ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

前言

近年來(lái)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到了快速的發(fā)展，國(guó)內(nèi)也有很多書籍介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)?？傮w而言，主要涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、路由算法、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、QoS等。這些知識(shí)主要是從理論上對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的講解，可能有很多讀者學(xué)習(xí)了上述理論仍然無(wú)法搭建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。因此，對(duì)于工程應(yīng)用而言，可以先搭建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制等實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到問(wèn)題時(shí)再查閱相關(guān)的理論知識(shí)，這樣可以快速地掌握構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方法。   對(duì)大多數(shù)讀者而言，在學(xué)習(xí)新知識(shí)的時(shí)候很難靜下心來(lái)去閱讀大篇幅概念性的敘述。至少筆者當(dāng)初在學(xué)習(xí)的時(shí)候是這種心理，總以為那些描述是寫給明白人看的，因此，本書的主線是：以ZigBee 2007協(xié)議為基礎(chǔ)，結(jié)合智造者科技有限公司的CC2530-EB ZigBee多功能開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，向讀者展示了構(gòu)建一個(gè)符合ZigBee 2007協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體過(guò)程，帶領(lǐng)讀者從實(shí)踐的角度去理解無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)知識(shí)，突出重點(diǎn)，各個(gè)擊破，爭(zhēng)取從實(shí)踐的角度去找到與理論的吻合點(diǎn)。   本書的特點(diǎn)    理論與實(shí)踐相結(jié)合。本書以實(shí)例為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和開(kāi)發(fā)所需要的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)恰當(dāng)?shù)剞饤壛瞬糠謱?duì)于初學(xué)者而言暫時(shí)不用或者很少用到的知識(shí)點(diǎn)，目的在于盡量使學(xué)習(xí)重點(diǎn)突出。   模塊化設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)相結(jié)合。   本書的編寫原則    盡量展現(xiàn)細(xì)節(jié)，即使有些情況下顯得有點(diǎn)啰嗦   書中有些地方可能看似很簡(jiǎn)單，顯得有點(diǎn)啰嗦，但是為了給初學(xué)者展現(xiàn)出無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的全貌，筆者選擇了這種編寫風(fēng)格，因?yàn)楣P者在曾經(jīng)的學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到很多問(wèn)題，到論壇發(fā)帖求助，查資料，經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間才解決，因此為了給讀者提供一個(gè)完完整整的開(kāi)發(fā)過(guò)程，寧可啰嗦一點(diǎn)，也不漏掉細(xì)節(jié)問(wèn)題。   代碼注重的是可讀性，沒(méi)有拘泥于效率和編程規(guī)范   本書代碼力求通俗易懂，并沒(méi)有考慮程序執(zhí)行的效率和編程風(fēng)格等。如果讀者對(duì)基本的編程都沒(méi)有大概了解的話，談什么編程規(guī)范呢。因此，盡快掌握編程才是硬道理，其他問(wèn)題后續(xù)解決。    盡量用樸實(shí)的語(yǔ)言去描述看似深?yuàn)W的理論   筆者努力使本書作為一本無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和開(kāi)發(fā)的指導(dǎo)性用書，努力想展現(xiàn)出開(kāi)發(fā)過(guò)程中的問(wèn)題及其解決方法，盡量給讀者提供一個(gè)參考，使讀者少走彎路，因此，筆者選擇用盡量通俗的語(yǔ)言來(lái)敘述，并不想用艱深晦澀難懂的語(yǔ)言來(lái)迷惑讀者。   雖然無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)涉及電子、通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、射頻等多學(xué)科的知識(shí)，但是，本書將給讀者一個(gè)嶄新的學(xué)習(xí)思路，從應(yīng)用的角度去學(xué)習(xí)、理解進(jìn)而掌握無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本原理。   本書內(nèi)容概述    第1章簡(jiǎn)要講解了ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)給出了智造者科技有限公司的CC2530-EB開(kāi)發(fā)板的硬件組成，這也是本書的硬件平臺(tái)。關(guān)于具體硬件并沒(méi)有給出過(guò)多的解釋，這部分內(nèi)容滲透在了后續(xù)章節(jié)實(shí)驗(yàn)部分。   第2章對(duì)IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行了講解，摒棄了部分初學(xué)者暫時(shí)用不到的功能，突出重點(diǎn)。   第3章對(duì)CC2530開(kāi)發(fā)板硬件資源進(jìn)行了講解。   第4章對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了講解。   第5章對(duì)ZigBee協(xié)議棧中的OSAL進(jìn)行了講解，同時(shí)給出了部分實(shí)驗(yàn)。   第6章對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行了講解和闡述。   第7章對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，常用的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技巧進(jìn)行了闡述。   本書只是ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)入門級(jí)的讀物，閱讀完本書后，讀者需要結(jié)合自己項(xiàng)目的要求，對(duì)相應(yīng)的源代碼進(jìn)行修改，只有通過(guò)不斷的練習(xí)，才能真正掌握Z(yǔ)igBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的技術(shù)技巧。   適用對(duì)象    從事ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)人員   高等院校電子、通信、自動(dòng)控制等專業(yè)學(xué)生   編者與致謝    本書主要由王小強(qiáng)、歐陽(yáng)駿、黃寧淋編著，粟思科審校，參與本書編寫的還有李巖、吳川、張凱之、張劍、王治國(guó)、鐘曉林、王娟、胡靜、楊龍、張成林、方明、王波、陳小軍、雷曉、李軍華、陳曉云、方鵬、龍帆、劉亞航。   配套服務(wù)——物聯(lián)網(wǎng)俱樂(lè)部    我們?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)讀者和用戶盡心服務(wù)，圍繞ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、產(chǎn)品和項(xiàng)目市場(chǎng)，探討物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與發(fā)展，發(fā)掘熱點(diǎn)與重點(diǎn)；開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)教學(xué)。物聯(lián)網(wǎng)俱樂(lè)部QQ：183090495，電子郵件bojiakeji@tom.com，歡迎物聯(lián)網(wǎng)愛(ài)好者和用戶聯(lián)系。   由于編者水平有限，書中難免有不當(dāng)?shù)牡胤剑瑧┱?qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。 編著者

