ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)

前言

　　作為與8051兼容的無線單片機(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。這些無線單片機(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。對于一般的點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)、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(yīng)用，以及學(xué)習(xí)無線通信知識、教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)通過無線聯(lián)系起來，包括各種傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線實(shí)時(shí)定位網(wǎng)絡(luò)、射頻識別網(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題：無線通信的標(biāo)準(zhǔn)化和對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾??！　【W(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化，通俗地說就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的互通性，各種不同功能的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要能相互交流、相互認(rèn)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(gè)互通的無線網(wǎng)絡(luò)，冰箱可能是日本的，電視是中國造，煙霧報(bào)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(rèn)識，才可以進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。這就需要一個(gè)所有制造廠家可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)，目前這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)就是IEEE 802.15.4——一個(gè)專門針對這類應(yīng)用的國際標(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)。無線網(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?！　?02.15.4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。

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(jī)為中心，介紹了802.15.4/ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和對該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。該書的重點(diǎn)不是講解802.15.4/ZigBee無線網(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無線網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目試驗(yàn)?！　”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(jī)硬件平臺上，自己動(dòng)手搭建一個(gè)ZigBee開發(fā)系統(tǒng)。從星狀無線網(wǎng)絡(luò)到復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，循序漸進(jìn)，讓對無線通信和無線網(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無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的原理，探究ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的奧秘?！　”緯勺鳛楦叩仍盒５挠?jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、無線等相關(guān)專業(yè)的教材，也適合廣大單片機(jī)、無線應(yīng)用、自動(dòng)化控制、無線傳感等領(lǐng)域的工程技術(shù)人員作為學(xué)習(xí)、參考用書。

書籍目錄

第1章 短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)　1.1 無線通信和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)廣闊的應(yīng)用前景　1.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(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 近短距無線傳輸（NFC）　1.4 典型的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹　?.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(luò)結(jié)構(gòu)　　1.4.8 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?.5 IEEE802.15.4短距離無線通信標(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 高可靠性的無線網(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無線單片機(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(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(shè)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(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)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(xí)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(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 無線龍精簡版ZigBee協(xié)議棧體系　5.6 習(xí)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?！?.3 如何格式化一個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)　6.4 加入和開始ZigBee網(wǎng)絡(luò)　6.5 無線遙控器軟件C51源代碼　6.6 習(xí)題第7章 醫(yī)院健康監(jiān)視無線網(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)視無線網(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、下載無線龍ZigBee協(xié)議?！?.5 老人健康監(jiān)視無線網(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無線玩具——電子釣魚竿　8.1 電子釣魚竿設(shè)計(jì)原理　8.2 MEMS加速傳感器　8.3 電子釣魚竿電路和實(shí)現(xiàn)　8.4 電子釣魚竿程序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)控制無線網(wǎng)絡(luò)　9.1 路燈自動(dòng)控制無線網(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)控制無線阿絡(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)備之間的無線通信技術(shù)。ZigBee這個(gè)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(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)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(fù)責(zé)制訂MlAC與PHY（物理層）規(guī)范；在2003年5月通過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)訪問層，并不足以保證不同的設(shè)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(fèi)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(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(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)備無須閉環(huán)同步。　　在這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(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：若信道無數(shù)據(jù)傳輸，則開始進(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。

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