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基于CC2530的ZigBee转以太网网关的设计与实现

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2015-1-15 10:40:26 16013 CC2530 W5500 物联网 CC2530

0 ` 本帖最后由 Katrina_WIZnet 于 2015-1-15 11:15 编辑物联网技术的实现中，无线技术是不可缺少的部分。近年无线技术的发展，将ZigBee推入人们的视线中，那么ZigBee是怎样的一种技术呢？带着疑问，我查询了它的来历： ZigBee，来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，可以想象蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络！是不是有点意思，那么随之 ZigBee的出现就成了一种我们熟知的无线组网通讯技术并广为应用。本篇就带你认识ZigBee，并实现一种常见应用：ZigBee转以太网网关。将ZigBee技术连接互联网图1 智能家居中ZigBee应用示意图 ZigBee是一种低成本，低功耗的近距离无线组网通讯技术，在智能家居、智能楼宇、工业监控等领域均有广泛应用。基于ZigBee的智能家居应用，如图1所示，用户在家庭中安装一个主控中心（ZigBee网关），及若干个与家电设备相连的分控终端，来远程操控所有家用电器，设想下躺在沙发上控制厨房的电饭煲煮饭是不是无限畅快呢？如果网关可以连到互联网上，甚至远在公司，打开手机就能登录到家里的网关查看家里的情况。作为开源爱好者，可能很多人已经做过ZigBee方面的开发，一般使用ti公司的CC2530射频芯片较多，TI公司也针对这类芯片制定了完备的软件协议栈zstack。CC2530受处理器速度和内存限制，无法运行TCP/IP协议，用户往往通过串口获得协调器汇聚的数据。想要让协调器直接连上互联网只能借助其他网络芯片，由于W5500以太网芯片在硬件上实现了TCP/IP协议，即使像CC2530这样的8位单片机也可以自如操控W5500，实现联网，无需借助其他辅助处理器做数据转换。本文我们使用两个CC2530模块，组建一个小型的ZigBee网络，一个作为协调器建立网络，另一个作为终端节点不断的采集温湿度数据并发送给协调器。为实现协调器的联网，我们在协调器上外接一个W5500模块，协调器作为TCP客户端连接以太网内的主机，并将终端节点发来的数据通过W5500上传给主机。应用系统的实物如图2所示： Zigbee2 图2系统实物准备工作 1. 安装编译环境IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A 2. 安装协议栈ZStack-CC2530-2.2.2-1.3.0 3. 安装CC2530模块调试下载器驱动硬件连接与驱动程序重写 W5500在硬件上实现TCP/IP协议，用户几乎不需要任何网络基础，并且WIZnet公司针对W5500也有很好的程序包的支持，只需调用socket函数，就可以完成网络的建立和通讯，当然，要获得以上便利，我们要先将CC2530与W5500连接起来，并能够发送数据控制W5500。 W5500与MCU通信使用SPI接口，CC2530是带有8051内核的无线MCU，片上有两个SPI接口，并且与USART复用，这里我们选择SPI1作为W5500的控制接口。图2为W5500模块的管脚对应关系，控制这个模块仅需J1插针上的1-7引脚（程序上使用轮询机制，所以可以省略INT中断管脚）。图3为CC2530模块上SPI1引脚的对应关系，另外使用P13作为W5500模块RST（复位）的输出控制引脚。通过排线将以上引脚对应连好后就可以编写硬件驱动程序啦。 Zigbee3 图3 W5500模实物与原理图管脚对照图4 CC2530EB板SPI管脚对照由于W5500的函数驱动库是分层次书写的，我们只需将SPI通信的硬件抽象层的函数重新编写即可。以下为CC2530的SPI1的初始化配置函数和数据收发函数的程序，以及复位管脚的控制程序： #include “ioCC2530.h” //SPI管脚和初始化配置 voidWIZ_SPI_Init(void) { PERCFG \|=0×02;//打开UART1外设 P1SEL \|=0xE0;// 使能P1_7, P1_6, and P1_5 外设功能 P1SEL &=~0×10;// 配置P1_4为普通GPIO (SPI_CS) P1DIR \|=0×10;// 配置P1_4输出引脚 // Set baud rate to max (system clock frequency / 8) U1BAUD =0×00;// BAUD_M = 0 U1GCR \|=0×11;// BAUD_E = 17 U1CSR &=~0xA0;// SPI 主机模式 // Configure phase, polarity, and bit order U1GCR &=~0xC0;// CPOL = CPHA = 0 U1GCR \|=0×20;// ORDER = 1 P1SEL &=~0×08;// 配置P1_3为普通GPIO (RST) P1DIR \|=0×08;// 配置P1_3为输出引脚 } //W5500 复位引脚的控制 void WIZ_RST(uint8 val) { if(val== LOW){ P1_3=0;//引脚拉低 }elseif(val== HIGH){ P1_3=1;//引脚拉高 } } //SPI CS管脚的电平控制 void WIZ_CS(uint8 val) { if(val== LOW){ P1_4=0; }elseif(val== HIGH){ P1_4=1; } } //SPI数据发送和接收 uint8 SPI2_SendByte(uint8 byte) { uint8 temp; U1DBUF = byte; while(!