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[技术分享] Zigbee无线协议入门

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 楼主| 发表于 2022-8-28 11:32:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
教您5分钟接入机智云,实现傻瓜式开发
本帖最后由 我是吃货 于 2022-8-28 11:35 编辑

一、引言
    在物联网技术应用的知识体系中,Zigbee无线组网技术是非常重要的一环,也是大家感觉比较难以掌握的一个部分。Zigbee无线组网技术之所以让你感有学习难度,不是因为它真的复杂,而是它看起来很复杂,让人望而止步。另一方面则是Zigbee技术在应用层面上将硬件和软件完成融为一个体系,要求开发人员既要有扎实的硬件技术,又要有清晰的软件思维。
    目前,尽管有不少关于Zigbee无线组网的技术书籍写得非常棒,但对于初学者入门来说可能还是有点难。由于工作需要和形势所迫,我自己摸索着学习Zigbee无线组网技术。其入门过程可谓一波三折,碰过不少障碍,走过不少弯路,吃过不少苦头。所以,在这里结合自己学习Zigbee技术的过程,和大家分享一下学习体会,探讨一下学习路线。大家互助互勉,共同进步。





二、关于Zigbee与Z-Stack
    明明看的是关于Zigbee协议的技术教材,为什么里面的内容讲的却是Z-Stack协议栈的内容呢?相信有不少初学者都要这样的疑问。

ZigBee:是一种新兴的短距离无线通信技术,低功耗,相比目前的wifi蓝牙功耗更低;近距离,在不增加功率放大器的情况下,一般介于10~100米之间;数据传输速率低:10KB/秒~250KB /秒;可组网。ZigBee 是建立在IEEE802.15.4标准之上,由于IEEE 802.15.4标准只定义了物理层协议和MAC层协议,于是成立了zigbee联盟, ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化,还开发了安全层。经过ZigBee联盟对IEEE 802.15.4的改进,这才真正形成了ZigBee协议栈(Zstack)。

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Zigbee的典型应用
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    Z-Stack是TI公司提供的一套符合Zigbee协议标准的协议栈。用户可以使用其提供的程序框架和API函数进行应用项目的开发。该协议栈经过了Zigbee联盟的认可,并且被全球很多企业作为商业级协议栈。实际上,Z-Stack只是一个半开源的协议栈,其中的MAC层和ZMAC层并没有全部开源,但用户可以使用其提供的API来调用相关的库函数。

    简单来说,Zigbee是一个符合国际标准的协议,而Z-Stack则是实现该协议的具体代码。如果前者是一个建筑图纸,那么后者就是按照图纸修建的建筑物。所以,学习基于CC2530芯片的Zigbee无线组网技术,实际上就是学习Z-Stack协议栈的结构和运行机理,并且在其基础上进行项目开发。

三、学习Z-Stack协议栈的基本思路
    古语有云:物有本末,事有终始,知所先后,则近道矣。
    在进行Z-Stack协议栈的具体学习之前,必须先掌握CC2530芯片的开发流程及几个基础外设的应用。如果没有这方面的硬件基础,在看HAL层中的代码,你会觉得自己在看天书。在项目应用开发中,会因为应用场景的不同,使用不同的硬件电路,这个时候,不但要求你能够读懂硬件底层的代码,还要能够根据硬件的不同设计底层代码。
    对于Z-Stack协议栈,最好先从整体上掌握其程序架构,通过分析Z-Stack的代码,把任务标识符、任务初始化函数、任务事件列表和任务事件处理函数列表几个关键的代码的关系理清楚,从根本上理解OSAL的运行机理,并掌握任务、事件、消息等基本概念。然后理解其任务的调度算法,把事件的产生和事件的处理的来龙去脉弄清楚,最后,自己能够根据项目需求创建任务,处理事件。
    上述的两部分内容看起来跟Zigbee无线组网没有多大的关系,而然,你要进行Zigbee无线组网技术的开发,又离不开上面两个部分的内容。当你比较扎实的掌握了上面两部分内容之后,就可以很顺利进行无线组网和无线数据传输。至于信道、PANID、协调器、路由器、终端设备、广播、单播、组播、绑定等概念和应用,那都是水到渠成的事情了。
    我觉得可以把Z-Stack理解为:Z-Stack = OSAL + CC2530 + RF
    从总体上看,Z-Stack协议栈是一个用OSAL操作系统通过任务轮询方式来管理CC2530底层硬件和IEEE 802.15.4无线网络的体系结构。那么,你要学习Zigbee无线网络应用的基本路径也就清晰了。

