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DMA-210L / DMA-210U / DMA-210XP / DMA-4412UATMEGA-ZigBee

ATMEGA - ZigBee

1

第 ○ 章 導 讀 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0-1

0-1 如 何 開 始 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0-1 0-2 光 碟 內 容 說 明 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0-2

第 一 章 ZigBee 概 述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1-1

第 二 章 ATMEGA-ZigBee 無 線 通 訊 模 組 介 紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1

2-1 基 本 介 紹 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-1 2-2 産 品 內 容 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-2 2-3 功 能 特 色 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4 2-4 規 格 特 性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-4 2-5 應 用 領 域 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-5 2-6 準 備 工 作 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-5 2-7 ATMEGA-ZigBee 硬 體 描 述 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-6 2-8 配 合 JTAGICE mkII 模 擬 器 下 載 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-10 2-9 各 平 台 的 連 結 方 式 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2-16

第 三 章 聯 繫 我 們 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-1

0-1

第 O 章 導讀

第○章 導 讀

0-1 手冊內容簡介：

本手冊是為了讓讀者有更好的瞭解、熟悉及操作 ATMEGA-ZigBee 無線通訊模

組而編寫的，讀者可從中瞭解到如何使用 JTAGICE mkll 模擬器進行程式燒錄以及

相關的硬體功能結構設計。本手冊第一章主要介紹了 ZigBee 的功能描述和基本使用

說明；第二章則介紹了 ATMEGA-ZigBee 無線通訊模組的特色及相關配件和基本使

用說明；第三章是有關聯繫方式，方便讀者及時與我們溝通。

0-2

ATMEGA-ZigBee 無線通訊模組使用手冊

0-2 光碟內容介紹：

本產品光碟內容包括：

Atmega128RFA1 DataSheet.pdf 晶片手冊

DMA_ATMGA128RF1-ZIGBEE_SCH_V01.0120130715.pdf 開發板原理圖

Demo_lightweight_mesh_stack_1_0_1.rar 已除錯 Demo 常式

SHT10_DEMO_sensor.rar 溫濕度無線採集 Demo

atmel studio6.0.rar atmel studio6.0 軟體

soft_Demo_supply.rar 官方套裝軟體支援

JTAGICE MKLL.rar 除錯工具使用說明

1-1

第一章 ZigBee 概述

第一章 ZigBee 概述

什麼是 ZigBee ZigBee是IEEE 802.15.4 協議的代名詞。根據這個協定規定的技術是一種短距

離、低功耗的無線通信技術。ZigBee的命名，源自於蜜蜂的八字舞，由於蜜蜂(bee)

是靠飛翔和"嗡嗡"(zig)地抖動翅膀的"舞蹈"來與同伴傳遞花粉所在方位資訊，也就是

說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網路。其特點是短距離、低複雜度、低

功耗、低資料速率、低成本。主要應用的方向在於家庭裝置自動化、環境安全與控

制、個人醫療照護、自動控制和遠端控制領域、嵌入式各種設備。

簡而言之，ZigBee 就是一種便宜，低功耗的近距離無線組網通訊技術。

ZigBee 的起源 ZigBee在中國被譯為"紫蜂"，它與藍芽相類似.是一種新興的短距離無線技術，

用於感測控制應用 (sensor and control)。此想法在 IEEE 802.15 工作組中提出，

於是成立了 TG4 工作組，並制定規範 IEEE 802.15.4。

2002年，ZigBee Alliance 成立。

2004年，ZigBee V1.0 誕生，它是 ZigBee 第一個規範，但由於推出倉促，存

1-2

ATMEGA -ZigBee 無線通訊模組使用手冊

在一些錯誤。

2006年，推出 ZigBee 2006，比較完善。

2007 年底，ZigBee PRO 推出。

ZigBee 的底層技術基於IEEE 802.15.4.

