ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門(mén)與實(shí)戰(zhàn)

前言

　　作為與8051兼容的無(wú)線(xiàn)單片機(jī)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(shí)間是2004年，分別工作在300-1 000 MHz/2.4 GHz頻道，價(jià)格為30-50元/片左右。這些無(wú)線(xiàn)單片機(jī)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(yīng)用。對(duì)于一般的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)數(shù)傳和各種類(lèi)似無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、無(wú)線(xiàn)搖桿、簡(jiǎn)單遙控器、無(wú)線(xiàn)抄表等應(yīng)用，以及學(xué)習(xí)無(wú)線(xiàn)通信知識(shí)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等，直到今天仍然是很好的選擇?！　o(wú)線(xiàn)通信(這里主要指短距離無(wú)線(xiàn)通信和嵌入式無(wú)線(xiàn)通信)的發(fā)展，需要將更多的節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)聯(lián)系起來(lái)，包括各種傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)定位網(wǎng)絡(luò)、射頻識(shí)別網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)、安全監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)等。這就需要解決兩方面的問(wèn)題：無(wú)線(xiàn)通信的標(biāo)準(zhǔn)化和對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾??！　【W(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化，通俗地說(shuō)就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互通性，各種不同功能的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要能相互交流、相互認(rèn)識(shí)。舉例來(lái)說(shuō)，未來(lái)家庭中，各種家電將具有無(wú)線(xiàn)功能，匯集成一個(gè)互通的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，冰箱可能是日本的，電視是中國(guó)造，煙霧報(bào)警器可能來(lái)自美國(guó)，所有的家電通過(guò)無(wú)線(xiàn)匯集到家庭網(wǎng)關(guān)，必須相互認(rèn)識(shí)，才可以進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。這就需要一個(gè)所有制造廠(chǎng)家可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)，目前這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是IEEE 802.15.4——一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)這類(lèi)應(yīng)用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)?！　【W(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾?，主要是建立在IEEE 802.15.4之上的網(wǎng)絡(luò)層，包括各種網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以像一個(gè)星狀一樣連接，也可以像一個(gè)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(diǎn)進(jìn)行通信。這就需要在網(wǎng)絡(luò)層相互兼容，這就有了ZigBee——一套標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議規(guī)范。　　802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)是當(dāng)今世界的技術(shù)熱點(diǎn)，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(xué)習(xí)到這方面的知識(shí)。

