基于CC2530的ZigBee转以太网网关的设计与实现

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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

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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以太网芯片,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

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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

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图3 W5500模实物与原理图管脚对照

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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:

CODE: SELECT ALL
#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;

}

程序重写完毕后,打开zstack的例程,将W55[*]00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”。

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图5 添加W5500驱动程序包到工程

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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:

CODE: SELECT ALL
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…\r\n”);

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…\r\n”);

}

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 );

}

}

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:

CODE: SELECT ALL
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

}

}

一张表一目了然网关节点和终端节点的流程比较:

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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。

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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!

程序下载:http://wizwiki.net/forum/viewtopic.php?f=91&t=1075

By Allen,Katrina,Jerry
*已刊登至:《无线电》8月刊