基于CC2530的ZigBee转以太网网关的设计与实现

Posted 2020-09-23 gavanwanggw

*已刊登至：《无线电》8月刊

物联网技术的实现中，无线技术是必不可少的部分。

近年无线技术的发展，将ZigBee推入人们的视线中。那么ZigBee是如何的一种技术呢？带着疑问。我查询了它的来历：

ZigBee，来源于蜜蜂的八字舞，因为蜜蜂（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。能够想象蜜蜂依靠这种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所看到的。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，来远程操控全部家用电器。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？假设网关能够连到互联网上。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，可能非常多人已经做过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，无法执行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仅仅能借助其它网络芯片，因为W5500以太网芯片在硬件上实现了TCP/IP协议，即使像CC2530这种8位单片机也能够自如操控W5500。实现联网，无需借助其它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。还有一个作为终端节点不断的採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TCPclient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所看到的： 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。用户差点儿不须要不论什么网络基础。而且WIZnet公司针对W5500也有非常好的程序包的支持。仅仅需调用socket函数。就行完毕网络的建立和通讯，当然，要获得以上便利，我们要先将CC2530与W5500连接起来，并可以发送数据控制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，而且与USART复用。这里我们选择SPI1作为W5500的控制接口。

图2为W5500模块的管脚相应关系，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，所以能够省略INT中断管脚）。图3为CC2530模块上SPI1引脚的相应关系。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相应连好后就能够编写硬件驱动程序啦。 Zigbee3


图3 W5500模实物与原理图管脚对比



图4 CC2530EB板SPI管脚对比


因为W5500的函数驱动库是分层次书写的，我们仅仅需将SPI通信的硬件抽象层的函数又一次编写就可以。

下面为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));//等待数据发送完成

  U1CSR &=0xFD;

  temp = U1DBUF;//读取数据缓冲区接收字节

return temp;

}

程序重写完成后。打开zstack的例程。将W55[*]00的驱动程序包加入到project中。如图5所看到的，须要注意的是。CC2530的LCD驱动的部分引脚与SPI1的几个引脚是复用的，须要将和LCD有关的编译项去掉。避免发生冲突。导致SPI不可用。详细方法为在project选项的编译子项里，去掉“LCD_SUPPORTED”，并加入“HAL_LCD=FALSE”。

图5 加入W5500驱动程序包到project



图6 改动编译项

• zstack应用任务程序编写

zstack是TI公司依照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。用户能够在应用层加入自己的任务和事件来完毕传感器数据採集、节点通信应答等功能，有关协议栈的任务调度机制还须要读者自行学习，这里介绍怎样在应用层维护W5500的通信。在本文的系统中，为了减少与协议栈的耦合度（尽量不在协议栈原有文件里增删改）。开机后，当系统执行起来后。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，协调器在完毕组网后，应用层的任务主要有下面两个事件，一个是W5500网络连接的维护，还有一个是终端节点的数据处理。当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project中。APP子栏下有sapi、SimpleCollector（协调器）、SimpleSensor（终端节点）三组文件。当中sapi中定义了节点组网和入网的应用函数，用户不须要改写这些程序。可是当中一些事件会调用SimpleCollector和SimpleSensor中的函数。用户须要在这两个文件里编写处理函数。 先看下协调器的应用层的程序处理过程，在sapi.c文件里初始化了SAPI 任务。在这个任务中定义了ZB_ENTRY_EVENT和ZB_USER_EVENTS两个事件，当中初始化函数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。

当中ZB_ENTRY_EVENT仅仅运行一次，用来定义设备的类型（协调器或终端节点），ZB_USER_EVENTS会运行多次。在这个事件里我们用来维护W5500的网络连接。

下面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新启动

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怎样处理的：

voidzb_HandleOsalEvent( uint16 event )

{

uint8startOptions;

uint8logicalType;

if( event & ZB_ENTRY_EVENT )

{

initUart(uartRxCB);//初始化调试port

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仅仅会运行一次。所以我们将应用的初始化函数放在这里运行。而且配置好网络启动的相关參数并写入到配置信息里，跳出这个函数后，程序就会启动自己主动组网的程序，完毕组网。在ZB_USER_EVENTS中，我们启动TCPclient程序，用来维护设备与server的连接，使得设备在插上网线后可以及时连上server。这样当协调器收到其它终端节点的数据，处理后就行调用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。我们还须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加入採集函数，定时採集温湿度数据。 终端节点的应用处理程序在SimpleSensor.c中定义，以下来介绍下终端节点是怎样处理相关的任务的：

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較：




了解了程序执行流程后，我们就能够操作设备了。 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执行的调试信息。

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，网络建立完成。这时程序的网络维护事件触发，開始连接server。通过网络调试助手能够看到，有client连接。正是我们的网关节点。

网关节点准备完成，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。表示正在数据採集和发送。这时能够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，我们能够看到众多的物联网设备，都能够借助此网关节点，来连入Internet。比方。连接Yeelink这种云平台，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。相同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

眼下，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，同一时候很适合电池供电的设备。大量的Zigbee设备会产成庞大的数据量。这些数据不可能所有交付给协调器处理分析，但将协调器接入互联网就完美的攻克了此问题，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

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