原文鏈接：http://blog.csdn.net/wiznet2012/article/details/38379703
*已刊登至：《無線電》8月刊
物聯網技術的實現中，無線技術是不可缺少的部分。近年無線技術的發展，將ZigBee推入人們的視線中，那麼ZigBee是怎樣的一種技術呢？帶着疑問，我查詢了它的來歷：
ZigBee，來源於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，可以想象蜜蜂依靠這樣的方式構成了羣體中的通信網絡！是不是有點意思，那麼隨之 ZigBee的出現就成了一種我們熟知的無線組網通訊技術並廣爲應用。本篇就帶你認識ZigBee，並實現一種常見應用：ZigBee轉以太網網關。
- 將ZigBee技術連接互聯網
圖1 智能家居中ZigBee應用示意圖
ZigBee是一種低成本，低功耗的近距離無線組網通訊技術，在智能家居、智能樓宇、工業監控等領域均有廣泛應用。基於ZigBee的智能家居應用，如圖1所示，用戶在家庭中安裝一個主控中心（ZigBee網關），及若干個與家電設備相連的分控終端，來遠程操控所有家用電器，設想下躺在沙發上控制廚房的電飯煲煮飯是不是無限暢快呢？如果網關可以連到互聯網上，甚至遠在公司，打開手機就能登錄到家裏的網關查看家裏的情況。 作爲開源愛好者，可能很多人已經做過ZigBee方面的開發，一般使用TI公司的CC2530射頻芯片較多，TI公司也針對這類芯片制定了完備的軟件協議棧zstack。CC2530受處理器速度和內存限制，無法運行TCP/IP協議，用戶往往通過串口獲得協調器匯聚的數據。想要讓協調器直接連上互聯網只能藉助其他網絡芯片，由於W5500以太網芯片在硬件上實現了TCP/IP協議，即使像CC2530這樣的8位單片機也可以自如操控W5500，實現聯網，無需藉助其他輔助處理器做數據轉換。 本文我們使用兩個CC2530模塊，組建一個小型的ZigBee網絡，一個作爲協調器建立網絡，另一個作爲終端節點不斷的採集溫溼度數據併發送給協調器。爲實現協調器的聯網，我們在協調器上外接一個W5500模塊，協調器作爲TCP客戶端連接以太網內的主機，並將終端節點發來的數據通過W5500上傳給主機。應用系統的實物如圖2所示： Zigbee2
圖2系統實物
- 準備工作
2. 安裝協議棧ZStack-CC2530-2.2.2-1.3.0
3. 安裝CC2530模塊調試下載器驅動
- 硬件連接與驅動程序重寫
W5500在硬件上實現TCP/IP協議，用戶幾乎不需要任何網絡基礎，並且WIZnet公司針對W5500也有很好的程序包的支持，只需調用socket函數，就可以完成網絡的建立和通訊，當然，要獲得以上便利，我們要先將CC2530與W5500連接起來，並能夠發送數據控制W5500。 W5500與MCU通信使用SPI接口，CC2530是帶有8051內核的無線MCU，片上有兩個SPI接口，並且與USART複用，這裏我們選擇SPI1作爲W5500的控制接口。圖2爲W5500模塊的管腳對應關係，控制這個模塊僅需J1插針上的1-7引腳（程序上使用輪詢機制，所以可以省略INT中斷管腳）。圖3爲CC2530模塊上SPI1引腳的對應關係，另外使用P13作爲W5500模塊RST（復位）的輸出控制引腳。通過排線將以上引腳對應連好後就可以編寫硬件驅動程序啦。 Zigbee3
圖3 W5500模實物與原理圖管腳對照
圖4 CC2530EB板SPI管腳對照
由於W5500的函數驅動庫是分層次書寫的，我們只需將SPI通信的硬件抽象層的函數重新編寫即可。 以下爲CC2530的SPI1的初始化配置函數和數據收發函數的程序，以及復位管腳的控制程序：
- CODE: SELECT ALL
#include “ioCC2530.h”
//SPI管腳和初始化配置
voidWIZ_SPI_Init(void)
{
PERCFG |=0×02;//打開UART1外設
P1SEL |=0xE0;// 使能P1_7, P1_6, and P1_5 外設功能
P1SEL &=~0×10;// 配置P1_4爲普通GPIO (SPI_CS)
P1DIR |=0×10;// 配置P1_4輸出引腳
// Set baud rate to max (system clock frequency / 8)
U1BAUD =0×00;// BAUD_M = 0
U1GCR |=0×11;// BAUD_E = 17
U1CSR &=~0xA0;// SPI 主機模式
// Configure phase, polarity, and bit order
U1GCR &=~0xC0;// CPOL = CPHA = 0
U1GCR |=0×20;// ORDER = 1
P1SEL &=~0×08;// 配置P1_3爲普通GPIO (RST)
P1DIR |=0×08;// 配置P1_3爲輸出引腳
}
//W5500 復位引腳的控制
void WIZ_RST(uint8 val)
{
if(val== LOW){
P1_3=0;//引腳拉低
}elseif(val== HIGH){
P1_3=1;//引腳拉高
}
}
//SPI CS管腳的電平控制
void WIZ_CS(uint8 val)
{
if(val== LOW){
P1_4=0;
}elseif(val== HIGH){
P1_4=1;
}
}
