ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程

前言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)是集傳感器、無(wú)線(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)于一體的信息獲取與處理技術(shù)。傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)關(guān)心的是如何在保證通信質(zhì)量的情況下實(shí)現(xiàn)最大的數(shù)據(jù)吞吐率，而無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下各種緩慢變化參數(shù)的檢測(cè)，通信速率并不是其主要考慮的因素，它最關(guān)心的問(wèn)題是在體積小、布局方便以及能量有限的情況下盡可能地延續(xù)其生命周期。　　ZigBee是一種網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點(diǎn)體積小、架構(gòu)簡(jiǎn)單、低速率、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。由于其節(jié)點(diǎn)體積小，且能自動(dòng)組網(wǎng)，所以布局十分方便；又因其強(qiáng)調(diào)由大量的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行群體協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自愈能力，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的失效都不會(huì)對(duì)整體任務(wù)的完成造成致命性影響，所以特別適合用來(lái)組建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)?！　∮肸igBee技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，主要需要考慮通信節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，以及實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能所必需的軟件開(kāi)發(fā)。TI（德州儀器公司）的C（22430／31芯片具備了實(shí)現(xiàn)ZigBee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ZigBee技術(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)“體積小”的要求，另外，TI還提供了Z—Stack協(xié)議棧，盡可能地減輕了軟件開(kāi)發(fā)的工作量?！　【帉?xiě)本書(shū)的主要目的是利用C（22430／31 SoC，基于Z—Stack協(xié)議棧，為讀者解析用Zig—Bee技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)要點(diǎn)，由淺人深地講述如何開(kāi)發(fā)具體的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?！　”緯?shū)分為五篇：理論篇、準(zhǔn)備篇、入門(mén)篇、進(jìn)階篇和提高篇?！　±碚撈ǖ?、2章）：第1章概述了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，第2章則主要介紹了ZigBee協(xié)議規(guī)范基礎(chǔ)理論知識(shí)，使讀者對(duì)這兩個(gè)概念有整體上的認(rèn)識(shí)?！　?zhǔn)備篇（第3、4章）：本篇的主要目的是為基于ZigBee技術(shù)開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品做一些準(zhǔn)備工作。第3章講述了開(kāi)發(fā)具體項(xiàng)自所基于的軟硬件平臺(tái)；第4章則基于核心芯片C2430／31設(shè)計(jì)了幾個(gè)實(shí)驗(yàn)，使讀者先能熟悉核心芯片內(nèi)部的各個(gè)具體硬件模塊。　　入門(mén)篇（第5、6章）：在準(zhǔn)備篇把開(kāi)發(fā)具體產(chǎn)品所需要的基礎(chǔ)講解清楚以后，從本篇開(kāi)始深入介紹TZ—Stack協(xié)議棧，使讀者掌握Z(yǔ)igBee協(xié)議是如何用軟件代碼實(shí)現(xiàn)的。第5章用一個(gè)通俗易懂的例子講述了輪轉(zhuǎn)查詢(xún)式操作系統(tǒng)的工作原理，隨后介紹了這種操作系統(tǒng)在TI Z—Stack中的應(yīng)用；第6章講述了使用Z—Stack所必須了解的一些基本概念?！　∵M(jìn)階篇（第7、8章）：本篇通過(guò)Z—Stack中自帶的兩個(gè)例子給讀者演示如何建立簡(jiǎn)單的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了ZigBee協(xié)議規(guī)范的幾個(gè)重要概念在Z—Stack中的代碼實(shí)現(xiàn)?！　?。

