ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)入門與實戰(zhàn)

前言

　　作為與8051兼容的無線單片機的第1代產(chǎn)品的代表——Chipcon公司的CC1010、Nordic公司的nRF24E1/nRF9E5，其推出的時間是2004年，分別工作在300-1 000 MHz/2.4 GHz頻道，價格為30-50元/片左右。這些無線單片機由于工作可靠，技術(shù)成熟，軟件豐富，所以這幾年獲得了非常廣泛的應用。對于一般的點到點、點到多點、無線數(shù)傳和各種類似無線鍵盤、無線搖桿、簡單遙控器、無線抄表等應用，以及學習無線通信知識、教學實驗等，直到今天仍然是很好的選擇?！　o線通信(這里主要指短距離無線通信和嵌入式無線通信)的發(fā)展，需要將更多的節(jié)點通過無線聯(lián)系起來，包括各種傳感器網(wǎng)絡、無線實時定位網(wǎng)絡、射頻識別網(wǎng)絡、數(shù)字家庭網(wǎng)絡、安全監(jiān)視網(wǎng)絡等。這就需要解決兩方面的問題：無線通信的標準化和對網(wǎng)絡拓撲的管理?！　【W(wǎng)絡標準化，通俗地說就是網(wǎng)絡節(jié)點的互通性，各種不同功能的無線網(wǎng)絡節(jié)點需要能相互交流、相互認識。舉例來說，未來家庭中，各種家電將具有無線功能，匯集成一個互通的無線網(wǎng)絡，冰箱可能是日本的，電視是中國造，煙霧報警器可能來自美國，所有的家電通過無線匯集到家庭網(wǎng)關(guān)，必須相互認識，才可以進行無線數(shù)據(jù)通信。這就需要一個所有制造廠家可以遵循的標準，目前這個標準就是IEEE 802.15.4——一個專門針對這類應用的國際標準?！　【W(wǎng)絡拓撲管理，主要是建立在IEEE 802.15.4之上的網(wǎng)絡層，包括各種網(wǎng)絡的形態(tài)。無線網(wǎng)絡節(jié)點可以像一個星狀一樣連接，也可以像一個葡萄串一樣串在一起，還可以像一張大網(wǎng)，相互連接，相互間可以從任意節(jié)點進行通信。這就需要在網(wǎng)絡層相互兼容，這就有了ZigBee——一套標準化的網(wǎng)絡層協(xié)議規(guī)范?！　?02.15.4標準和ZigBee網(wǎng)絡已經(jīng)是當今世界的技術(shù)熱點，可以在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)數(shù)量巨大的相關(guān)信息，也可以方便地學習到這方面的知識。

內(nèi)容概要

本書分別以TI/CHIPCON公司的8051內(nèi)核無線片上系統(tǒng)（SoC）CC2430、 CC2431 ZigBee無線單片機為中心，介紹了802.15.4/ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)和對該技術(shù)的實際應用。該書的重點不是講解802.15.4/ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)的原理，而是實戰(zhàn)，即自己動手進行802.15.4/ZigBee無線網(wǎng)絡項目試驗?！　”緯鴱慕榻B802.15.4/ZigBee技術(shù)的概念開始，讓讀者在CC2430、 CC2431無線單片機硬件平臺上，自己動手搭建一個ZigBee開發(fā)系統(tǒng)。從星狀無線網(wǎng)絡到復雜的網(wǎng)絡拓撲，循序漸進，讓對無線通信和無線網(wǎng)絡完全不熟悉的電子工程師能夠輕松上路，理解最新ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)的原理，探究ZigBee無線網(wǎng)絡的奧秘。　　本書可作為高等院校的計算機、電子、自動化、無線等相關(guān)專業(yè)的教材，也適合廣大單片機、無線應用、自動化控制、無線傳感等領(lǐng)域的工程技術(shù)人員作為學習、參考用書。

