ZigBee技术及应用（2007年北京航空航天大学出版社出版图书）

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简介

围绕ZigBee技术的理论和应用作较全面的介绍。在简要介绍无线组网通信技术的基础上，第2章详细介绍了ZigBee协议栈的基础――IEEE 802.15.4无线个域网协议；第3章对ZigBee协议规范1.0版本进行了阐述。从第4章开始，分别介绍基于单片RF收发器和SoC方式的一些典型ZigBee技术实现平台，主要产品有Freescale公司的MC13192/MC13193，Chipcon公司（已被TI公司收购）的CC2420、CC2430和Ember公司的EM250，对其芯片的特性、功能和应用等进行了描述。第8章介绍MC13192的一个应用实例；第9章是CC2420 ZigBee DK开发套件的介绍。

前言

然而，无线通信应用是多领域、广范围的，在很多应用场合，如工业控制、无线监测、无线传感器网络、家居无线监控等，并不需要太高的通信速率，而是在成本、功耗、体积、可靠性等方面有着更苛刻的要求。随着泛在网络设想和普适计算理念的提出，无所不在的无线通信需求变得越来越迫切，低速、近距离的无线通信技术和产品同样有着广阔的市场前景。近年来，很多公司和组织投入到这一领域，新的技术和产品层出不穷。正是在这样一个无线通信技术快速发展的时代，ZigBee技术应运而生。

2000年12月，IEEE成立了802.15.4工作组，负责低速无线个域网（LRWPAN）的物理层和MAC层协议的研究和制定；2003年，工作组正式发布了低功耗、低速率的无线网络通信协议IEEE802.15.4。2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国Motorola公司和荷兰Philips公司共同发起成立了ZigBee联盟，致力于以IEEE802.15.4MAC和物理层协议为基础，进行ZigBee技术的网络层和高层应用规范的制定、设备测试和市场推广工作，实现各家产品的相互兼容，以期与其他类似无线通信产品相抗衡并迅速拓展在这一领域的市场。

ZigBee联盟的成立，为ZigBee的发展奠定了坚实的基础，创造了良好的条件。这种以标准化的开放技术架构为基础的产品，正迎合了市场的需要，符合当今全球技术发展的潮流。如今，ZigBee联盟已经吸引了全世界上百家芯片制造商、无线设备商和开发商的加盟；符合ZigBee规范的新产品在不断推出，这一领域正迸发出勃勃生机。

什么是ZigBee？有人会说，ZigBee就是一种近程的无线个域网技术；也有人说，它是无线传感器网络技术。我们认为，这些说法已是片面之词。虽说无线传感器网络是ZigBee技术一个潜在的、巨大的应用方向，ZigBee技术的基础也架构在IEEE802.15.4无线个域网协议之上；但由于市场的推动和技术的拓展，ZigBee的应用范围远不止于此。无线Mesh技术与ZigBee技术的结合，构造了结构灵活、易于扩展的自组织网络拓扑，使得ZigBee的应用完全打破了个域网的应用范畴，延伸到了更广阔的应用空间。

出于对ZigBee技术的共同兴趣，我们合作编写了此书。瞿雷负责第1章和第7～9章的编写工作；胡咸斌负责第2章和第3章的编写工作；刘盛德负责第4～6章的编写工作。全书由瞿雷和刘盛德策划，最后由瞿雷统稿。本书相关章节以主要参考资料和芯片生产厂家的数据手册为基础，进行了全面的融会贯通和重新构思，也从中汲取了许多有益的内容。另外，孙玉才和益晓新教授、潘焱副教授也对此书的编写提出了许多有益的见解。在此对所有帮助过我们的人表示衷心的感谢。

由于水平有限，加之时间仓促，书中难免有疏漏和错误之处，敬请读者不吝赐教。如果本书能够缩短读者对ZigBee技术的了解和入门的时间，能够对研发ZigBee设备的读者提供一些参考，能够对推动我国ZigBee技术的发展有一点点帮助，都将是对我们最大的肯定和鼓励。