內(nèi)容概要

　　本書面向立志于進(jìn)行ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)的初學(xué)者以及向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)型的工程師，按照理論實(shí)踐相結(jié)合的思想，介紹了ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)中的基礎(chǔ)理論，并給出了具體的實(shí)例。
　　本書針對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，既有基礎(chǔ)知識(shí)的講述，又有相關(guān)配套實(shí)驗(yàn)，使讀者能容易、快速、全面地掌握無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)過(guò)程。本書從ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信講起，逐步講解了ZigBee協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)過(guò)程以及注意的問(wèn)題，同時(shí)給出了部分開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技巧供讀者參考。
　　本書可供從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的人員學(xué)習(xí)使用，也可作為高等院校電子、通信、自動(dòng)控制等專業(yè)的學(xué)習(xí)用書。

書籍目錄

第一章 ZigBee簡(jiǎn)介
 1.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)比
 1.2 短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的分類
 1.2.1 什么是ZigBee
 1.2.2 ZigBee和IEEE 802.15.4的關(guān)系
 1.2.3 ZigBee的特點(diǎn)
 1.3 ZigBee 2007協(xié)議簡(jiǎn)介
 1.4 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信信道分析
 1.5 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
 1.6 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
 1.7 CC2530開(kāi)發(fā)板硬件資源概述
 1.8 本章小結(jié)
第二章 IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及程序下載流程
 2.1 IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)介
 2.2 工程的編輯與修改
 2.2.1 建立一個(gè)新工程
 2.2.2 建立一個(gè)源文件
 2.2.3 添加源文件到工程
 2.2.4 工程設(shè)置
 2.2.5 源文件的編譯
 2.3 仿真調(diào)試與下載
 2.3.1 仿真調(diào)試器驅(qū)動(dòng)的安裝
 2.3.2 程序仿真調(diào)試
 2.4 本章小結(jié)
 2.5 擴(kuò)展閱讀之模塊化編程技巧 28
第三章 CC2530開(kāi)發(fā)板硬件資源詳解
 3.1 核心板硬件資源
 3.1.1 CC2530簡(jiǎn)介
 3.1.2 天線及巴倫匹配電路設(shè)計(jì)
 3.1.3 晶振電路設(shè)計(jì)
 3.2 底板硬件資源
 3.2.1 電源電路設(shè)計(jì)
 3.2.2 LED電路設(shè)計(jì)
 3.2.3 AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
 3.2.4 串口電路設(shè)計(jì)
 3.3 本章小結(jié)
 3.4 擴(kuò)展閱讀之天線基本理論
 3.4.1 天線的一些基本參數(shù)
 3.4.2 常見(jiàn)的天線形式
 3.4.3 ZigBee模塊天線選型
第四章 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)入門
 4.1 ZigBee協(xié)議棧
 4.1.1 什么是ZigBee協(xié)議棧
 4.1.2 如何使用ZigBee協(xié)議棧
 4.1.3 ZigBee協(xié)議棧的安裝、編譯與下載
 4.2 ZigBee協(xié)議?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)：數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)
 4.2.1 協(xié)調(diào)器編程
 4.2.2 終端節(jié)點(diǎn)編程
 4.2.3 實(shí)例測(cè)試
 4.3 ZigBee數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)剖析
 4.3.1 實(shí)驗(yàn)原理及流程圖
 4.3.2 數(shù)據(jù)發(fā)送
 4.3.3 數(shù)據(jù)接收
 4.4 ZigBee數(shù)據(jù)包的捕獲
 4.4.1 如何構(gòu)建ZigBee協(xié)議分析儀
 4.4.2 ZigBee數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)
 4.4.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸流程分析
 4.4.4 數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)回顧
 4.5 本章小結(jié)
 4.6 擴(kuò)展閱讀之ZigBee協(xié)議棧數(shù)據(jù)包格式 67
