Zig Bee技術(shù)與應(yīng)用

前言

　　前些年美國《商業(yè)周刊》評選出了21世紀(jì)對改變世界最有影響力的十大科學(xué)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)位列其中。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是繼因特網(wǎng)之后，對21世紀(jì)人類生活方式產(chǎn)生重大影響的IT技術(shù)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，將邏輯上的信息世界與客觀的物理世界融合在一起，改變了人與機(jī)器、人與自然的交互方式，未來人們將通過無處不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)觸摸自然、感知客觀世界，從而極大地?cái)U(kuò)展人類認(rèn)識世界的能力。近幾年國外先后提出了“智慧地球”、“泛在網(wǎng)絡(luò)”等概念，我國也提出了“感知中國”的倡議，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正是實(shí)現(xiàn)這些概念和倡議的基石。　　Zig Bee是一種網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點(diǎn)體積小、低功耗、低速率的無線通信技術(shù)，主要用來實(shí)現(xiàn)信息的采集與處理。由于Zig Bee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)體積小，組網(wǎng)靈活，部署方便，功耗極低，所以適合用來組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2002年，英國Invensys公司、日本MitsLtbishi公司、美國摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦公司等發(fā)起成立了Zig Bee聯(lián)盟，推出了Zig Bee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。Zig Bee技術(shù)一出現(xiàn)，立刻引起了廣泛的關(guān)注，世界各大半導(dǎo)體廠商紛紛推出實(shí)現(xiàn)Zig Bee物理層功能的芯片。其中TI公司的C（22430／2431片上系統(tǒng)具備了實(shí)現(xiàn)Zig Bee技術(shù)的各種底層硬件需求，是真正的一體化解決方案，完全符合Zig Bee技術(shù)對節(jié)點(diǎn)“體積小、功耗低”的要求，成為市場追捧的熱點(diǎn)。　　有感于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，特別是Zig Bee技術(shù)的快速發(fā)展，筆者所在課題組在自。身教學(xué)、研究工作積累的基礎(chǔ)上，精心編寫了本書，主要目的是想讓讀者分享我們的研究經(jīng)驗(yàn)及成果。本書精選了課題組在CC2430／2431片上系統(tǒng)上完成的Zig Bee傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件設(shè)計(jì)研究成果，內(nèi)容豐富、深入淺出，既有理論分析，又有實(shí)踐應(yīng)用。書中給出了一系列Zig Bee傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件平臺的設(shè)計(jì)方法，以及基于此的各種應(yīng)用設(shè)計(jì)；特別要指出的是，書中給出了Zig Bee大功率節(jié)點(diǎn)融合GSM／GPRS模塊節(jié)點(diǎn)開發(fā)的設(shè)計(jì)方法，這是本書的突出特色。與同類書籍相比，本書理論與實(shí)踐并重，系統(tǒng)性強(qiáng)、實(shí)用性強(qiáng)，重點(diǎn)突出課題組的研發(fā)實(shí)踐過程，并毫無保留地向讀者公開了我們設(shè)計(jì)中的獨(dú)到之處。

內(nèi)容概要

　　本書從基礎(chǔ)理論、開發(fā)實(shí)踐以及應(yīng)用三方面論述了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)、開發(fā)細(xì)節(jié)和具體應(yīng)用，覆蓋了ZigBee無線技術(shù)的理論基礎(chǔ)、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議、ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺設(shè)計(jì)方法、嵌入式軟件開發(fā)實(shí)例、網(wǎng)絡(luò)定位原理與設(shè)計(jì)、Z-Stack軟件架構(gòu)等內(nèi)容，給出了ZigBee技術(shù)在安全監(jiān)控、醫(yī)療衛(wèi)生和智能公交系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例和設(shè)計(jì)方法?！　”緯饕槍τ幸欢ňW(wǎng)絡(luò)和無線通信技術(shù)基礎(chǔ)的中、高級讀者，適合從事短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)理論研究、設(shè)備研制、工程應(yīng)用、項(xiàng)目管理人員，以及高校計(jì)算機(jī)、通信、電子等專業(yè)高年級本科生和研究生參考使用，對從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)研究與研制的科研人員也有一定的借鑒與參考價(jià)值。