目录

第1章ZigBee技术概述

1.1引言1

1.2无线组网通信2

1.3几种近距离无线通信技术3

1.4ZigBee是什么5

1.5ZigBee能干什么6

1.6ZigBee的主要特性7

1.7ZigBee产品示例9

1.8ZigBee基础10

1.8.1低速无线个域网LRWPAN的特点10

1.8.2ZigBee中的设备11

1.8.3ZigBee网络拓扑11

1.8.4ZigBee协议架构13

1.8.5服务原语14

第2章IEEE802.15.4标准

2.1物理层规范15

2.1.1物理层概述15

2.1.2物理层服务规范15

2.1.3物理层数据格式19

2.1.4物理层的常量和属性19

2.1.52.4GHz频段的物理层技术20

2.1.6868/915MHz频段的物理层技术21

2.1.7通用射频规范22

2.2MAC层规范22

2.2.1MAC层服务规范23

2.2.2MAC层帧格式46

2.2.3MAC层命令帧52

2.2.5MAC层功能描述56

2.2.6MAC层安全规范78

2.3.7MACPHY信息交互流程87

第3章ZigBee规范

3.1应用层规范95

3.1.1应用层规范概述95

3.1.2ZigBee应用支持子层（APS）99

3.1.3ZigBee应用框架111

3.1.4ZigBee设备配置文件121

3.1.5ZigBee设备对象（ZDO）142

3.2网络层规范151

3.2.1网络层规范概述151

3.2.2网络层服务规范152

3.2.3网络层帧格式166

3.2.4网络层命令帧167

3.2.5网络层功能详述169

3.3安全服务规范197

3.3.1安全服务规范概述197

3.3.2MAC层安全服务201

3.3.3NWK层安全服务203

3.3.4APS层安全服务205

3.3.5安全处理公共基础215

3.3.6安全服务功能详述216

第4章MC13192/MC13193RF收发器

4.1概述227

4.1.1主要特性227

4.1.2软件支持228

4.1.3模块框图及引脚配置228

4.1.4数据传送模式和包结构231

4.1.5接收和发送路径231

4.2系统层MOMEM操作系统232

4.2.1电源连接232

4.2.2测试引脚SM与复位使用方法233

4.2.3与MCU之间的接口233

4.2.5GPIO特性235

4.2.6MC13192/MC13193数字信号特性汇总236

4.2.7收发器RF接口操作和外部连接236

4.2.8低功耗问题237

4.3SPI寄存器242

4.3.1概述242

4.3.2强制寄存器初始化242

4.3.3寄存器模型242

4.3.4寄存器详细介绍245

4.4行外部设备接口(SPI)269

4.4.1概述269

4.4.2SPI基本操作270

4.4.3SPI单个处理272

4.4.4符号/数据格式273

4.4.5SPI递归处理273

4.4.6程序复位(写寄存器地址0x00)277

4.5操作模式277

4.5.1概述277

4.5.2低功耗模式279

4.5.3主动模式281

4.5.4运行频率291

4.5.5发送功率调整291

4.5.62.4GHz锁相环(PLL)解锁中断292

4.6计数器信息292

4.6.1事件计数器模块292

4.6.2事件计数器时基293

4.6.3设置当前计数值294

4.6.4读当前计数值294

4.6.5锁存时间标记294

4.6.6事件计数器比较器295

4.6.7预期的事件计数器用法296

4.7中断298

4.7.1中断源与输出引脚IRQ298

4.7.2状态位pll_lock_irq及其操作300

4.7.3状态位attn_irq及其中断操作301

4.7.4退出低功耗模式的中断301

4.8各种功能301

4.8.1复位功能301

4.8.2通用I/O302

4.8.3晶体振荡器303

4.8.4时钟输出引脚CLKO305

4.8.5输入引脚ATTN305

4.9应用306

4.9.1晶体振荡器基准频率306

4.9.2典型电路306

4.9.3晶振规格308

4.10电气特性309

4.10.1极限参数309

4.10.2推荐条件309

4.10.3直流电气特性310

4.10.4交流电气特性310

第5章CC2420RF收发器

5.1概述312

5.2主要特性312

5.3引脚配置313

5.4电路描述316

5.5IEEE802.15.4调制方式317

5.6配置简述319

5.7评估软件319

5.84线串行配置和数据接口319

5.8.1引脚配置319

5.8.2寄存器存取319

5.8.3状态字节321

5.8.4选通命令321

5.8.5RAM存取321

5.8.6FIFO存取323

5.8.7SPI的多个存取323

5.9微控制器接口和引脚描述324

5.9.1配置接口324

5.9.2接收模式324

5.9.3RXFIFO溢出326

5.9.4发送模式326

5.9.5总控和引脚状态327

5.10解调器、符号同步和数据判定327

5.11帧格式328

5.11.1同步头328

5.11.2帧长度域329

5.11.3MAC协议数据单元329

5.11.4帧校验序列330

5.12RF数据缓冲330

5.13地址识别332

5.14应答帧333

5.15无线通信控制状态机334

5.16MAC安全操作334

5.16.1密钥334

5.16.2当前时间/计数器336

5.16.3单独加密336

5.16.4内嵌式安全操作336

5.16.5CTR337

5.16.6CBCMAC337

5.16.7CCM338

5.16.8时序338