物理層和 MAC 層直接引用了IEEE 802.15.4

在藍芽技術的使用過程中，人們發現藍芽技術儘管有許多優點，但仍存在許多

缺陷。對工業，家庭自動化控制和工業遙測遙控領域而言，藍芽技術顯得太複雜，

功耗大，距離近，組網規模太小等，而工業自動化，對無線資料通信的需求越來越

強烈，而且，對於工業現場，這種無線資料傳輸必須是高可靠性的，並能抵抗工業

現場的各種電磁干擾。因此，經過人們長期努力，ZigBee 協議在 2003 年正式問

世。 另外，ZigBee 使用了在它之前所研究過的面向家庭網路的通信協定 Home RF

Lite。

長期以來，低價、低傳輸率、短距離、低功率的無線通訊市場一直存在著。自

從Bluetooth 出現以後，曾讓工業控制、家用自動控制、玩具製造商等業者雀躍不已，

但是 Bluetooth 的售價一直居高不下，嚴重影響了這些廠商的使用意願。如今，這

些業者都參加了IEEE802.15.4小組，負責制定 ZigBee 的物理層和媒體介入控制

層。IEEE802.15.4 規範是一種經濟、高效、低資料速率（

1-3

第一章 ZigBee 概述

ZigBee 無線資料傳輸網路描述

圖：ZigBee 無線抄表系統

簡單的說，ZigBee 是一種高可靠的無線數傳網路，類似於 CDMA 和 GSM 網

路。ZigBee 數傳模組類似於移動網路基站。通訊距離從標準的 75m 到幾百米、幾

公里，並且支持無限擴展。

ZigBee 是一個由可多到 65000 個無線數傳模組組成的一個無線數傳網路平

台，在整個網路範圍內，每一個 ZigBee 網路數傳模組之間可以相互通信，每個網

路節點間的距離可以從標準的 75m 無限擴展。

與移動通信的 CDMA 或 GSM 不同的是，ZigBee 網路主要是為工業現場自動

化控制資料傳輸而建立。因此，它必須具有簡單，使用方便，可靠高，價格低的特

點。而移動通信網主要是為語音通信而建立，每個基地台價值一般都在百萬元以上，

而每個 ZigBee 設備卻不到 4000 元。每個 ZigBee 網路節點不僅本身可以作為監控

物件，例如其所連接的感測器直接進行資料獲取和監控，還可以自動中轉別的網路

節點傳過來的資料資料。除此之外，每一個 ZigBee 網路節點(FFD)還可在自己信

號覆蓋的範圍內，和多個不承擔網路資訊中轉任務的孤立的子節點(RFD)無線連接。

1-4

ATMEGA -ZigBee 無線通訊模組使用手冊

ZigBee 採用的自組織網通信方式 ZigBee 技術所採用的自組織網是怎麼回事？

舉一個簡單的例子就可以說明這個問題，當一隊傘兵空降後，每人持有一個

ZigBee 網路模組終端，降落到地面後，只要他們彼此間在網路模組的通信範圍內，

透過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯互通的 ZigBee 網路。而且，由於人員

的移動，彼此間的聯絡還會發生變化。因而，模組還可以透過重新尋找通信物件，

確定彼此間的聯絡，對原有網路進行更新。這就是自組織網。

ZigBee 技術為什麼要使用自組織網來通信？

網狀網通信實際上就是多通道通信，在實際工業現場，由於各種原因，往往並

不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，就像城市的街道一樣，可能因為車禍，

道路維修等，使得某條道路的交通出現暫時中斷，此時由於我們有多個通道，車輛

（相當於我們的控制資料）仍然可以透過其他道路到達目的地。而這一點對工業現

場控制而言則非常重要。

為什麼自組織網要採用動態路由的方式？

所謂動態路由是指網路中資料傳輸的路徑並不是預先設定的，而是傳輸資料

前，透過對網路當時可利用的所有路徑進行搜索，分析它們的位置關係以及遠近，

然後選擇其中的一條路徑進行資料傳輸。在我們的網路管理軟體中，路徑的選擇使

用的是"梯度法"，即先選擇路徑最近的一條通道進行傳輸，如傳不通，再使用另外一

條稍遠一點的通路進行傳輸，以此類推，直到資料送達目的地為止。在實際工業現

場，預先確定的傳輸路徑隨時都可能發生變化，或者因各種原因路徑被中斷了，或

者過於繁忙不能進行及時傳送。動態路由結合網狀拓撲結構，就可以很好解決這個

問題，從而保證資料的可靠傳輸。

1-5

第一章 ZigBee 概述

ZigBee 自身的技術優勢

① 低功耗。在低耗電待機模式下，2節 5號乾電池可支持 1 個節點工作 6～