第五章 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提高
 5.1 深入理解ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)成
 5.2 ZigBee協(xié)議棧OSAL介紹
 5.2.1 OSAL常用術(shù)語(yǔ)
 5.2.2 OSAL運(yùn)行機(jī)理
 5.2.3 OSAL消息隊(duì)列
 5.2.4 OSAL添加新任務(wù)
 5.2.5 OSAL應(yīng)用編程接口
 5.3 ZigBee協(xié)議棧中串口應(yīng)用詳解
 5.3.1 串口收發(fā)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
 5.3.2 實(shí)例測(cè)試
 5.3.3 串口工作原理剖析
 5.4 ZigBee協(xié)議棧串口應(yīng)用擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)
 5.4.1 實(shí)驗(yàn)原理及流程圖
 5.4.2 協(xié)調(diào)器編程
 5.4.3 終端節(jié)點(diǎn)編程
 5.4.4 實(shí)例測(cè)試
 5.5 無(wú)線溫度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)
 5.5.1 實(shí)驗(yàn)原理及流程圖
 5.5.2 協(xié)調(diào)器編程
 5.5.3 終端節(jié)點(diǎn)編程
 5.5.4 實(shí)例測(cè)試
 5.6 ZigBee協(xié)議棧中的NV操作
 5.6.1 NV操作函數(shù)
 5.6.2 NV操作基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
 5.6.3 實(shí)例測(cè)試
 5.7 本章小結(jié)
 5.8 擴(kuò)展閱讀之一：ZigBee協(xié)議中規(guī)范（Profile）和簇（Cluester）的概念
 5.9 擴(kuò)展閱讀之二：探究接收數(shù)據(jù)的存放位置
第六章 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)管理
 6.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備地址
 6.2 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的地址分配機(jī)制
 6.3 單播、組播和廣播
 6.4 網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)驗(yàn)
 6.4.1 廣播和單播通信
 6.4.2 組播通信
 6.5 ZigBee協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)管理
 6.5.1 網(wǎng)絡(luò)管理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)
 6.5.2 網(wǎng)絡(luò)管理擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)
 6.5.3 獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br /> 6.6 本章小結(jié)
 6.7 擴(kuò)展閱讀之建立網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)流程分析
第七章 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合實(shí)戰(zhàn)
 7.1 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)戰(zhàn)
 7.1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
 7.1.2 協(xié)調(diào)器編程
 7.1.3 終端節(jié)點(diǎn)和路由器編程
 7.1.4 實(shí)例測(cè)試
 7.2 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通用傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 7.2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
 7.2.2 軟件編程概述
 7.2.3 協(xié)調(diào)器編程
 7.2.4 路由器和終端節(jié)點(diǎn)編程
 7.3 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)
 7.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
 7.3.2 協(xié)調(diào)器編程
 7.3.3 終端節(jié)點(diǎn)和路由器編程
 7.3.4 實(shí)例測(cè)試
 7.4 太陽(yáng)能供電的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
 7.4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)所面臨的問(wèn)題
 7.4.2 系統(tǒng)構(gòu)架分析
 7.5 本章小結(jié)
 7.6 擴(kuò)展閱讀之天線基本理論