5.17线性中频和自动增益控制338

5.18RSSI/能量检测338

5.19链路质量指示339

5.20空闲信道评估339

5.21频率和信道编程设置340

5.22电压控制振荡器和锁相环自校准340

5.23输出功率编程设置341

5.24晶体振荡器341

5.25输入/输出匹配342

5.26发送测试模式342

5.26.1未调制的载波342

5.26.2已调制的频谱342

5.27系统考虑和指导方针344

5.28印刷电路板设计建议346

5.29天线的考虑346

5.30配置寄存器347

5.31测试输出信号363

5.32应用电路366

5.33极限参数369

5.34运行条件369

5.35电气规范370

第6章CC2430片上系统

6.1概述374

6.2主要特性375

6.3引脚和I/O口配置375

6.48051CPU378

6.4.1简介378

6.4.2复位378

6.4.3存储器378

6.4.4特殊功能寄存器383

6.4.5CPU寄存器和指令集387

6.4.6中断387

6.4.7振荡器和时钟391

6.5外部设备391

6.5.1I/O口391

6.5.2DMA控制器399

6.5.3MAC计数器407

6.5.4AES(高级加密标准)协处理器412

6.5.5USART416

6.6无线模块423

6.6.1IEEE802.15.4调制方式424

6.6.2选通命令425

6.6.3RF寄存器425

6.6.4中断426

6.6.5FIFO存取427

6.6.6DMA428

6.6.7接收模式428

6.6.8FIFO溢出429

6.6.9发送模式429

6.6.10总控和状态430

6.6.11解调器、符号同步器和数据判定430

6.6.12帧格式430

6.6.13同步头431

6.6.14帧长度域432

6.6.15MAC协议数据单元432

6.6.16帧校验序列432

6.6.17RF数据缓冲器433

6.6.18地址识别434

6.6.19应答帧434

6.6.20无线控制状态机435

6.6.21MAC安全操作437

6.6.22线性中频和自动增益控制设置437

6.6.23接收信号强度指示器/能量检测437

6.6.24链路质量指示437

6.6.25空闲信道评估438

6.6.26频率和信道编程设置438

6.6.27电压控制振荡器和锁相环自校准439

6.6.28输出功率编程设置439

6.6.29输入/输出匹配439

6.6.30发送测试模式440

6.6.31印刷电路板设计建议441

6.6.32天线的考虑442

6.6.33CSMACA/选通处理器442

6.6.34无线寄存器450

6.6.35无线测试输出信号463

6.7系统考虑和指导方针464

6.8应用电路464

6.9极限参数466

6.10运行条件466

6.11电气规范467

6.11.1特性概述468

6.11.2RF接收469

6.11.3RF发送470

6.11.432MHz晶体振荡器470

6.11.532.768kHz晶体振荡器470

6.11.6低能耗RC振荡器471

6.11.7高速RC振荡器471

6.11.8频率合成器471

6.11.9模拟温度传感器472

6.11.108～14位ADC472

6.11.11控制输入交流特性473

6.11.12SPI交流特性473

6.11.13调试接口交流特性474

6.11.14口输出交流特性474

6.11.15计数器输入交流特性475

6.11.16直流特性475

第7章EM250片上系统

7.1概述476

7.2主要特性477

7.3引脚配置与说明478

7.4顶层功能482

7.5系统模式功能483

7.5.1接收(RX)信道483

7.5.2发送(TX)信道484

7.5.3集成的MAC模块484

7.5.4包跟踪接口485

7.5.5微控制器XAP2b485

7.5.6嵌入的存储器485

7.5.7加密加速器487

7.5.8复位检测487

7.5.9上电复位487

7.5.10时钟源488

7.5.11随机数发生器489

7.5.12看门狗计时器489

7.5.13睡眠计时器490

7.5.14电源管理490

7.6应用模式功能描述490

7.6.1GPIO491

7.6.2串行控制器SC1500

7.6.3串行控制器SC2519

7.6.4通用计数器535

7.6.5ADC模块550

7.6.6事件管理器552

7.6.7集成稳压器555

7.7SIF模块编程设置和调试接口556

7.8典型应用556

7.9寄存器地址表557

7.10电气特性561

7.10.1极限参数561

7.10.2工作条件561

7.10.3环境特性561

7.10.4直流特性562

7.10.5交流特性563

第8章ZigBee光感应节点开发实例

8.1引言565

8.2光传感节点的功能566

8.3tinyos操作系统和nesC语言570

8.4光传感节点的实现571

8.4.1评估板硬件简介571

8.4.2ZigBee协议栈总体结构571

8.4.3协议层的实现573

8.4.4LSM应用实现573

第9章CC2420开发套件2.4GHzZigBeeDevelopmentKit

9.1简述575

9.2开发套件组成575

9.3开发套件的主要特性与接口578

9.4使用CC2400EB和CC2320EM的ZigBee包探测软件582

9.5使用带有ZStack的CC2420DB演示板584

9.6CC2420DBZigBee应用开发环境586

9.7JTAGICE587

9.8在系统编程588

9.9故障排查589

附录缩略语590

参考文献595