支持时槽保障（guaranteed time slot, GTS）机制；
6. 支持不同设备的MAC层间可靠传输。
网络层功能：
1. ZigBee网络层的主要功能就是提供一些必要的函数，确保ZIgBee的MAC层（IEEE 802.15.4-2003）正常工作，并且为应用层提供合适的服务接口。为了向应用层提供其接口，网络层提供了两个必须的功能服务实体，它们分别为数据服务实体和管理服务实体。
2. 网络层数据实体（NLDE）通过网络层数据服务实体服务接入点（NLDE-SAP）提供数据传输服务；
3. 网络层管理实体（NLME）通过网络层管理实体服务接入点（NLME-SAP）提供网络管理服务。网络层管理实体利用网络层数据实体完成一些网络的管理工作，并且，网络层管理实体完成对网络信息库（NIB）的维护和管理。
应用会聚层功能：该层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体而言包括：
1. 安全与鉴权
2. 多个业务数据流的会聚
3. 设备发现
4. 服务发现

4.TCP/IP结构对应OSI结构：在这里插入图片描述
5. Z-Stack协议栈文件组织结构介绍

CC2530芯片相关

CC2530单片机是一款完全兼容8051内核，支持802.15.4协议的无线射频单片机（P30）
CC2530的Flash（非易失性存储器）容量可选： 32KB 64KB 128KB 256KB
CC2530有两个晶振： 32MHz 晶振 32.768KHz（无线通信时必须采用外部32M晶振）
I/O口控制
CC2530内部自带温度传感器：
使用步骤：
1、使能温度传感器
2、连接温度传感器到ADC
3、初始化ADC，确定参考电压、分辨率等，启动ADC读取温度数据
补充：

Zigbee地址相关

设备地址：（P134）
64位IEEE地址：长地址又称 MAC地址或 扩展地址（全球唯一）
16位网络地址：短地址又称逻辑地址（协调器地址为0x0000，其他设备入网时由协调器分配）（1）在网络中标识不同设备；（2）在网络数据传输时指定目的地址和源地址；
网络地址：唯一标示网络中的一个节点（用网络地址来区分不同的节点）；（P135）
网络地址最多可以分配65536个节点，地址分配取决于整个网络的架构，整个网络的架构由一下3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
同一父节点相连的终端节点的网络地址是连续的
同一父节点相连的路由器节点的网络地址通常是不连续的
端口：每个节点上最多支持240（1-240）个端口，每个节点上的所有端口共用一个发射/接收天线（用端口来区分同一节点的端口）；
PANID：Zigbee网络号可手动设置（或自动随机生成），如果指定的PANID被占用则自动加1。
~PANID范围是0X0001----0XFFFF;
~可以通过给不同的网络指定不同的网络ID号来区分网络，避免干扰；
~如果设置为0XFFFF，那么协调器则随机产生一个值作为自己的PANID;

非易失性闪存条目ID号(NV操作用到的ID则定义在0x0201~0x0FFF 范围内！)
数据发送：调用**AF_DataRequest()**函数通过天线发送数据（P139）

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

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 )
数据存储位置（结构）：（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（系统抽象层）是一种支持多任务运行的系统资源分配机制（P72）
OSAL主要功能：
任务注册、初始化和启动
任务间的同步、互斥
中断处理
存储器分配和管理

补充：

IEEE802.15.4网络的建立过程
int main( )主函数实现硬件的初始化其中包括

事件驱动

首先记住 任务轮询、事件驱动 必考；
Zigbee将事件和任务的事件处理函数联系方法：（P74）
1、建立一个事件表，保存各个任务的对应事件
2、建立另一个函数表，保存各个任务事件处理函数地址
3、将两张表建立某种对应关系
OSAL工作原理（轮询）osal_start_system(void)
通过tasksEvents指针访问事件表的每一项，如果有时间发生，则查找函数表找到事件处理函数进行处理，处理完后，继续访问事件表，查看是否有事件发生，无限循环；（P75）
协议栈定义的事件成为系统强制事件：（P80）
AF_INCOMING-MSG-CMD
ZDO_STATE_CHANGE
ZDO_CB_MSG
AF_DATA_CONFIRM_CMD
Zigbee协议栈为半开源；
Zigbee协议栈串口操作（P85）
串口基本操作步骤：
1、初始化串口，包括设置波特率、中断等
2、向发送缓冲区发送数据或从接收缓冲区读取数据
操作函数：