內(nèi)容概要

本書(shū)以ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為主要對(duì)象，以基于CC2430/31芯片（TI/Chipcon公司）的HFZCC2430/31ZDK開(kāi)發(fā)套件為硬件平臺(tái)，深入剖析了TI的ZStack協(xié)議棧架構(gòu)和編程接口，并詳細(xì)講述了如何在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)自己的ZigBee項(xiàng)目。本書(shū)分為5個(gè)篇章：理論篇、準(zhǔn)備篇、入門(mén)篇、進(jìn)階篇和提高篇。理論篇簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee協(xié)議規(guī)范的基礎(chǔ)知識(shí)，為讀者進(jìn)行ZigBee項(xiàng)目開(kāi)發(fā)提供理論指導(dǎo)，以便開(kāi)發(fā)時(shí)參考；準(zhǔn)備篇講述了ZigBee硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)、軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的組成和安裝，以及通過(guò)17個(gè)CC2430/31片內(nèi)外設(shè)的操作例程來(lái)闡述CC2430/31片上系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和使用；入門(mén)篇以一個(gè)通俗易懂的例子講述了輪轉(zhuǎn)查詢(xún)式操作系統(tǒng)的基本原理，并介紹了這種操作系統(tǒng)在TI ZStack中的應(yīng)用以及TI ZStack的用戶(hù)編程接口；進(jìn)階篇通過(guò)幾個(gè)例子演示如何建立簡(jiǎn)單的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并詳細(xì)闡述了ZigBee協(xié)議規(guī)范的幾個(gè)重要概念在TI ZStack的代碼實(shí)現(xiàn)；提高篇通過(guò)智能家居系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸系統(tǒng)、工業(yè)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)等典型的ZigBee技術(shù)解決方案，詳細(xì)介紹了如何開(kāi)發(fā)實(shí)際的ZigBee項(xiàng)目。    本書(shū)可作為工程技術(shù)人員進(jìn)行單片機(jī)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、ZigBee技術(shù)等項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的學(xué)習(xí)、參考用書(shū)，也可作為高等院校高年級(jí)本科生或研究生計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)化、無(wú)線(xiàn)通信等課程的教材。

書(shū)籍目錄

理論篇　第1章 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)概述　　1.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程　　1.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀和前景　　　1.2.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀　　　1.2.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究前景　　1.3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)　　1.4 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)　　　1.4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)　　　1.4.2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議　　　1.4.3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)　　1.5 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)　　1.6 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用　　1.7 典型短距離無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)　　　1.7.1 幾種近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)　　　1.7.2 短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的比較　第2章 IEEE 802.15.4/ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)　　2.1 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)　　　2.1.1 IEEE 802.15.4主要特點(diǎn)　　　2.1.2 物理層（PHY）規(guī)范　　　2.1.3 媒體介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層（MAC）規(guī)范　　　2.1.4 分層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)介紹　　2.2 ZigBee技術(shù)概述　　　2.2.1 網(wǎng)絡(luò)層（NWK）規(guī)范　　　2.2.2 應(yīng)用層（APL）規(guī)范　　　2.2.3 ZigBee協(xié)議棧各層幀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系　　　2.2.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置　　　2.2.5 ZigBee協(xié)議術(shù)語(yǔ)　　　2.2.6 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制準(zhǔn)備篇　第3章 ZigBee開(kāi)發(fā)平臺(tái)　　3.1 ZigBee硬件平臺(tái)介紹　　　3.1.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開(kāi)發(fā)套件　　　3.1.2 HFZSmartRF04EB母板　　　3.1.3 HFZCC2430/31EM模塊　　　3.1.4 HFZSoC_BB（電池板）　　3.2 ZigBee開(kāi)發(fā)軟件介紹　　　3.2.1 IAR EW8051集成開(kāi)發(fā)環(huán)境及其使用說(shuō)明　　　3.2.2 ZigBee2006協(xié)議?！　　?.2.3 SmartRF Flash Programmer軟件　　　3.2.4 ZigBee協(xié)議分析儀軟件Packet Sniffer　　　3.2.5 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)圖形監(jiān)視軟件　第4章 CC2430基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)　　4.1 CC2430芯片概述　　　4.1.1 主要特性　　　4.1.2 CC2430/31芯片引腳的功能　　　4.1.3 增強(qiáng)型8051內(nèi)核　　4.2 通用數(shù)字I/O接口　　　4.2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹　　?.2.2 實(shí)驗(yàn)原理及代碼　　　4.2.3 實(shí)驗(yàn)演示　　4.3 點(diǎn)陣式LCD驅(qū)動(dòng)　　　4.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹　　?.3.2 實(shí)驗(yàn)原理及代碼　　　4.3.3 實(shí)驗(yàn)演示　　4.4 時(shí)鐘模式　　　4.4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹　　?.4.2 實(shí)驗(yàn)原理及代碼　　4.4.3 實(shí)驗(yàn)演示　　……入門(mén)篇　第5章 TI ZStack軟件架構(gòu)　第6章 TI ZStack開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)進(jìn)階篇　第7章 ZigBee基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（SimpleApp）　第8章 ZigBee基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)（HomeAutomation）提高篇　第9章 智能家居演示系統(tǒng)　第10章 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸系統(tǒng)　第11章 工業(yè)氣體檢測(cè)系統(tǒng)　第12章 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)附錄　附錄A ZigBee協(xié)議棧中常用的API　附錄B 網(wǎng)絡(luò)層信息庫(kù)屬性　附錄C 光盤(pán)目錄參考文獻(xiàn)本書(shū)編委會(huì)