書籍目錄

第1章 短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡基礎　1.1 無線通信和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡廣闊的應用前景　1.2 ZigBee無線網(wǎng)絡使用的頻譜和ISM開放頻帶　1.3 典型的短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡技術(shù)　　1.3.1 ZigBee　　1.3.2 Wi-Fi　　1.3.3 藍牙（Bluetooth）　　1.3.4 超寬頻技術(shù)（UWB）　　1.3.5 近短距無線傳輸（NFC）　1.4 典型的無線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡拓撲　　1.4.1 無線局域網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)　　1.4.2 無線局域網(wǎng)的物理層規(guī)范　　1.4.3 無線局域網(wǎng)的頻段分配　　1.4.4 無線局域網(wǎng)的MAC層規(guī)范　　1.4.5 無線局域網(wǎng)的CSMA/CA協(xié)議　　1.4.6 無線局域網(wǎng)的工作原理　　1.4.7 無線局域網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)　　1.4.8 網(wǎng)絡拓撲　1.5 IEEE802.15.4短距離無線通信標準　　1.5.1 物理層　　1.5.2 MAC（介質(zhì)接入控制子層）層　　1.5.3 網(wǎng)絡層　　1.5.4 ZigBee與IEEE802.15.4的區(qū)別　1.6 ZigBee技術(shù)　　1.6.1 ZigBee技術(shù)的廣闊應用前景　　1.6.2 低功耗低速技術(shù)特點　　1.6.3 高可靠性的無線網(wǎng)絡　　1.6.4 網(wǎng)絡拓撲和路由　　1.6.5 安全和加密　　1.6.6 協(xié)議棧模式和應用模式　1.7 習題第2章 CC2430/CC2431無線單片機　2.1 CC2430芯片的主要特點　2.2 CC2430芯片的引腳功能　2.3 CC2430片上8051內(nèi)核　　2.3.1 增強型8051內(nèi)核　　2.3.2 存儲空間　　2.3.3 特殊功能寄存器　2.4 CC2430的主要特征外設　　2.4.1 輸入/輸出（I/O）端口　　2.4.2 直接存?。―MA）控制器　　2.4.3 MAC定時器　　2.4.4 AES—128安全協(xié)處理器　　2.4.5 14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）　2.5 CC2430無線收發(fā)部分　　2.5.1 IEEE802.15.4調(diào)制模式　　2.5.2 接收模式　　2.5.3 發(fā)送模式　　2.5.4 MAC數(shù)據(jù)格式　　2.5.5 CSMA/CA協(xié)處理器　2.6 CC24-30所涉及的無線通信技術(shù)　　2.6.1 清潔信道評估（CCA）　　2.6.2 無線直接頻譜技術(shù)（DSSS）　　2.6.3 載波偵聽多點接入/避免沖撞（CSMA/CA）　2.7 CC2431芯片介紹　2.8 習題第3章 建立自己的zigBee無線硬件平臺　3.1 無線ZigBee硬件平臺的選擇　　3.1.1 選擇嵌入式無線開發(fā)工具和平臺　　3.1.2 需要的設備和必要條件　3.2 ZigBee無線開發(fā)系統(tǒng)C51RF一3-ZDS概述　3.3 C51RF-3-ZDS仿真器　3.4 多功能擴展無線網(wǎng)絡演示系統(tǒng)　3.5 無線2.4GHz高頻模塊　3.6 硬件綜合測試SPP軟件　3.7 C51RF-3-F協(xié)議分析儀　3.8 習題第4章 建立自己的ZigBee無線軟件平臺　4.1 ZigBee軟件集成開發(fā)平臺　4.2 安裝IAR　4.3 創(chuàng)建一個工作區(qū)窗口　4.4 建立一個新工程　4.5 添加文件或新建程序文件　4.6 設置工程選項　4.7 編譯和連接　4.8 仿真調(diào)試　　4.8.1 安裝仿真器驅(qū)動——手動　　4.8.2 安裝仿真器驅(qū)動——自動　　4.8.3 進入調(diào)試　　4.8.4 調(diào)試窗口管理　　4.8.5 調(diào)試管理　4.9 其他輔助軟件　4.10 習題第5章 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)和原理　5.1 ZigBee協(xié)議棧概述　5.2 IEEE802.15.4通信層　　5.2.1 PHY（物理）層　　5.2.2 MAC（介質(zhì)接入控制子層）層　5.3 ZigBee網(wǎng)絡層　　5.3.1 網(wǎng)絡層概況　　　5.3.2 網(wǎng)絡層幀結(jié)構(gòu)　　5.3.3 網(wǎng)絡層功能介紹　5.4 ZigBee應用層　5.5 無線龍精簡版ZigBee協(xié)議棧體系　5.6 習題第6章 電子游戲用無線手柄　6.1 電子游戲用無線手柄電路原理　　6.1.1 模擬無線接收單元電路原理圖　　6.1.2 模擬無線手柄的電路原理圖　6.2 編譯、下載無線龍ZigBee協(xié)議棧　6.3 如何格式化一個星狀網(wǎng)絡　6.4 加入和開始ZigBee網(wǎng)絡　6.5 無線遙控器軟件C51源代碼　6.6 習題第7章 醫(yī)院健康監(jiān)視無線網(wǎng)絡　7.1 傳統(tǒng)的醫(yī)院監(jiān)控系統(tǒng)　7.2 醫(yī)院健康監(jiān)視無線網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件原理和實現(xiàn)　　7.2.1 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的電路原理圖　　7.2.2 RFD節(jié)點電路圖　7.3 傳感器的介紹及其軟件　7.4 編譯、下載無線龍ZigBee協(xié)議?！?.5 老人健康監(jiān)視無線網(wǎng)絡C51源代碼　　7.5.1 液晶驅(qū)動C51程序　　7.5.2 遙控器和主機按鍵電路與程序　　7.5.3 重要函數(shù)　　7.5.4 主程序　7.6 習題第8章 ZigBee無線玩具——電子釣魚竿　8.1 電子釣魚竿設計原理　8.2 MEMS加速傳感器　8.3 電子釣魚竿電路和實現(xiàn)　8.4 電子釣魚竿程序C51源代碼　　8.4.1 驅(qū)動程序　　8.4.2 按鍵電路及程序　　8.4.3 重要函數(shù)　　8.4.4 主程序及流程圖　8.5 習題第9章 節(jié)能型路燈自動控制無線網(wǎng)絡　9.1 路燈自動控制無線網(wǎng)絡原理和實現(xiàn)　9.2 系統(tǒng)各節(jié)點電路框圖　9.3 路燈自動控制無線阿絡程序C51源代碼　　9.3.1 液晶驅(qū)動程序　　9.3.2 按鍵電路和程序　　9.3.3 重要函數(shù)　　9.3.4 主程序及流程圖　9.4 習題附錄 習題參考答案參考文獻