//SPI數據發送和接收
uint8 SPI2_SendByte(uint8 byte)
{
uint8 temp;
U1DBUF = byte;
while(!(U1CSR&0×02));//等待數據發送完畢
U1CSR &=0xFD;
temp = U1DBUF;//讀取數據緩衝區接收字節
return temp;
}
程序重寫完畢後，打開zstack的例程，將W55[*]00的驅動程序包添加到工程中。如圖5所示，需要注意的是，CC2530的LCD驅動的部分引腳與SPI1的幾個引腳是複用的，需要將和LCD有關的編譯項去掉，避免發生衝突，導致SPI不可用。具體方法爲在工程選項的編譯子項裏，去掉“LCD_SUPPORTED”，並添加“HAL_LCD=FALSE”。
圖5 添加W5500驅動程序包到工程
圖6 修改編譯項
- zstack應用任務程序編寫
zstack是TI公司按照Zigbee協議編寫的協議棧程序，提供了完備的應用函數供用戶調用，用戶可以在應用層添加自己的任務和事件來完成傳感器數據採集、節點通信應答等功能，有關協議棧的任務調度機制還需要讀者自行學習，這裏介紹如何在應用層維護W5500的通信。在本文的系統中，爲了降低與協議棧的耦合度（儘量不在協議棧原有文件中增刪改），開機後，當系統運行起來後，我們將W5500的初始化和配置函數放在了應用層的任務裏執行，協調器在完成組網後，應用層的任務主要有以下兩個事件，一個是W5500網絡連接的維護，另一個是終端節點的數據處理。其中第一個事件爲定時事件，每隔一段時間就要對W5500的網絡狀態進行一次輪詢處理。 在工程中，APP子欄下有sapi、SimpleCollector（協調器）、SimpleSensor（終端節點）三組文件，其中sapi中定義了節點組網和入網的應用函數，用戶不需要改寫這些程序，但是其中一些事件會調用SimpleCollector和SimpleSensor中的函數，用戶需要在這兩個文件中編寫處理函數。 先看下協調器的應用層的程序處理過程，在sapi.c文件中初始化了SAPI 任務，在這個任務中定義了ZB_ENTRY_EVENT和ZB_USER_EVENTS兩個事件，其中初始化函數SAPI_Init()中啓動了ZB_ENTRY_EVENT事件，即在任務建立後會首先進入該事件。任務事件處理函數SAPI_ProcessEvent()中在處理這兩個事件時調用zb_HandleOsalEvent()函數，交給用戶文件SimpleCollector去處理。其中ZB_ENTRY_EVENT只執行一次，用來定義設備的類型（協調器或終端節點），ZB_USER_EVENTS會執行多次，在這個事件裏我們用來維護W5500的網絡連接。 以下是任務事件處理函數有關這兩個事件的處理程序：
- CODE: SELECT ALL
UINT16 SAPI_ProcessEvent( byte task_id, UINT16 events )
{
……
if( events & ZB_ENTRY_EVENT )
{
uint8startOptions;
// 設備啓動應用程序時給出指示
zb_HandleOsalEvent( ZB_ENTRY_EVENT );
zb_ReadConfiguration( ZCD_NV_STARTUP_OPTION,sizeof(uint8),&startOptions);
if(startOptions& ZCD_STARTOPT_AUTO_START )
{
zb_StartRequest();
}
else
{
// led閃爍並等待外部輸入進行配置及重啓
HalLedBlink(HAL_LED_2,0,50,500);
}
return(events ^ ZB_ENTRY_EVENT );
}
// 這是最後一個要處理的事件
if( events &( ZB_USER_EVENTS ))
{
// 用戶事件傳遞給應用程序
zb_HandleOsalEvent( events );
// 這裏不要返回，稍後返回0
}
……
}
程序中都調用了zb_HandleOsalEvent( events )，我們看一下協調器中如何處理的：
voidzb_HandleOsalEvent( uint16 event )
{
uint8startOptions;
uint8logicalType;
if( event & ZB_ENTRY_EVENT )
{
initUart(uartRxCB);//初始化調試端口
WIZ_SPI_Init();//初始化 SPI
Reset_W5500();
printf(“W5500 Init…\r\n”);
set_default();
set_network();
logicalType= ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR;//配置節點類型
zb_WriteConfiguration(ZCD_NV_LOGICAL_TYPE,sizeof(uint8),&logicalType);
startOptions= ZCD_STARTOPT_AUTO_START;// 配置啓動類型
zb_WriteConfiguration( ZCD_NV_STARTUP_OPTION,sizeof(uint8),&startOptions);