章節(jié)摘錄

　　3.動(dòng)態(tài)性網(wǎng)絡(luò)　　傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能因?yàn)橄铝幸蛩囟淖儯孩侪h(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或失效；②環(huán)境條件變化可能造成無(wú)線(xiàn)通信鏈路帶寬變化，甚至?xí)r斷時(shí)通；③傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器、感知對(duì)象和觀察者這三要素都可能具有移動(dòng)性；④新節(jié)點(diǎn)的加入要求傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能適應(yīng)這種變化，具有動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)可重構(gòu)性?！　?.以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)　　傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)任務(wù)型的網(wǎng)絡(luò)，脫離傳感器網(wǎng)絡(luò)談?wù)搨鞲衅鞴?jié)點(diǎn)沒(méi)有任何意義。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)采用編號(hào)標(biāo)識(shí)，但節(jié)點(diǎn)編號(hào)是否需要取決于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，構(gòu)成的傳感器與節(jié)點(diǎn)編號(hào)之間的關(guān)系是完全動(dòng)態(tài)的，表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)位置沒(méi)有必然聯(lián)系。用戶(hù)使用傳感器網(wǎng)絡(luò)查詢(xún)事件時(shí)，直接將所關(guān)心的事件通告給網(wǎng)絡(luò)，而不是通告給某個(gè)確定編號(hào)的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)在獲得指定事件的信息后匯報(bào)給用戶(hù)。這種以數(shù)據(jù)本身作為查詢(xún)或者傳輸線(xiàn)索的思想更接近于自然語(yǔ)言交流的習(xí)慣。所以通常說(shuō)傳感器是一個(gè)以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)?！　±?，在應(yīng)用于目標(biāo)跟蹤的傳感器網(wǎng)絡(luò)中，跟蹤目標(biāo)可能出現(xiàn)在任何地方，對(duì)目標(biāo)感興趣的用戶(hù)只關(guān)心目標(biāo)出現(xiàn)的位置和時(shí)間，并不關(guān)心哪個(gè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到了目標(biāo)。事實(shí)上，在目標(biāo)移動(dòng)的過(guò)程中，必然是由不同的節(jié)點(diǎn)提供目標(biāo)的位置信息?！　?.應(yīng)用相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)　　傳感器用來(lái)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)心不同的物理量，因此對(duì)傳感器的應(yīng)用系統(tǒng)也有多種多樣的要求。　　不同的應(yīng)用背景對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求不同，其硬件平臺(tái)、軟件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必然會(huì)有很大差異。所以傳感器網(wǎng)絡(luò)不能像Internet那樣，有統(tǒng)一的通信協(xié)議平臺(tái)。對(duì)于不同的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用雖然存在一些共性問(wèn)題，但在開(kāi)發(fā)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，更關(guān)心的是傳感器網(wǎng)絡(luò)的差異。只有讓系統(tǒng)更貼近應(yīng)用，才能做出更高效的目標(biāo)系統(tǒng)。

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