嵌入式硬件篇---Uart和Zigbee

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前言

本文简单介绍了Uart和Zigbee的区别以及各自适应的场合。

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一、UART（通用异步收发传输器）

1. 基本概念

UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）是一种串行通信协议，用于设备间的异步数据传输。它通过两根信号线（TX发送、RX接收）实现全双工通信，无需共享时钟信号，依赖双方预先约定的**波特率（Baud Rate）**进行同步。

2. 工作原理

帧结构

每帧数据包含以下部分：

起始位

起始位（1位，低电平）

数据位

数据位（5-9位，通常8位）

校验位

校验位（可选，奇偶校验）

停止位

停止位（1-2位，高电平）

异步通信

发送端和接收端独立计时，通过起始位和停止位界定数据边界，依赖波特率匹配来减少时钟偏差。

波特率

常见值有9600、115200等，表示每秒传输的符号数。需确保收发双方波特率一致，误差通常需小于3%。

3. 特点

优点

1. 简单易实现，成本低。
2. 支持全双工通信。
3. 无需时钟线，节省硬件资源。

缺点

1. 传输距离短（通常<15米）。
2. 速率较低（一般≤115.2 kbps）。
3. 无纠错机制，依赖校验位检测错误。

4. 典型应用

1. 微控制器与**传感器（如GPS、温湿度模块）**通信。
2. 通过USB转UART桥接器实现PC与嵌入式设备调试。
3. 工业控制中的设备级数据传输。

二、ZigBee

1. 基本概念

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗、短距离无线通信协议，专为物联网设计，支持自组网和多跳传输，适用于低数据速率场景（如传感器网络）。

2. 技术细节

工作频段

2.4GHz

2.4 GHz（全球通用，16通道，速率250 kbps）

868MHz

868 MHz（欧洲）、915 MHz（北美），速率更低但穿透性更强。

网络拓扑

星型网络

星型网络：由**协调器（Coordinator）**集中管理终端设备。

网状网络

网状网络（Mesh）：节点可互相中继数据，提升覆盖范围和可靠性。

簇状网络

簇状网络：分层结构，适用于复杂场景。

协议栈

物理层

物理层（PHY） & 媒体访问控制层（MAC）：由IEEE 802.15.4定义。

网络层

网络层（NWK）：负责路由、组网和安全。

应用层

应用层（APL）：包含应用支持子层（APS）和用户自定义应用。

低功耗设计

支持休眠模式

支持休眠模式（如终端设备可休眠数年）。

数据传输时间短

数据传输时间短（典型数据包仅几毫秒）。

安全性

使用AES-128加密，支持网络密钥和链路密钥分层加密。

3. 特点

优点

1. 低功耗，适合电池供电设备。
2. 自组网能力强，支持大规模节点（理论上可达65000个）。
3. 高可靠性（Mesh网络多路径冗余）。

缺点

1. 带宽较低（≤250 kbps）。
2. 传输距离短（室内约10-100米，室外可达1公里，依赖环境）。
3. 网络配置复杂度较高。

4. 典型应用

1. 智能家居（如智能灯泡、门锁）。
2. 工业传感器网络（温度、湿度监测）。
3. 医疗监护设备。
4. 农业自动化（土壤湿度监测）。

UART与ZigBee的对比与协同

1. 核心区别

特性 UART ZigBee
通信类型 有线串行通信 无线网络通信
距离 短距离（<15米） 短到中距离（10米-1公里）
功耗 低（但需有线连接） 极低（支持电池供电）
复杂度 简单 复杂（需组网协议栈）
应用场景 设备间点对点通信 大规模无线传感器网络

2. 协同应用示例

1. 在物联网系统中，UART常作为ZigBee模块与主控芯片的接口。
2. 例如：
   传感器通过UART将数据发送给微控制器（如STM32）。
   微控制器通过UART连接ZigBee模块（如CC2530）。
   ZigBee模块将数据无线传输至网关，最终上传至云端。

总结

1. UART是简单、可靠的有线串行通信方案，适合短距离设备级交互。
2. ZigBee是低功耗无线网络协议，适用于需要自组网和大规模节点的物联网场景。
3. 两者常结合使用：UART负责本地设备通信，ZigBee实现远程无线数据传输。

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