原创 ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践

        介绍掌握ZigBee技术的关键——ZigBee协议栈。从ZigBee1.0到ZigBee1.1，再到目前的ZigBee PRO，协议栈的结构、功能调用、参数设置、软件代码等都有了重大的变化， 掌握的难度也在不断增加。如何在这复杂的协议栈技术手册和浩瀚的代码中抓住其中的精髓？如何驾驭协议栈和实现自己的应用设计？只有靠具体动手实践，靠大量的实验去体验和观察。同时介绍了本书涉及的ZigBee芯片CC2520及相关低功耗微控制器MSP430。

       本书没有太多的理论描述，主要从实践入手，让读者更多地体会ZigBee协议如何用程序实现，如何利用ZigBee协议达到需要的目的，如何在ZigBee协议栈之上建立自己的应用，从而更快速地完成项目。
        本书可作为从事单片机、无线应用、自动化控制、无线传感等技术的工程技术人员的学习、参考用书，也可作为高等院校的计算机、电子、自动化专业无线通信课程的教材。

        当今世界通信技术迅猛发展。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LRWPAN(LowRate Wireless Personal Area Network)的发展。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的应用于无线监测与控制应用的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗(长电池寿命)且极廉价的市场定位，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，拥有广阔的应用前景。
        ZigBee技术核心是运行于微控制器内部的一套软件，也称之为软件ZigBee协议栈，负责该协议规范制定的是ZigBee联盟。ZigBee联盟于2004年12月通过了ZigBee1.0（也称ZigBee2004）标准，之后于2005年9月公布并提供下载。

        2006年12月，ZigBee联盟又推出ZigBee1.1（也称ZigBee2006）版。ZigBee1.1较原有ZigBee1.0作了比较大的改进，例如新增ZCL(ZigBee Cluster Library)、集团装置(Group Device)、多播(Multicast)功效及更丰富的网络拓扑，并且可以直接通过无线方式(Over The Air，OTA)进行组态配置和软件更新，此外还移除了KVP(Key Value Pair)的信息格式。
        2007年10月，ZigBee联盟推出ZigBee2007，制订出ZigBee Pro Feature Set(简称ZigBee PRO)的新标准，对ZigBee协议栈进行了重大升级，加强了对家庭自动化(Home Automation，HA)、建筑/商业大楼自动化(Building Automation，BA)和高级抄表结构(Advanced Meter Infrastructure，AMI) 3种应用类型的支持；同时在自动跳频以及支持更大的网络、更高级的路由算法等方面的改进和提高，将ZigBee协议栈的可用性和可靠性提高到一个全新的阶段。

        成都无线龙通讯科技有限公司（以下简称无线龙）自ZigBee协议公开以来，一直专注于ZigBee技术的研究开发，在ZigBee开发系统和相关教材书籍方面，努力跟踪该技术的发展。ZigBee1.0的协议配套教材为《ZigBee无线网络技术入门与实战》，配套开发系统为C51RF-3-JKS；ZigBee1.1的协议配套教材为《ZigBee2006无线网络与无线定位实战》，配套开发系统为C51RF-3-PK。本教材就是专门为ZigBee PRO协议而作，配套系统为C51RF-CC2520-PK。

        掌握ZigBee技术的关键是掌握ZigBee协议栈，从ZigBee1.0到ZigBee1.1，再到目前的ZigBee PRO，协议栈的结构、功能调用、参数设置、软件代码等都有了重大的变化， 掌握的难度也在不断增加。如何在这复杂的协议栈技术手册和浩瀚的代码中抓住其中的精髓？如何驾驭协议栈和实现自己的应用设计？只有靠具体动手实践，靠大量的实验，去体验和观察。因此本书没有太多的理论描述。如果读者需要了解相关ZigBee理论，可查阅北京航空航天大学出版社出版的《ZigBee无线网络技术入门与实战》和《ZigBee2006无线网络与无线定位实战》两本书。如果读者具有一些ZigBee的理论基础知识，那么此书必定会让读者尽快地去验证并应用这些理论。如果读者还对ZigBee技术一无所知，那么此书前面的小部分理论性章节会让读者对ZigBee技术不再陌生。如果读者已经有ZigBee的开发经验，那么通过本书将使读者更进一步地领会最新ZigBee PRO协议应用。

        此书也非常适合高校ZigBee技术的教学，因为大量的实例让学生学习不再空洞，让学生把高深的理论知识通过本书的实验直观地演示ZigBee组网、ZigBee数据传输、ZigBee网络拓扑等功能，使学生学习起来更加得心应手。