 參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   近年來(lái)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)得到了快速的發(fā)展，在此過(guò)程中也出現(xiàn)了各種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，諸如WiFiTM、Wireless USB、BluetoothTM、Wibree，不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，WiFiTM主要用于大量數(shù)據(jù)的傳輸，Wireless USB主要用于視頻數(shù)據(jù)的傳輸?shù)取?現(xiàn)今，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，與此相關(guān)的一些技術(shù)如RFID、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)也得到了快速的發(fā)展。與此同時(shí)，各種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)也日漸規(guī)范化，其中得到廣泛應(yīng)用和推廣的一種協(xié)議就是ZigBee 2007協(xié)議，TI公司已經(jīng)推出了完全兼容該協(xié)議的SoC芯片CC2530，同時(shí)也開(kāi)發(fā)出了相關(guān)的軟件協(xié)議棧Z—Stack，開(kāi)發(fā)者可以使用上述硬件和軟件資源，搭建自己的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 本章主要討論了ZigBee的產(chǎn)生、發(fā)展過(guò)程，向讀者展示了ZigBee的特點(diǎn)以及相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，幫助初學(xué)者快速入門。 1.1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)比 現(xiàn)在比較流行的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議有WiFiTM、Wireless USB、BluetoothTM、Cellular等，不同的協(xié)議都有各自的應(yīng)用領(lǐng)域，因此，選擇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議時(shí)，要根據(jù)不同的應(yīng)用來(lái)選擇某一種特定的協(xié)議。 那么，ZigBee協(xié)議與上述協(xié)議有什么關(guān)系？ZigBee協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在哪里？ZigBee協(xié)議主要用在哪些應(yīng)用領(lǐng)域？ 各種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對(duì)比圖如圖1—1所示。 從圖1—1中可以看到不同的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離有各自的使用范圍。 ZigBee、藍(lán)牙以及IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)都是工作在2.4GHz頻段的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，下面將ZigBee與藍(lán)牙、IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)要的比較，幫助讀者快速地了解ZigBee與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)。 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸速率小于3Mbps，典型數(shù)據(jù)傳輸距離為2～10m，藍(lán)牙技術(shù)的典型應(yīng)用是在兩部手機(jī)之間進(jìn)行小量數(shù)據(jù)的傳輸。 IEEE 802.11b最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)11Mbps，典型數(shù)據(jù)傳輸距離在30～100m，IEEE 802.11b技術(shù)提供了一種Internet的無(wú)線接入技術(shù)，如很多筆記本電腦可以使用自帶的wiFi功能實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。 ZigBee協(xié)議可以理解為一種短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制協(xié)議，主要用于傳輸控制信息，數(shù)據(jù)量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較小，特別適用于電池供電的系統(tǒng)。此外，相對(duì)于上述兩種標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee協(xié)議更容易實(shí)現(xiàn)（或者說(shuō)實(shí)現(xiàn)成本較低）。ZigBee、藍(lán)牙以及IEEE 802.11b標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比情況如表1—1、圖1—2所示。 因此，ZigBee主要用在短距離無(wú)線控制系統(tǒng)，傳輸少量的控制信息。例如，在智能家居領(lǐng)域中，ZigBee可以用來(lái)傳輸控制燈亮或燈滅的控制信息。

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　　《ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》可供從事無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的人員學(xué)習(xí)使用，也可作為高等院校電子、通信、自動(dòng)控制等專業(yè)的學(xué)習(xí)用書。

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