24 個月，甚至更長。這是 ZigBee 的突出優勢。相比較，藍芽能工作數周、

WiFi 可工作數小時。

現在，TI 公司和德國的 Micropelt 公司共同推出新能源的 ZigBee節點。該

節點採用 Micropelt 公司的熱電發電機給 TI 公司的 ZigBee 提供電源。

② 低成本。透過大幅簡化協議(不到藍芽的1/10)，降低了對通信控制器的要求，

按預測分析，以8051 的 8 位微控制器測算，全功能的主節點需要 32KB

程式碼，子功能節點少至 4KB 程式碼，而且 ZigBee 免協議專利費。每塊

晶片的價格大約為 2美元。

③ 低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的較低速率，分別提供250 kbps

(2.4GHz)、40kbps (915 MHz)和 20kbps(868 MHz) 的原始資料吞吐率，滿

足低速率傳輸資料的應用需求。

④ 近距離。傳輸範圍一般介於10～100m之間，在增加RF發射功率後，亦可增

加到1～3 km。這指的是相鄰節點間的距離。如果透過路由和節點間通信的

接力，傳輸距離將可以更遠。

⑤ 短時延。ZigBee的回應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節

點連接進入網路只需30 ms，進一步節省了電能。相比較，藍芽需要3～10s、

WiFi需要3 s。

⑥ 高容量。ZigBee可採用星狀、片狀和網狀網路結構，由一個主節點管理若

干子節點，最多一個主節點可管理 254個子節點；同時主節點還可由上一層

網路節點管理，最多可組成65000個節點的大網。

⑦ 高安全。ZigBee提供了三級安全模式,包括無安全設定、使用接入控制清單

(ACL)防止非法獲取資料以及採用高級加密標準(AES 128) 的對稱密碼，以

靈活確定其安全屬性。

⑧ 免執照頻段。採用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段，2.4 GHz (全

球)、915MHz(美國)和 868 MHz (歐洲)。

1-6

ATMEGA -ZigBee 無線通訊模組使用手冊

ZigBee 的頻率 1) 868MHZ 傳輸速率為 20KB/S 適用於歐洲

2) 915MHZ 傳輸速率為 40KB/S 適用於美國

3) 2.4GHZ 傳輸速率為 250KB/S 全球通用

由於此三個頻帶物理層並不相同，其各自通道帶寬也不同，分別為

0.6MHZ，2MHz 和 5MHz；分別有 1 個 10 個和 16 個通道。

不同頻帶的擴頻和調製方式有區別，雖然都使用了直接擴頻(DSSS)的方式，但

從比特到碼片的變換方式有較大的差別。

調製方式都用了調相技術，但 868MHZ 和 915MHZ 頻段採用的是 BPSK，

而 2.4GHZ 頻段採用的是 OQPSK。

在發射功率為 0dBm 的情況下，BLUETOOTH 通常能用 10M 的作用範圍。

而基於IEEE 802.15.4 的ZigBee 在室內通常能達到30-50米作用距離，在室外

如果障礙物少，甚至可以達到 100 米作用距離。

所以 ZigBee 可歸為低速率的短距離無線通信技術。

ZigBee 性能分析 1、 資料速率比較低 在2.4GHZ 的頻段只有250Kb/S，而且只是鏈路上的速

率，除掉通道競爭應答和重傳等消耗，真正能被應用所利用的速率可能不

足 100Kb/S，並且餘下的速率可能要被鄰近多個節點和同一個節點的多個

應用所瓜分。因此不適合做視頻之類事情。

適合的應用領域 —— 傳感和控制

2、 可靠性 在可靠性方面，ZigBee 有很多方面進行保證。物理層採用了擴頻

技術，能夠在一定程度上抵抗干擾。

MAC應用層(APS 部分)有應答重傳功能。

MAC層的CSMA機制使節點發送前先監聽信道，可以起到避開干擾的作用。

當 ZigBee 網路受到外界干擾，無法正常工作時，整個網路可以動態的切

換到另一個工作通道上。

3、 時延 由於 ZigBee 採用隨機接入 MAC 層，且不支援時分複用的通道接

入方式，因此不能很好的支援一些即時的業務。

1-7

第一章 ZigBee 概述

4、 能耗特性 能耗特性是 ZigBee 的一個技術優勢。

通常ZigBee節點所承載的應用資料速率都比較低，在不需要通信時，節點

