Zigbee基本通信实验

1.Zigbee基本通信实验

1.1实验目的

了解实Zigbee的原理及在软件上如何方便使用；

掌握在Windows CE 6.0下进行UART编程的方法。

1.2实验设备

硬件：EduKit-IV嵌入式教学实验平台、Mini270核心子板、Zigbee模块、PC 机；

软件：Windows 2000/NT/XP 以及Windows 平台下的VS2005开发环境。

1.3实验内容

利用Microsoft Visual Studio 2005编写一个可运行于EduKit-IV型实验箱Windows CE 6.0操作系统上的应用程序；

学习和掌握EduKit-IV教学实验平台中通过UART与Zigbee模块通信，实现对Zigbee模块的配置和对等网模式下的通信。

1.4实验原理

1.4.1Zigbee起源

无线网络系统源自美国军方的“电子尘埃(eMote)”技术，是目前国内、外研究的热点技术之一。该系统基于IEEE802.15.4规范的无线技术，工作在2.4 GHz或868／928 MHz，用于个人区域网和对等网状网络。ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它是一种介于红外无线技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。相对于现有的各种无线通信技术，无线ZigBee网络技术将是近距离通信最低功耗和成本的技术。这一技术目前正向工业、民用方向推广和发展，市场前景广阔。包括国家863计划等项目都在进行相关

的研究工作。因此，本文介绍的基于ZigBee技术的嵌入式无线网络平台，这一无线网络平台可应用于工业控制、信息家电、安保系统、环境监测、港务运输、煤矿安全、农业自动化和医疗监护设备等许多行业和设备。具有广泛的适应性。并能弥补其他无线通信技术的不足，保证其安全性，降低服务成本。

1.4.2ZigBee网络配置

1.网络设备组成。

ZigBee网络设备主要包括网络协调器、全功能设备和精简功能设备3类。

●网络协调器：

包含所有的网络消息，是3种设备类型中最复杂的一种，存储容量最大、计算能力最强。功能是发送网络信标、建立一个网络、管理网络节点、存储网络节点信息、寻找一对节点间的路由消息、不断地接收信息。

●全功能设备：

全功能设备（Full-Function Device，FFD）可以担任网络协调者，形成网络，让其他的FFD或精简功能装置（RFD）联结。FFD具备控制器的功能，可提供信息双向传输。其设备特性有：附带由标准指定的全部IEEE 802.15.4功能和所有特征；更强的存储能力和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：

精简功能设备（Reduced-Function Device，RFD）只能传送信息给FFD或从FFD接收信息，其设备特性有：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；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。

2.网络节点类型。

从网络配置上，ZigBee网络中有3种类型的节点：ZigBee协调点、ZigBee路由节点和ZigBee 终端节点。

●ZigBee协调点：

ZigBee协调点在IEEE 802.15.4中也称为PAN（Personal Area Network）协调点（ZigBee Coordinator，ZC），在无线传感器网络中可以作为汇聚节点。ZigBee协调点必须是FFD，一个ZigBee 网络只有一个ZigBee协调点，它往往比网络中其他节点的功能更强大，是整个网络的主控节点。它负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的功能。ZigBee协调点是3种类型ZigBee节点最为复杂的一种，一般由交流电源持续供电。

●ZigBee路由节点：

ZigBee路由节点（ZigBee Router，ZR）也必须是FFD。ZigBee路由节点可以参与路由发现、消息转发，通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。此外，ZigBee路由节点还可以在它的个人操作空间（POS，Personal Operating Space）中充当普通协调点（IEEE 802.15.4称为协调点）。普通协调点与ZigBee协调点不同，它仍然受ZigBee协调点的控制。

●ZigBee终端节点：

ZigBee终端节点（ZigBee EndDevice，ZE）可以是FFD或者RFD，它通过ZigBee协凋点或者ZigBee路由节点连接到网络，但不允许其他任何节点通过它加入网络，ZigBee终端节点能够以非常低的功率运行。

3.网络工作模式。

ZigBee网络的工作模式可以分为信标（Beacon）和非信标（Non-beacon）2种模式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度的功耗节省，而非信标模式则只允许ZE进行周期性休眠，ZC和所有ZR设备必须长期处于工作状态。

信标模式下，ZC负责以一定的间隔时间（一般在15ms～4min）向网络广播信标帧，2个信标帧发送之间有16个相同的时槽，这些时槽分为网络休眠区和网络活动区2个部分，消息只能在网络活动区的各时槽内发送。

非信标模式下，ZigBee标准采用父节点为ZE子节点缓存数据，ZE主动向其父节点提取数据的机制，实现ZE的周期性（周期可设置）休眠。网络中所有父节点需为自己的ZE子节点缓存数据帧，所有ZE子节点的大多数时间都处于休眠模式，周期性的醒来与父节点握手以确认自己仍处于网络中，其从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15ms。

1.4.3ZigBee的网络拓扑结构

ZigBee主要采用了3种组网方式：星型网、网状网和簇状网。其中网络协调器相当于本试验中的中心节点，全功能设备相当于本试验中的路由节点，精简功能设备相当于本试验中的终端节点。

●如图1所示在星型网中，一个功能强大的主器件位于网络的中心，作为网络协调者，其它

的主器件或从器件分布在其覆盖范围内。由于网络协调者定义了整个网络的时分复用和多

址接人方式，因此星型网的控制和同步都比较简单，通常用在设备薯莨比较少的场合。