內(nèi)容概要

本書(shū)分別以TI/CHIPCON公司的8051內(nèi)核無(wú)線(xiàn)片上系統(tǒng)（SoC）CC2430、 CC2431 ZigBee無(wú)線(xiàn)單片機(jī)為中心，介紹了802.15.4/ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和對(duì)該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。該書(shū)的重點(diǎn)不是講解802.15.4/ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理，而是實(shí)戰(zhàn)，即自己動(dòng)手進(jìn)行802.15.4/ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目試驗(yàn)?！　”緯?shū)從介紹802.15.4/ZigBee技術(shù)的概念開(kāi)始，讓讀者在CC2430、 CC2431無(wú)線(xiàn)單片機(jī)硬件平臺(tái)上，自己動(dòng)手搭建一個(gè)ZigBee開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。從星狀無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，循序漸進(jìn)，讓對(duì)無(wú)線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完全不熟悉的電子工程師能夠輕松上路，理解最新ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理，探究ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的奧秘?！　”緯?shū)可作為高等院校的計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教材，也適合廣大單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)應(yīng)用、自動(dòng)化控制、無(wú)線(xiàn)傳感等領(lǐng)域的工程技術(shù)人員作為學(xué)習(xí)、參考用書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章 短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)　1.1 無(wú)線(xiàn)通信和無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)廣闊的應(yīng)用前景　1.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)使用的頻譜和ISM開(kāi)放頻帶　1.3 典型的短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)　　1.3.1 ZigBee　　1.3.2 Wi-Fi　　1.3.3 藍(lán)牙（Bluetooth）　　1.3.4 超寬頻技術(shù)（UWB）　　1.3.5 近短距無(wú)線(xiàn)傳輸（NFC）　1.4 典型的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹　?.4.1 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)　　1.4.2 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的物理層規(guī)范　　1.4.3 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的頻段分配　　1.4.4 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的MAC層規(guī)范　　1.4.5 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的CSMA/CA協(xié)議　　1.4.6 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的工作原理　　1.4.7 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)　　1.4.8 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?.5 IEEE802.15.4短距離無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)　　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(luò)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(yīng)用前景　　1.6.2 低功耗低速技術(shù)特點(diǎn)　　1.6.3 高可靠性的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)　　1.6.4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜吐酚伞　?.6.5 安全和加密　　1.6.6 協(xié)議棧模式和應(yīng)用模式　1.7 習(xí)題第2章 CC2430/CC2431無(wú)線(xiàn)單片機(jī)　2.1 CC2430芯片的主要特點(diǎn)　2.2 CC2430芯片的引腳功能　2.3 CC2430片上8051內(nèi)核　　2.3.1 增強(qiáng)型8051內(nèi)核　　2.3.2 存儲(chǔ)空間　　2.3.3 特殊功能寄存器　2.4 CC2430的主要特征外設(shè)　　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(shí)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)　　2.6.1 清潔信道評(píng)估（CCA）　　2.6.2 無(wú)線(xiàn)直接頻譜技術(shù)（DSSS）　　2.6.3 載波偵聽(tīng)多點(diǎn)接入/避免沖撞（CSMA/CA）　2.7 CC2431芯片介紹　2.8 習(xí)題第3章 建立自己的zigBee無(wú)線(xiàn)硬件平臺(tái)　3.1 無(wú)線(xiàn)ZigBee硬件平臺(tái)的選擇　　3.1.1 選擇嵌入式無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)工具和平臺(tái)　　3.1.2 需要的設(shè)備和必要條件　3.2 ZigBee無(wú)線(xiàn)開(kāi)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(kuò)展無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng)　3.5 無(wú)線(xiàn)2.4GHz高頻模塊　3.6 硬件綜合測(cè)試SPP軟件　3.7 C51RF-3-F協(xié)議分析儀　3.8 習(xí)題第4章 建立自己的ZigBee無(wú)線(xiàn)軟件平臺(tái)　4.1 ZigBee軟件集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)　4.2 安裝IAR　4.3 創(chuàng)建一個(gè)工作區(qū)窗口　4.4 建立一個(gè)新工程　4.5 添加文件或新建程序文件　4.6 設(shè)置工程選項(xiàng)　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(dòng)——手動(dòng)　　4.8.2 安裝仿真器驅(qū)動(dòng)——自動(dòng)　　4.8.3 進(jìn)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(xí)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(luò)層　　5.3.1 網(wǎng)絡(luò)層概況　　　5.3.2 