(U1CSR&0×02));//等待数据发送完毕 U1CSR &=0xFD; temp = U1DBUF;//读取数据缓冲区接收字节 return temp; } 复制代码程序重写完毕后，打开zstack的例程，将W5500的驱动程序包添加到工程中。如图5所示，需要注意的是，CC2530的LCD驱动的部分引脚与SPI1的几个引脚是复用的，需要将和LCD有关的编译项去掉，避免发生冲突，导致SPI不可用。具体方法为在工程选项的编译子项里，去掉“LCD_SUPPORTED”，并添加“HAL_LCD=FALSE”。图5 添加W5500驱动程序包到工程图6 修改编译项 zstack应用任务程序编写 zstack是TI公司按照Zigbee协议编写的协议栈程序，提供了完备的应用函数供用户调用，用户可以在应用层添加自己的任务和事件来完成传感器数据采集、节点通信应答等功能，有关协议栈的任务调度机制还需要读者自行学习，这里介绍如何在应用层维护W5500的通信。在本文的系统中，为了降低与协议栈的耦合度（尽量不在协议栈原有文件中增删改），开机后，当系统运行起来后，我们将W5500的初始化和配置函数放在了应用层的任务里执行，协调器在完成组网后，应用层的任务主要有以下两个事件，一个是W5500网络连接的维护，另一个是终端节点的数据处理。其中第一个事件为定时事件，每隔一段时间就要对W5500的网络状态进行一次轮询处理。在工程中，APP子栏下有sapi、SimpleCollector（协调器）、SimpleSensor（终端节点）三组文件，其中sapi中定义了节点组网和入网的应用函数，用户不需要改写这些程序，但是其中一些事件会调用SimpleCollector和SimpleSensor中的函数，用户需要在这两个文件中编写处理函数。先看下协调器的应用层的程序处理过程，在sapi.c文件中初始化了SAPI 任务，在这个任务中定义了ZB_ENTRY_EVENT和ZB_USER_EVENTS两个事件，其中初始化函数SAPI_Init()中启动了ZB_ENTRY_EVENT事件，即在任务建立后会首先进入该事件。任务事件处理函数SAPI_ProcessEvent()中在处理这两个事件时调用zb_HandleOsalEvent()函数，交给用户文件SimpleCollector去处理。其中ZB_ENTRY_EVENT只执行一次，用来定义设备的类型（协调器或终端节点），ZB_USER_EVENTS会执行多次，在这个事件里我们用来维护W5500的网络连接。以下是任务事件处理函数有关这两个事件的处理程序： UINT16 SAPI_ProcessEvent( byte task_id, UINT16 events ) { …… if( events & ZB_ENTRY_EVENT ) { uint8startOptions; // 设备启动应用程序时给出指示 zb_HandleOsalEvent( ZB_ENTRY_EVENT ); zb_ReadConfiguration( ZCD_NV_STARTUP_OPTION,sizeof(uint8),&startOptions); if(startOptions& ZCD_STARTOPT_AUTO_START ) { zb_StartRequest(); } else { // led闪烁并等待外部输入进行配置及重启 HalLedBlink(HAL_LED_2,0,50,500); } return(events ^ ZB_ENTRY_EVENT ); } // 这是最后一个要处理的事件 if( events &( ZB_USER_EVENTS )) { // 用户事件传递给应用程序 zb_HandleOsalEvent( events ); // 这里不要返回，稍后返回0 } …… } 程序中都调用了zb_HandleOsalEvent( events )，我们看一下协调器中如何处理的： voidzb_HandleOsalEvent( uint16 event ) { uint8startOptions; uint8logicalType; if( event & ZB_ENTRY_EVENT ) { initUart(uartRxCB);//初始化调试端口 WIZ_SPI_Init();//初始化 SPI Reset_W5500(); printf(“W5500 Init… ”); set_default(); set_network(); logicalType= ZG_DEVICETYPE_COORDINATOR;//配置节点类型 zb_WriteConfiguration(ZCD_NV_LOGICAL_TYPE,sizeof(uint8),&logicalType); startOptions= ZCD_STARTOPT_AUTO_START;// 配置启动类型 zb_WriteConfiguration( ZCD_NV_STARTUP_OPTION,sizeof(uint8),&startOptions); printf(“Waiting the Network… ”); } if( event & ZB_USER_EVENTS ) { do_tcpclient(SOCKET_TCPC); //tcp 客户端保持 osal_start_timerEx(sapi_TaskID, ZB_USER_EVENTS, ENTHER_TIMEOUT ); } } 复制代码鉴于开机后ZB_ENTRY_EVENT只会执行一次，所以我们将应用的初始化函数放在这里执行，并且配置好网络启动的相关参数并写入到配置信息里，跳出这个函数后，程序就会启动自动组网的程序，完成组网。