書籍目錄

理論篇 　第一章 ZigBee技術(shù)概述 　　1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 　　　1.1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述 　　　1.1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù) 　　1.2 ZigBee技術(shù)概述 　　1.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 　　　1.3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系 　　　1.3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?　　1.4 ZigBee協(xié)議架構(gòu) 　　1.5 ZigBee技術(shù)應(yīng)用 　第二章 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn) 　　2.1 物理層規(guī)范 　　　2.1.1 物理層功能概述 　　　2.1.2 物理層服務(wù)規(guī)范 　　　2.1.3 物理層數(shù)據(jù)格式 　　　2.1.4 物理層常量和PIB屬性 　　2.2 媒體接人控制(MAC)層規(guī)范 　　　2.2.1 MAC層服務(wù)規(guī)范 　　　2.2.2 MAC層幀格式 　　　2.2.3 MAC層命令幀 　第三章 ZigBee網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用層 　　3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層 　　　3.1.1 網(wǎng)絡(luò)層概況 　　　3.1.2 網(wǎng)絡(luò)層功能及其實(shí)現(xiàn) 　　3.2 ZigBee應(yīng)用層 　　　3.2.1 應(yīng)用層概述 　　　3.2.2 ZigBee應(yīng)用支持子層 　　　3.2.3 ZigBee應(yīng)用框架 　　　3.2.4 ZigBee設(shè)備對象 　第四章 安全服務(wù)規(guī)范 　　4.1 安全服務(wù)規(guī)范概述 　　4.2 MAC層安全服務(wù) 　　　4.2.1 流出MAC幀的安全處理 　　　4.2.2 流入MAC幀的安全處理 　　　4.2.3 與安全有關(guān)的MACPIB屬性 　　4.3 NWK層安全服務(wù) 　　　4.3.1 流出NWK幀的安全處理 　　　4.3.2 流入NWK幀的安全處理 　　　4.3.3 與安全有關(guān)的NIB屬性 實(shí)踐篇 　第五章 ZigBee常用芯片 　　5.1 幾種常用的ZigBec射頻芯片介紹 　　　5.1.1 MCl3192射頻芯片介紹 　　　5.1.2 CC2420射頻芯片介紹 　　5.2 CC2430片上系統(tǒng) 　　　5.2.1 CC2430概述 　　　5.2.2 CC2430引腳介紹 　　　5.2.3 CC2430的805lCPU介紹 　　　5.2.4 CC2430外圍設(shè)備 　　　5.2.5 CC2430無線模塊 　　　5.2.6 CC2431無線定位引擎 　　5.3 CC2591射頻前端芯片 　　　5.3.1 概述 　　　5.3.2 引腳配置 　　　5.3.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及評估電路 　第六章 基于OC2430的ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)技術(shù) 　　6.1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)類型分類介紹 　　6.2 基于CC2430片上系統(tǒng)的監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 　　　6.2.1 監(jiān)控予節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu) 　　　6.2.2 監(jiān)控予節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì) 　　　6.2.3 監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì) 　　　6.2.4 監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 　　　6.2.5 監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)電源選擇及其相關(guān)性能指標(biāo) 　　6.3 大功率路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 　　　6.3.1 大功率路由節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　　6.3.2 大功率路由節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì) 　　　6.3.3 大功率路由節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì) 　　　6.3.4 大功率路由節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 　　6.4 基于CC2430和TC35iMC39i的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 　　　6.4.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu) 　　　6.4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì) 　　　6.4.3 監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)PCB設(shè)計(jì) 　　　6.4.4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及其性能指標(biāo) 　　6.5 硬件平臺低功耗設(shè)計(jì) 　　6.6 調(diào)試測試方法 　　　6.6.1 用戶監(jiān)控子節(jié)點(diǎn)調(diào)試及測試 　　　6.6.2 大功率路由節(jié)點(diǎn)調(diào)試及測試 　　　6.6.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)調(diào)試及測試 　第七章 IAR嵌入式軟件開發(fā)系統(tǒng)及CC24301程序設(shè)計(jì)　第八章 TI Z-Stack軟件架構(gòu)及開發(fā) 　第九章 zigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù) 應(yīng)用篇 　第十章 基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的樓宇安全監(jiān)測系統(tǒng) 　第十一章 基于ZigBee的智能公交系統(tǒng) 　第十二章 基于ZigBee的病房叫號系統(tǒng) 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　（2）網(wǎng)絡(luò)自組織。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，通常情況下傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的地方。傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，或者節(jié)點(diǎn)的位置不固定，是移動(dòng)的；節(jié)點(diǎn)之間的相互鄰居關(guān)系也不能預(yù)先知道，甚至是隨時(shí)變化。這樣就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?！　。?）多跳路由。網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)通信距離有限，一般在幾十到幾百米范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)只能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，則需要通過中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。這樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以是信息的發(fā)起者，也可以是信息的轉(zhuǎn)發(fā)者?！　。?）網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其他故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行；一個(gè)節(jié)點(diǎn)也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)總是處在變化當(dāng)中。　?。?）網(wǎng)絡(luò)以數(shù)據(jù)為中心。傳感器是傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)獲取的來源，沒有了傳感器采集的數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)就失去了意義，所以通常說傳感器是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)?！　。?）面向應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)。傳感器用來感知客觀物理世界，獲取物理世界的信息量?？陀^世界的物理量多種多樣，不可窮盡。不同的傳感器應(yīng)用關(guān)系不同的物理量，因此對傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。網(wǎng)絡(luò)的部署是有目的性的，通常情況下是針對實(shí)際情況而設(shè)定的，沒有哪一種網(wǎng)絡(luò)可以適應(yīng)所有應(yīng)用場景，所以傳感器網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)?！　?.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息感知與采集和計(jì)算模式的一場革命，它作為一個(gè)全新的研究領(lǐng)域在基礎(chǔ)理論研究和工程技術(shù)研究兩個(gè)層面上對科技工作者提出了大量的挑戰(zhàn)性研究課題。主要的關(guān)鍵技術(shù)如下：　　（1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)能量十分有限，因此在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)考慮功耗問題，因此降低能源消耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中要考慮的最重要的方面，大量研究表明路由協(xié)議和MAC協(xié)議對無線通信模塊的能量消耗起著關(guān)鍵影響。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的MAC協(xié)議的主要目標(biāo)是使節(jié)點(diǎn)公平、有效地共享無線信道，避免多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突。網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議需要解決通過局部信息來決策并優(yōu)化全局行為（路由生成與路由選擇）的問題。衡量傳感器網(wǎng)絡(luò)路由性能的一個(gè)重要指標(biāo)就是合理地使用網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的有限能量，使得網(wǎng)絡(luò)保持連通性的時(shí)間更長。

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