網(wǎng)絡(luò)層幀結(jié)構(gòu)　　5.3.3 網(wǎng)絡(luò)層功能介紹　5.4 ZigBee應(yīng)用層　5.5 無(wú)線(xiàn)龍精簡(jiǎn)版ZigBee協(xié)議棧體系　5.6 習(xí)題第6章 電子游戲用無(wú)線(xiàn)手柄　6.1 電子游戲用無(wú)線(xiàn)手柄電路原理　　6.1.1 模擬無(wú)線(xiàn)接收單元電路原理圖　　6.1.2 模擬無(wú)線(xiàn)手柄的電路原理圖　6.2 編譯、下載無(wú)線(xiàn)龍ZigBee協(xié)議棧　6.3 如何格式化一個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)　6.4 加入和開(kāi)始ZigBee網(wǎng)絡(luò)　6.5 無(wú)線(xiàn)遙控器軟件C51源代碼　6.6 習(xí)題第7章 醫(yī)院健康監(jiān)視無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)　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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件原理和實(shí)現(xiàn)　　7.2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的電路原理圖　　7.2.2 RFD節(jié)點(diǎn)電路圖　7.3 傳感器的介紹及其軟件　7.4 編譯、下載無(wú)線(xiàn)龍ZigBee協(xié)議?！?.5 老人健康監(jiān)視無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)C51源代碼　　7.5.1 液晶驅(qū)動(dòng)C51程序　　7.5.2 遙控器和主機(jī)按鍵電路與程序　　7.5.3 重要函數(shù)　　7.5.4 主程序　7.6 習(xí)題第8章 ZigBee無(wú)線(xiàn)玩具——電子釣魚(yú)竿　8.1 電子釣魚(yú)竿設(shè)計(jì)原理　8.2 MEMS加速傳感器　8.3 電子釣魚(yú)竿電路和實(shí)現(xiàn)　8.4 電子釣魚(yú)竿程序C51源代碼　　8.4.1 驅(qū)動(dòng)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(xí)題第9章 節(jié)能型路燈自動(dòng)控制無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)　9.1 路燈自動(dòng)控制無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)原理和實(shí)現(xiàn)　9.2 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)電路框圖　9.3 路燈自動(dòng)控制無(wú)線(xiàn)阿絡(luò)程序C51源代碼　　9.3.1 液晶驅(qū)動(dòng)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(xí)題附錄 習(xí)題參考答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.6.2 低功耗低速技術(shù)特點(diǎn)　　ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)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(shè)備之間的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。ZigBee這個(gè)名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式——蜜蜂通過(guò)跳ZigZag形狀的舞蹈來(lái)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的名稱(chēng)。ZigBee過(guò)去又稱(chēng)為HomeRF Lite、RF-EasyLink或FireFly無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，目前統(tǒng)稱(chēng)為ZigBee技術(shù)?！　igBee是基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802.15.4無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的。在IEEE 802.15.4方面，2000年12月IEEE成立了802.15.4小組，負(fù)責(zé)制訂MlAC與PHY（物理層）規(guī)范；在2003年5月通過(guò)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，802.15.4任務(wù)小組目前在著手制訂802.15.4b標(biāo)準(zhǔn)，此標(biāo)準(zhǔn)主要是加強(qiáng)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，包括解決標(biāo)準(zhǔn)有爭(zhēng)議的地方，降低復(fù)雜度，提高適應(yīng)性并考慮新頻段的分配等。ZigBee建立在802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，它確定了可以在不同制造商之間共享應(yīng)用的綱要。802.15.4僅僅定義了實(shí)體層和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層，并不足以保證不同的設(shè)備之間可以對(duì)話(huà)，于是便有了ZigBee聯(lián)盟?！　igBee兼容的產(chǎn)品工作在IEEE 802.15.4的PHY上，其頻段是免費(fèi)開(kāi)放的，分別為-2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國(guó)）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(gè)信道）、在915 MHz提供40 kb／s（10個(gè)信道）和在868 MHz上提供20 kb／s（一個(gè)信道）的傳輸速率。它的傳輸范圍依賴(lài)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(kāi)放頻段，已有多種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)使用，因此為避免被干擾，各個(gè)頻段均采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)。同時(shí)，PHY的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)允許設(shè)備無(wú)須閉環(huán)同步?！　≡谶@3個(gè)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(dá)到250 kb／s的速率，并縮短工作時(shí)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(wú)線(xiàn)傳播的損失較小，傳輸距離較長(zhǎng)，其次此頻段過(guò)去主要是室內(nèi)無(wú)繩電話(huà)使用的頻段，現(xiàn)在因室內(nèi)無(wú)繩電話(huà)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(biāo)準(zhǔn)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(huì)先檢查信道是否有數(shù)據(jù)傳輸：若信道無(wú)數(shù)據(jù)傳輸，則開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；若產(chǎn)生碰撞，則稍后一段時(shí)間再重傳。

編輯推薦

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