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

串口回调函数：回调函数不是由该函数实现方直接调用的，而是在特定的事件或条件发生的，由另外的一方调用，用于对该事件或条件进行响应。因此，串口回调函数是在有串口操作（事件）发生时（自动触发）调用的；（P89）
当应用有串口操作时，应该对应用程序模块的工程属性的编译预处理的Definedsymbols下拉列表框中输入“HAL_UART=TRUE”。（即用条件编译来控制是否编译与该模块相关的程序，目的是为了节约存储资源）；（P93）
程序中波特率的设置要与上位机（如串口助手）一致；
Zigbee协议栈NV操作（P120）
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失。主要用途保存网路的配置参数，或掉电后，上电该节点还是加入原来的网络并且该节点的网络地址就可以从NV读取。
NV存储器主要的操作有初始化NV存储器、读NV存储器、写NV存储器。这些都在OSAL文件夹下中的OSAL_Nv.h和OSAL.h文件中定义和实现。
下面三个操作函数分别是：
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。条目的分类见OSAL文件夹中的ZcomDef.h文件，其中要知道的是：用户应用程序定义的条目地址范围为是0x0201到0x0FFF;
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 );
第一个参数：uint16：NV条目ID号
第二参数：举例条目开始的偏移量
第三参数：要写入的数据长度
第四参数：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
可在OSAL文件夹下的ZcomDef.h文件中添加自己的条目
如：#define Test_NV 0x0201

**函数名要考：**
**事件添加函数**：osal_set_event()
			函数原型：osal_set_event(  taskID, SYS_EVENT_MSG );
			参数说明:  taskID：任务
							 SYS_EVENT_MSG ：事件
**定时器函数**：osal_start_timerEx() (具有开启和停止一个定时器的功能，定时器能用**1毫秒**的增量进行设置)
			函数原型： uint8 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

**内存拷贝函数**：osal_memcpy()
**内存比较函数**：osal_memcmp()
**字符串长度函数**：osal_strlen()

**无线发送函数**:AF_DataRequest( afAddrType_t *dstAddr, endPointDesc_t *srcEP,
                   uint16 cID, uint16 len, uint8 *buf, uint8 *transID,
                   uint8 options, uint8 radius )
**消息接收函数**:uint8 *osal_msg_receive( uint8 task_id )

补充：

SYS_EVENT_MSG是系统事件，也是协议栈已经定义好的系统事件。
在文件ZcomDef.h中，事件号是一个16bit的常量，使用叫作独热码（one-hot code）编码，也是一个位表示一个事件，方便进行event的提取，这样一个task最多可以有16个event，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，事件的提取可以用位与操作 events & SYS_EVENT_MSG,事件的清除可以用异或操作实现，evets ^ SYS_EVENT_MSG;

Zigbee通信相关

Zigbee协议栈中的规范（Profile）和簇（Cluester）
Zigbee网络中进行数据收发都是建立在应用规范基础上的。每个应用规范都有一个ID来标示。在一个规范（Profile）下又提出了簇（Cluester）的概念，这个Cluester要理解为一个应用领域下的一个特定对象。簇是由命令组成的。
同一规范下的发送命令（簇号）和接受命令（簇号）要相同才能通信；
Zigbee网络通信必须建立在具体设备节点的具体通信端口：
网络地址可以描述一个节点，用户可使用简单描述符来描述一个端口。（用户可用的端口号是1-240）
Zigbee通信模式：点播广播组播（这一点重点，我觉得可能考设计题和程序题，所以我会在下面着重补充）
点播
发送模式：Addr16Bit
发送目的端口：目的节点的简单描述符设定的工作端口
发送地址：目的节点的网络地址
广播
发送模式：AddrBroadcast
发送目的端口：目的节点的简单描述符设定的工作端口
发送地址： 0xFFFF 全网发送包括休眠节点
0xFFFD 只发往休眠节点
0xFFFC 发往所有路由节点
组播（同一组的节点才能通信）
发送模式：AddrGroup
发送目的端口：目的节点的简单描述符设定的工作端口
发送地址：组ID
#include “aps_groups.h”
1、设置组对象（ID 和 name）
2、加入对象组 aps_AddGroup()
3、退出组
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)
```

蓝牙

采用高速跳频扩展，实现语音和数据在短距离上的稳定无缝无线连接
在2.4GHz的ISM频带上设立79个带宽为GHz的信道，用每秒钟切换1600次的频率的跳频（Hobbing）扩展技术实现信息的收发。
蓝牙系统中的功能模块分为：无线射频单元、链路控制单元、链路管理单元、软件结构
微微网： 1主设备 7从设备
蓝牙技术采用了全开放的框架结构
蓝牙技术的系统结构分为三大部分：
1.底层硬件模块
2.中间协议层
3.高层应用
蓝牙协议分为四层：
1.核心协议：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；
2.电缆替代协议：RFCOMM；
3.电话传送控制协议：TCS-Binary、AT 命令集；
4.选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、 WAE。
近场通信NFC 及WIFI（了解一下，不考）

下面我整理了一下实验的一些核心代码，大家可以结合教材一起看，应该会在代码题和设计题里面考：

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