printf(“Waiting the Network…\r\n”);
}
if( event & ZB_USER_EVENTS )
{
do_tcpclient(SOCKET_TCPC); //tcp 客戶端保持
osal_start_timerEx(sapi_TaskID, ZB_USER_EVENTS, ENTHER_TIMEOUT );
}
}
鑑於開機後ZB_ENTRY_EVENT只會執行一次，所以我們將應用的初始化函數放在這裏執行，並且配置好網絡啓動的相關參數並寫入到配置信息裏，跳出這個函數後，程序就會啓動自動組網的程序，完成組網。在ZB_USER_EVENTS中，我們啓動TCP客戶端程序，用來維護設備與服務器的連接，使得設備在插上網線後能夠及時連上服務器。這樣當協調器收到其他終端節點的數據，處理後就可以調用socket發送函數發送給主機，我們的協調器就變成了一個zigbee轉以太網的網關了。 有了網關節點，我們還需要終端節點提供溫溼度數據。我們將DHT11溫溼度傳感器連接到終端節點上，並在終端節點的應用層添加採集函數，定時採集溫溼度數據。 終端節點的應用處理程序在SimpleSensor.c中定義，下面來介紹下終端節點是如何處理相關的任務的：
- CODE: SELECT ALL
void zb_HandleOsalEvent( uint16 event )
{
uint8startOptions;
uint8logicalType;
if( event & ZB_ENTRY_EVENT)
{
logicalType= ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE;//配置成終端節點
zb_WriteConfiguration(ZCD_NV_LOGICAL_TYPE,sizeof(uint8),&logicalType);
startOptions= ZCD_STARTOPT_AUTO_START;// 配置成自啓動
zb_WriteConfiguration( ZCD_NV_STARTUP_OPTION,sizeof(uint8),&startOptions);
}
if( event & MY_START_EVT )
{
//nothing to do
}
if( event & MY_REPORT_TEMP_EVT )
{
ReadValue();//收集DHT11 數據
zb_SendDataRequest(0xFFFE, SENSOR_REPORT_CMD_ID,4,SensorValueBuf,0, AF_ACK_REQUEST,0);//給網關節點發送數據
osal_start_timerEx(sapi_TaskID, MY_REPORT_TEMP_EVT,myTempReportPeriod);// Timed loop collection
}
if( event & MY_FIND_COLLECTOR_EVT )
{
// 查找並綁定到收集器設備
zb_BindDevice( TRUE, SENSOR_REPORT_CMD_ID,(uint8 *)NULL);//找到協調器，啓動入網
}
}
一張表一目瞭然網關節點和終端節點的流程比較：
瞭解了程序執行流程後，我們就可以操作設備了。 我們首先選擇SimpleCollectorEB，編譯後通過調試器將程序下載到網關節點中，然後選擇SimpleSensorEB，編譯後下載到終端節點中。我們在電腦端打開TCP/IP調試助手和串口調試助手，分別用來接收數據和觀察網關節點運行的調試信息。
圖7 串口及網絡調試助手界面
網關節點上電後，串口端會打印設備的IP地址等信息，接下來LED1閃爍，表示網關節點正在組網，當Led1長亮後，網絡建立完畢，這時程序的網絡維護事件觸發，開始連接服務器，通過網絡調試助手可以看到，有客戶端連接，正是我們的網關節點。
網關節點準備完畢，接下來打開終端節點，開機後Led1閃爍，啓動網絡，入網後Led1頻閃，表示正在數據採集和發送，這時可以看到網絡調試助手上有溫溼度數據顯示，表示終端節點已經將數據發送給網關節點，網關節點解析後再通過W5500發送給了PC。至此，CC2530+W5500實現了ZigBee轉以太網網關，數據成功遞達網關節點。
以上是以太網網關的實現過程。實際應用中，我們可以看到衆多的物聯網設備，都可以藉助此網關節點，來連入Internet，比如，連接Yeelink這樣的雲平臺，上傳傳感器數據，可輕鬆實現！在這裏就不給大家列舉了，關於Zigbee轉以太網網關的應用，同樣是個重要且龐大的課題，我們會接下來展開與大家繼續分享的。
- 尾聲
目前，在設備的無線通信領域， Zigbee技術相比藍牙及WiFi，有着成本低、功耗低和低複雜度的特點，同時非常適合電池供電的設備。大量的Zigbee設備會產成龐大的數據量，這些數據不可能全部交付給協調器處理分析，但將協調器接入互聯網就完美的解決了此問題，配合W5500，協調器變成了Zigbee和以太網網關，從而使無線Zigbee網絡輕鬆接入互聯網，實現物聯網應用！
程序下載：http://wizwiki.net/forum/viewtopic.php?f=91&t=1075
By Allen,Katrina,Jerry
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