第1章 ZigBee技术概述
1.1 ZigBee技术的演变与进展...............................................1
1.1.1 ZigBee技术的由来...............................................2
1.1.2 ZigBee技术的发展历程...............................................2
1.2 ZigBee技术特点...............................................5
1.3 ZigBee2007/PRO特性...............................................6
1.3.1 ZigBee与ZigBee PRO比较...............................................6
1.3.2 不同ZigBee版本的兼容分析...............................................8
1.4 ZigBee无线网络使用频谱和ISM开放频带...............................................16
1.5 ZigBee技术的广阔应用前景...............................................17
第2章 低功耗微控制器MSP430与ZigBee芯片CC2520
2.1 低功耗微控制器MSP430...............................................22
2.1.1 关键特性...............................................22
2.1.2 MSP430模块化架构...............................................23
2.1.3 16位RISC先进CPU...............................................24
2.1.4 超低功耗性能...............................................25
2.1.5 灵活的时钟系统...............................................26
2.1.6 智能外设...............................................27
2.1.7 MSP430应用...............................................29
2.2 MSP430F2618简介...............................................29
2.2.1 MSP430F2xxx介绍...............................................30
2.2.2 MSP430F2618特性...............................................30
2.3 ZigBee芯片CC252031
2.3.1 CC2520的特性...............................................32
2.3.2 CC2520引脚描述...............................................34
2.3.3 CC2520与CC2420的区别...............................................35
2.3.4 CC2520典型设计...............................................36
第3章 ZigBee无线网络多功能开发系统
3.1 无线网络ZigBee开发系统平台选择...............................................39
3.1.1 如何选择嵌入式无线开发工具和平台...............................................40
3.1.2 需要的设备和必要条件...............................................42
3.2 多功能可视化ZigBee无线网络开发系统C51RF-3-PK...............................................44
3.2.1 C51RF3PK仿真器...............................................44
3.2.2 网络液晶扩展板...............................................45
3.2.3 C51RF3PK电池板...............................................51
3.2.4 ZigBee模块...............................................53
3.3 图形化ZigBee2007开发系统...............................................56
3.3.1 ZigBee模块CC2520...............................................57
3.3.2 网络液晶扩展板...............................................58
3.4 ZigBee软件集成开发平台...............................................63
3.4.1 IAR集成开发环境的安装...............................................65
3.4.2 添加文件或新建程序文件...............................................72
3.4.3 设置工程选项参数...............................................74
3.4.4 编译、链接、下载...............................................78
3.4.5 仿真调试...............................................79
第4章 ZigBee开发入门
4.1 认识ZigBee协议栈...............................................88
4.2 ZigBee网络数据传输...............................................90
4.2.1 实验目的...............................................90
4.2.2 ZigBee数据传输原理解析...............................................90
4.2.3 实验设备准备...............................................110
4.3 ZigBee协议栈编译/下载...............................................111
4.3.1 设备选择及设置...............................................111
4.3.2 编译/下载程序...............................................112
4.4 ZigBee源代码剖析...............................................113
4.4.1 发送一个信息包...............................................113
4.4.2 收发数据过程...............................................113
4.4.3 接收一个信息包...............................................116
4.5 实验流程...............................................117
4.5.1 流程图...............................................117
4.5.2 路由器代码...............................................118
4.5.3 协调器代码...............................................120
4.6 ZigBee分析仪分析ZigBee数据包...............................................121
4.6.1 协议分析仪...............................................121
4.6.2 ZigBee数据格式...............................................122
4.6.3 加入网络数据分析...............................................125
4.6.4 收发数据分析...............................................126
4.7 实验效果...............................................128
第5章 ZigBee无线网络开发进阶
5.1 ZigBee协议栈结构...............................................129
5.2 ZigBee协议栈实时操作系统...............................................132
5.2.1 OS术语介绍...............................................132
5.2.2 OSAL API介绍...............................................133
5.2.3 OSAL任务...............................................142
5.3 ZigBee2006应用接口...............................................144
5.3.1 实验目的...............................................144
5.3.2 原理介绍...............................................144
5.3.3 软件准备SAPI介绍...............................................145
5.4 网络形成...............................................145
5.4.1 协调器格式化网络...............................................146
5.4.2 路由器和终端设备加入网络...............................................146
5.4.3 ZDO_StartDevice...............................................147
5.5 绑定...............................................148
5.5.1 绑定表格...............................................149
5.5.2 绑定建立...............................................151
5.5.3 绑定解除...............................................156
5.6 命令...............................................156
5.6.1 命令定义及使用...............................................156
5.6.2 串...............................................159
5.6.3 ZCL介绍...............................................159
5.6.4 Profile介绍...............................................160
5.7 灯光控制实验...............................................165
5.7.1 APP函数分析...............................................165
5.7.2 灯光控制实验过程...............................................176
5.7.3 实验总结...............................................178
5.8 无线温度传感器实验...............................................179