章節(jié)摘錄

　　1.6.2 低功耗低速技術(shù)特點　　ZigBee技術(shù)是一種應用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的各種電子設備之間的無線通信技術(shù)。ZigBee這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式——蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通信技術(shù)的名稱。ZigBee過去又稱為HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為ZigBee技術(shù)?！　igBee是基于IEEE批準通過的802.15.4無線標準研制開發(fā)的。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負責制訂MlAC與PHY（物理層）規(guī)范；在2003年5月通過802.15.4標準，802.15.4任務小組目前在著手制訂802.15.4b標準，此標準主要是加強802.15.4標準，包括解決標準有爭議的地方，降低復雜度，提高適應性并考慮新頻段的分配等。ZigBee建立在802.15.4標準之上，它確定了可以在不同制造商之間共享應用的綱要。802.15.4僅僅定義了實體層和介質(zhì)訪問層，并不足以保證不同的設備之間可以對話，于是便有了ZigBee聯(lián)盟。　　ZigBee兼容的產(chǎn)品工作在IEEE 802.15.4的PHY上，其頻段是免費開放的，分別為-2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國）和868 MHz（歐洲）。采用ZigBee技術(shù)的產(chǎn)品可以在2.4 GHz上提供250 kb／s（16個信道）、在915 MHz提供40 kb／s（10個信道）和在868 MHz上提供20 kb／s（一個信道）的傳輸速率。它的傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，介于10-100 m之間，一般是30 m左右。由于ZigBee使用的是開放頻段，已有多種無線通信技術(shù)使用，因此為避免被干擾，各個頻段均采用直接序列擴頻技術(shù)。同時，PHY的直接序列擴頻技術(shù)允許設備無須閉環(huán)同步。　　在這3個不同頻段，都采用相位調(diào)制技術(shù)，2.4 GHz頻段采用較高階的QPSK調(diào)制技術(shù)以達到250 kb／s的速率，并縮短工作時間，以降低功率消耗；而在915 MHz和868 MHz頻段，則采用：BPSK的調(diào)制技術(shù)。相比較2.4 GHz頻段，900 MHz頻段為低頻頻段，無線傳播的損失較小，傳輸距離較長，其次此頻段過去主要是室內(nèi)無繩電話使用的頻段，現(xiàn)在因室內(nèi)無繩電話轉(zhuǎn)到2.4 GHz，干擾反而比較少?！　≡贛AC層上，主要沿用wLAN中802.11系列標準的CSMA／CA方式，以提高系統(tǒng)兼容性。所謂的CSM Al／CA，就是在傳輸之前，會先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸：若信道無數(shù)據(jù)傳輸，則開始進行數(shù)據(jù)傳輸；若產(chǎn)生碰撞，則稍后一段時間再重傳。

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