四、学习Z-Stack协议栈的参考路线
    从我自己的学习过程来看,学习Z-Stack协议栈可以分为三个部分:CC2530微控制器的硬件基础开发、OSAL操作系统的基本应用和RF无线网络应用开发。
    在CC2530微控制器的基础学习中,我们掌握其中几个最基础的功能模块就可以了,至于DAM传输、Flash读写和低功耗控制等,你在后面的项目开发中,碰到什么再学什么,没有太大困难的。
    [CC2530基础的学习内容参考]:
    1-IAR开发环境的建立与项目开发流程。
    2-通用I/O端口的输入和输出控制。
    3-中断系统及外部中断应用。
    4-定时/计数器原理及其应用。
    5-串行接口原理及其应用。
    6-ADC工作原理及其应用。
    7-CC2530基础技能综合实训案例。
    <关于这一部分的内容已经在本博客的《CC2530入门基础教程》的系列在论坛发布了。>
    OSAL是一个基于轮转查询方式的操作系统。在OSAL操作系统的学习过程中,我们要掌握的是如何在OSAL中实现对CC2530基础模块的控制。对于一些没有操作系统概念或者没有具体接触过操作系统的人来说,那是有一定难度的。而然,你要真正的踏进Zigbee无线网络应用的大门,这是必经之路。
    [OSAL基础的学习参考内容]:
    1-理解OSAL的运行机理及相关概念。
    2-基于OSAL的跑马灯程序。
    3-自定义任务的创建及事件处理。
    4-基于OSAL的按键驱动及任务同步。
    5-基于OSAL的串口数据收发应用。
    6-基于OSAL的ADC数据采集。
    7-基于OSAL的基础技能综合实训案例。
    最后才是基于IEEE 802.15.4无线网络应用的学习。在这里并不是单一内容的学习,而是结合前面两个部分的内容,对Z-Stack协议栈进行系统性的综合应用学习。
    [无线网络应用的学习参考内容]:
    1-基于BasicRF的点对点通信。
    2-Z-Stack协议栈的结构及基本概念。
    3-Z-Stack协议栈中的HelloWorld。
    4-Z-Stack协议栈中的三种通讯方式。
    5-Z-Stack协议栈中的绑定技术。
    6-Z-Stack协议栈中的多点自组织网络。
    7-Z-Stack协议栈的基础技能综合实训案例。

五、个人学习体会
    在应用层面上,Zigbee无线网络技术的难点不是射频数据收发部分,也不是网络组建管理部分, 但需要开发者具备硬件开发基础和软件编程思维。在阅读Z-Satck协议栈代码过程中,有大量的数组、指针、结构体、宏定义、条件编译等内容,所以要求开发者有扎实的C语言功底,如果你有阅读过操作系统源码的经验的话,那会事半功倍。
    技术书籍是需要看的,最好结合着源码来看。虽然技术书籍可以带你从整体上认识Z-Satck协议栈,但是会比较抽象,离开源码你无法形象地摸清其中的脉络。在阅读书籍和源码的时候关键是理解,而理解的最好方法是动手编写代码进行验证。你可以首先运行最原始的Z-Stack协议栈,让它跑起来。在这个过程中,你可以设置一些断点,看看程序的运行路径,可以加深你对概念的理解。然后,你可以试着按照书上或者你自己的构想,修改代码,出现错误就找出原因;运行成功你的理解又会前进一步。就这样一步一个脚印的慢慢迈向Zigbee无线网络ying应用的大门。这时候有人就会说,没有开发板怎么办?我只能回答你:“放弃吧”。学习Zigbee无线网络技术最起码你需要三个开发板。
    在学习过程中遇到问题怎么办?简单,网上搜索就会有很多资料,而且都很不错的,基本上能解决入门学习的所有问题。实际上,有很多博客文章记录了作者遇到问题和解决问题的过程,非常有针对性,对初学者来说非常有帮助,而且很多是技术书籍没有讲到的。在学习过程中,利用技术书籍和技术博客,结合Z-Stack协议栈源码,边理解边实践,我相信您会很快的掌握其技术要点和开发技能的。

六、小结
    Z-Stack协议栈之所以复杂,那是因为它看起来复杂而已。技术的学习往往都没有捷径,只有循序渐进,扎实前行,才能真正把握本质和内涵。对于那些兴趣浓厚或者目标坚定的初学者来说,我相信掌握Zigbee无线组网技术的入门技能是不会化太长时间的。
    如果能够完成上面三个部分内容的学习,我想Zigbee无线组网技术应该可以入门的了,但是你要达到精通的水平还不够,还得需要通过很多项目开发的不断锤炼。


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