5.8.1 设备...............................................179
5.8.2 命令...............................................180
5.8.3 发现和绑定...............................................180
5.8.4 数据包发送和接收...............................................181
第6章 ZigBee2007/PRO入门
6.1 ZigBee2007/PRO入门实验...............................................185
6.2 实验设备...............................................185
6.2.1 硬件介绍...............................................185
6.2.2 硬件组成...............................................186
6.3 实验基础知识...............................................186
6.3.1 ZigBee2007简介...............................................186
6.3.2 ZigBee2007/PRO协议栈简介...............................................187
6.3.3 ZigBee设备在Zstack中的体现...............................................189
6.4 实验内容...............................................191
6.4.1 建立任务...............................................192
6.4.2 按键处理函数...............................................197
6.4.3 发送函数...............................................198
6.4.4 接收处理函数...............................................200
6.5 实验步骤和结果...............................................200
6.5.1 建立网络...............................................200
6.5.2 路由设备加入网络...............................................202
6.5.3 发送数据...............................................203
6.5.4 退出小组...............................................203
6.5.5 加入小组...............................................203
6.6 实验拓展...............................................204
6.6.1 项目分析...............................................204
6.6.2 协调器函数的设计...............................................204
6.6.3 路由器设备函数设计...............................................205
6.7 实验总结...............................................206
第7章 ZigBee2007/PRO进阶
7.1 实验目的...............................................207
7.2 实验设备...............................................207
7.2.1 硬件介绍...............................................207
7.2.2 硬件组成...............................................208
7.2.3 ZigBee2007协议栈...............................................208
7.3 实验基础知识...............................................209
7.3.1 ZigBee PRO简介...............................................209
7.3.2 ZigBee PRO中的路由...............................................210
7.3.3 ZigBee PRO新功能...............................................211
7.3.4 信息包格式...............................................211
7.4 实验内容...............................................212
7.4.1 初始化任务...............................................213
7.4.2 任务处理...............................................215
7.4.3 UART_RX_CB_EVT事件...............................................219
7.4.4 串口发送函数...............................................222
7.4.5 串口接收中断函数...............................................223
7.4.6 串口读取函数...............................................224
7.4.7 ZigBee发送函数...............................................225
7.4.8 ZigBee接收处理函数...............................................226
7.5 实验步骤和现象...............................................228
7.5.1 建立网络...............................................228
7.5.2 路由设备加入网络...............................................229
7.5.3 查看网络中节点...............................................230
7.5.4 配置地址...............................................231
7.5.5 收发数据...............................................231
7.6 实验总结...............................................233
第8章 ZigBee2007/PRO高级应用——家庭自动化
8.1 家庭自动化概念...............................................234
8.2 ZigBee2007/PRO的家庭自动化...............................................236
8.3 家庭自动化实验目的...............................................236
8.4 家庭自动化体系...............................................236
8.5 实验设备...............................................237
8.6 家庭自动化实验工程...............................................238
8.7 家庭自动化工程剖析...............................................239
8.7.1 实验操作流程图...............................................240
8.7.2 灯和控制器主函数程序流程图...............................................240
8.7.3 其他初始化关键函数...............................................242
8.7.4 网络状态变化函数...............................................243
8.7.5 绑定相关函数...............................................246
8.8 操作系统...............................................250
8.8.1 操作系统关键参数...............................................251
8.8.2 操作系统关键函数...............................................252
8.9 灯设备关键任务...............................................256
8.10 控制器关键任务...............................................260
8.11 实验操作步骤...............................................265
8.12 家庭自动化例程总结...............................................268
第9章 ZigBee2007无线传感器网络
9.1 无线传感器网络概述...............................................269
9.1.1 什么是无线传感器网络...............................................269
9.1.2 无线传感器网络现状...............................................270
9.1.3 ZigBee在无线传感器网络上的应用...............................................272
9.1.4 ZigBee无线传感器网络系统特点...............................................272
9.2 ZigBee2007无线传感器网络实验概述...............................................273
9.3 ZigBee2007无线传感器网络硬件设计...............................................274
9.3.1 网关底板设计...............................................275
9.3.2 传感器底板设计...............................................276
9.4 网关与PC机的数据连接...............................................281
9.5 ZigBee2007无线传感器网络建立与网络管理...............................................287
9.5.1 网络通信过程介绍...............................................287
9.5.2 网关网络节点的地址管理...............................................288
9.6 网关与节点间的无线采集过程...............................................293
9.7 程序编译、下载...............................................303
9.8 实验效果...............................................304
附录A 网络层所定义的特性常量...............................................311
附录B 网络层信息库属性...............................................312
参考文献...............................................315