可以進入很低功耗的休眠狀態，此時能耗可能只有正常工作狀態下的千分

之一。由於一般情況下，休眠時間占總執行時間的大部分，有時正常工作

的時間還不到百分之一，因此達到很高的節能效果。

5、 組網和路由性 —— 網路層特性

ZigBee 大規模的組網能力—— 每個網路 65000 個節點

Bluetooth —— 每個網路 8 個節點

因為ZigBee 底層採用了直擴技術，如果採用非信標模式，網路可以擴展

得很大，因為不需同步而且節點加入網路和重新加入網路的過程很快，一

般可以做到 1 秒以內，甚至更快。

Bluetooth 通常需要 3 秒。

在路由方面，ZigBee支持可靠性很高的網狀網的路由，所以可以佈置範圍

很廣的網路，並支援多播和廣播特性，能夠給豐富的應用帶來有力的支持。

ZigBee 的應用前景 ZigBee並不是用來與藍芽或者其他已經存在的標準競爭，它的目標定位于現存

的系統還不能滿足其需求的特定的市場，它有著廣闊的應用前景。ZigBee聯盟預言

在未來的四到五年，每個家庭將擁有50個ZigBee器件，最後將達到每個家庭150個。

據估計，到2007年，ZigBee市場價值將達到數億美元。其應用領域主要包括：

◆ 家庭和樓宇網路：空調系統的溫度控制、照明的自動控制、窗簾的自動控

制、煤氣計量控制、家用電器的遠程控制等；

◆ 工業控制：各種監控器、感測器的自動化控制；

◆ 商業：智慧型標籤等；

◆ 公共場所：煙霧探測器等；

◆ 農業控制：收集各種土壤資訊和氣候資訊；

◆ 醫療：老人與行動不便者的緊急呼叫器和醫療感測器等。

1-8

ATMEGA -ZigBee 無線通訊模組使用手冊

ZigBee 聯盟 ZigBee 聯盟是一個高速成長的非盈利業界組織，成員包括國際著名半導體生產

商、技術提供者、技術整合商以及最終使用者。聯盟制定了基於 IEEE802.15.4，具

有高可靠、高性價比、低功耗的網路應用規格。

ZigBee 聯盟的主要目標是以透過加入無線網路功能，為消費者提供更富有彈

性、更容易使用的電子產品。ZigBee 技術能融入各類電子產品，應用範圍橫跨全球

的民用、商用、公共事業以及工業等市場。使得聯盟會員可以利用ZigBee 這個標準

化無線網路平台，設計出簡單、可靠、便宜又節省電力的各種產品來。

ZigBee 聯盟所鎖定的焦點為制定網路、安全和應用軟體層；提供不同產品的協

調性及互通性測試規格；在世界各地推廣ZigBee 品牌並爭取市場的關注；管理技術

的發展。

ZigBee 聯盟對 ZigBee 標準的制定：IEEE802.15.4 的物理層、MAC層及資

料連結層，標準已在 2003 年 5 月發佈。ZigBee 網路層、加密層及應用描述層的

制定也取得了較大的進展。V1.0 版本已經發佈。其他應用領域及其相關的設備描述

也會陸續發佈。由於 ZigBee 不僅只是 802.15.4 的代名詞，而且 IEEE 僅處理低

級MAC 層和物理層協定，因此 ZigBee 聯盟對其網路層協定和 API 進行了標準

化。完全協定用於一次可直接連接到一個設備的基本節點的 4K 位元組或者作為

Hub 或路由器的協調器的 32K 位元組。每個協調器可連接多達 255 個節點，而

幾個協調器則可形成一個網路，對路由傳輸的數目則沒有限制。

ZigBee 聯盟還開發了安全層，以保證這種便攜設備不會意外洩漏其標識，而且

這種利用網路的遠距離傳輸不會被其他節點獲得。

ZigBee 的網路拓撲 在 ZigBee 網路中，定義了三種網路角色，分別是 Coordinator（網路協調器

節點），Router（網路路由器節點），End Device（網路終端節點）。

Coordinator（網路協調器節點）：負責網路的建立（WPAN Formation）及

網路位址（Short Address）的分配。

Router（網路路由器節點）：負責找尋、建立及修復資料包路由路徑（Routing

Path），並負責轉送資料包，同時也可配置網路位址（Short Address）給子

1-9

第一章 ZigBee 概述

節點（Child）。

End Device（網路終端節點）：只能選擇加入已經形成的網路，可傳送資料。

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ATMEGA -ZigBee 無線通訊模組使用手冊