在ZB_USER_EVENTS中，我们启动TCP客户端程序，用来维护设备与服务器的连接，使得设备在插上网线后能够及时连上服务器。这样当协调器收到其他终端节点的数据，处理后就可以调用socket发送函数发送给主机，我们的协调器就变成了一个zigbee转以太网的网关了。有了网关节点，我们还需要终端节点提供温湿度数据。我们将DHT11温湿度传感器连接到终端节点上，并在终端节点的应用层添加采集函数，定时采集温湿度数据。终端节点的应用处理程序在SimpleSensor.c中定义，下面来介绍下终端节点是如何处理相关的任务的： void zb_HandleOsalEvent( uint16 event ) { uint8startOptions; uint8logicalType; if( event & ZB_ENTRY_EVENT) { logicalType= ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE;//配置成终端节点 zb_WriteConfiguration(ZCD_NV_LOGICAL_TYPE,sizeof(uint8),&logicalType); startOptions= ZCD_STARTOPT_AUTO_START;// 配置成自启动 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 数据 zb_SendDataRequest(0xFFFE, SENSOR_REPORT_CMD_ID,4,SensorValueBuf,0, AF_ACK_REQUEST,0);//给网关节点发送数据 osal_start_timerEx(sapi_TaskID, MY_REPORT_TEMP_EVT,myTempReportPeriod);// Timed loop collection } if( event & MY_FIND_COLLECTOR_EVT ) { // 查找并绑定到收集器设备 zb_BindDevice( TRUE, SENSOR_REPORT_CMD_ID,(uint8 )NULL);//找到协调器，启动入网 } } 复制代码* 一张表一目了然网关节点和终端节点的流程比较：了解了程序执行流程后，我们就可以操作设备了。我们首先选择SimpleCollectorEB，编译后通过调试器将程序下载到网关节点中，然后选择SimpleSensorEB，编译后下载到终端节点中。我们在电脑端打开TCP/IP调试助手和串口调试助手，分别用来接收数据和观察网关节点运行的调试信息。图7 串口及网络调试助手界面网关节点上电后，串口端会打印设备的IP地址等信息，接下来LED1闪烁，表示网关节点正在组网，当Led1长亮后，网络建立完毕，这时程序的网络维护事件触发，开始连接服务器，通过网络调试助手可以看到，有客户端连接，正是我们的网关节点。网关节点准备完毕，接下来打开终端节点，开机后Led1闪烁，启动网络，入网后Led1频闪，表示正在数据采集和发送，这时可以看到网络调试助手上有温湿度数据显示，表示终端节点已经将数据发送给网关节点，网关节点解析后再通过W5500发送给了PC。至此，CC2530+W5500实现了ZigBee转以太网网关，数据成功递达网关节点。以上是以太网网关的实现过程。实际应用中，我们可以看到众多的物联网设备，都可以借助此网关节点，来连入Internet，比如，连接Yeelink这样的云平台，上传传感器数据，可轻松实现！在这里就不给大家列举了，关于Zigbee转以太网网关的应用，同样是个重要且庞大的课题，我们会接下来展开与大家继续分享的。尾声目前，在设备的无线通信领域， Zigbee技术相比蓝牙及WiFi，有着成本低、功耗低和低复杂度的特点，同时非常适合电池供电的设备。大量的Zigbee设备会产成庞大的数据量，这些数据不可能全部交付给协调器处理分析，但将协调器接入互联网就完美的解决了此问题，配合W5500，协调器变成了Zigbee和以太网网关，从而使无线Zigbee网络轻松接入互联网，实现物联网应用！ By Allen,Katrina,Jerry 开源程序下载 Zigbee Gateway.rar (6.85 MB, 下载次数: 207 ) 见附件。 ` 5
2015-1-15 10:40:26　　评论淘帖0 举报相关推荐 • 基于CC2530的ZigBee转以太网做网关 7554 • 基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计 3 • 基于CC2530芯片_zigbee基础实验 49 • 基于CC2530的Zigbee网络节点设计 102 • 基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计 753 • 基于CC2530(ZigBee)设计的自动照明系统 4142 • 基于CC2530的ZigBee协调器节点设计 48892 • cc2530的PWM实现 4014 • zigbee（cc2530） 6414 • 如何去设计一种ZigBee工业以太网网关？ 1028 14 个讨论

