基于CC2530的ZigBee转以太网网关的设计与实现
*已刊登至：《无线电》8月刊
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
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：
- 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”。
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：
- 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：
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！
程序下载：http://wizwiki.net/forum/viewtopic.php?f=91&t=1075
By Allen,Katrina,Jerry
与我们更多交流：[email protected]
WIZnet官方网站：http://www.iwiznet.cn
WIZnet官方微博：http://weibo.com/wiznet2012