0 有测试板演示吗?

2015-1-25 18:33:22 评论举报 1^# jameswangsynnex

0 我可以这可理解么，你这个ZigBee就相当一个网关，在pc机和想应用的设备之间起个桥梁作用，不过我有个问题，现在有人在zigbee后价格stm32 ，用他俩来做我上面说的网关，既然ZigBee就够了，为什么还加换个stm32 ，求指教

2016-3-9 09:29:23 评论举报 2^# kang240442385

0 必须顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶顶

2016-3-9 22:47:52 评论举报 3^# 执着~~~

0 基于CC2530的ZigBee转以太网网关的设计与实现

2016-4-1 11:04:51 评论举报 4^# liuyanqi

0 能否提供一下CC2530底板电路图，我要做一个温湿度毕设，学长给了板子没有电路图，不知道引脚怎么连。谢谢大神。414533617@qq.com

2016-5-11 13:14:28 评论举报 5^# 一生天涯

0 您好，请问我选择SimpleSensorEB编译的时候，出错了，能否指教一下？

2016-8-18 11:43:43 评论举报 6^# 林卫博

0 希望有帮助

2017-3-27 16:39:49 评论举报 7^# 姜小牙

0 你好，能不能给我发一份完整电路原理，在做温湿度毕设，需要电路图这份资料，736737687@qq.com，谢谢

2017-5-4 10:35:39 评论举报 8^# 太年少轻狂不懂胜者为王

0 提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽

2017-5-22 16:50:57 评论举报 9^# 头像被屏蔽

0 WIZnet W5500代理商深圳炜世科技与WIZnet，2017年9月23日在深圳携手举办“物联网通信协议详解与实践”免费培训课,第一期主题TCP/IP协议基础和TCP、UDP的实现。 WIZnet资深工程师陈海峰博士亲自授课，机会难得，报名方式【姓名+公司名称+手机号+QQ】发送到邮箱support@wisioe.com，邮件收到后将会电话或者邮件形式通知

2017-9-12 16:48:33 评论举报 10^# wiliam

0 囍特勒发表于 2016-3-9 17:27 您好，您的代码烧录进去没反应，而且有一处错误，您能稍微指点一下吗？？？？现在解决了吗，能不能指点下

2018-4-27 18:20:30 评论举报 11^# renxiaoxiaoxian

0 提示: 作者被禁止或删除内容自动屏蔽

2018-5-8 20:48:57 评论举报 12^# 头像被屏蔽

0 给楼主点赞，开源会让更多的人学习

2018-10-12 20:45:19 评论举报 13^# 艳儿0107

0 给楼主点赞，我自己原来也做了一个网关，中间增加了STM32作为中转。楼主这个简介明了。还节约物料成本

2018-10-12 20:46:26 评论举报 14^# 艳儿0107

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