內容簡介
《Zig Bee技術與應用:CC2430設計、開發與實踐》從基礎理論、開發實踐以及應用三方麵論述瞭Zig Bee無綫網絡設計實現的關鍵技術、開發細節和具體應用,覆蓋瞭Zig Bee無綫技術的理論基礎、ZigBee無綫網絡的通信協議、Zig Bee網絡節點硬件平颱設計方法、嵌入式軟件開發實例、網絡定位原理與設計、Z-Stack軟件架構等內容,給齣瞭ZigBee技術在安全監控、醫療衛生和智能公交係統的應用實例和設計方法。
《Zig Bee技術與應用:CC2430設計、開發與實踐》主要針對有一定網絡和無綫通信技術基礎的中、高級讀者,適閤從事短距離無綫網絡通信技術理論研究、設備研製、工程應用、項目管理人員,以及高校計算機、通信、電子等專業高年級本科生和研究生參考使用,對從事無綫傳感器網絡、物聯網研究與研製的科研人員也有一定的藉鑒與參考價值。
內頁插圖
目錄
第一章 Zigl 技術概述
1.1 無綫傳感器網絡/003
1.1.1 無綫傳感器網絡概述/003
1.1.2 無綫傳感器網絡特點及關鍵技術/004
1.2 ZigBee技術概述/006
1.3 ZigBee網絡結構/007
1.3.1 ZigBee網絡體係/008
1.3.2 ZigBee網絡拓樸/008
1.4 ZigBee協議架構/009
1.5 ZigBee技術應用/010
第二章 IEEE802.15.4 標準
2.1 物理層規範/013
2.1.1 物理層功能概述/013
2.1.2 物理層服務規範/014
2.1.3 物理層數據格式/018
2.1.4 物理層常量和PIB屬性/018
2.2 媒體接人控製(MAC)層規範/019
2.2.1 MAC層服務規範/019
2.2.2 MAC層幀格式/020
2.2.3 MAC層命令幀/026
第三章 zigl 網絡及應用層
3.1 ZigBee網絡層/031
3.1.1 網絡層概況/031
3.1.2 網絡層功能及其實現/032
3.2 ZigBee應用層/040
3.2.1 應用層概述/040
3.2.2 ZigBee應用支持子層/044
3.2.3 ZigBee應用框架/045
3.2.4 ZigBee設備對象/046
第四章 安全服務規範
4.1 安全服務規範概述/050
4.2 MAC層安全服務/054
4.2.1 流齣MAC幀的安全處理/054
4.2.2 流入MAC幀的安全處理/055
4.2.3 與安全有關的MACPIB屬性/055
4.3 NWK層安全服務/056
4.3.1 流齣NWK幀的安全處理/056
4.3.2 流入NWK幀的安全處理/057
4.3.3 與安全有關的NIB屬性/057
第五章 ZigBee常用芯片
5.1 幾種常用的ZigBee射頻芯片介紹/061
5.1.1 MCl3192射頻芯片介紹/061
5.1.2 CC2420射頻芯片介紹/062
5.2 CC2430片上係統/062
5.2.1 CC2430概述/062
5.2.2 CC2430引腳介紹/064
5.2.3 CC2430的8051CPU介紹/066
5.2.4 CC2430外圍設備/075
5.2.5 CC2430無綫模塊/084
5.2.6 CC2431無綫定位引擎/085
5.3 CC2591射頻前端芯片/087
5.3.1 概述/087
5.3.2 引腳配置/088
5.3.3 內部結構及評估電路/089
第六章 基於CC2430的zieBee節點硬件設計技術
6.1 係統節點類型分類介紹/091
6.2 基於CC2430片上係統的監控子節點設計/092
6.2.1 監控子節點硬件結構/092
6.2.2 監控子節點電路設計/092
6.2.3 監控子節點PCB設計/094
6.2.4 監控子節點電路設計注意事項/094
6.2.5 監控子節點電源選擇及其相關性能指標/095
6.3 大功率路由節點設計/096
6.3.1 大功率路由節點硬件係統結構,/096
6.3.2 大功率路由節點電路設計/097
6.3.3 大功率路由節點PCB設計/099
6.3.4 大功率路由節點電路設計注意事項/099
6.4 基於CC2430和FC35i/MC39i的協調器節點設計/101
6.4.1 協調器節點硬件結構/101
6.4.2 協調器節點電路設計/102
6.4.3 監控子節點PCB設計/105
6.4.4 協調器節點電路設計注意事項及其性能指標/105
6.5 硬件平颱低功耗設計/106
6.6 調試測試方法/108
6.6.1 用戶監控子節點調試及測試/108
6.6.2 大功率路由節點調試及測試/110
6.6.3 協調器節點調試及測試/12
第七章 IAR嵌入式軟件開發係統及CC2430/243l程序設計
7.1 IAR開發環境介紹/115
7.2 IAR的安裝/116
7.3 IAR中工作區、工程的建立和文件的添加/116
7.3.1 工作區、工程的創建/116
7.3.2 文件添加和程序文件新建/117
7.4 IAR中工程參數選項的設置/119
7.5 編譯、鏈接、下載/121
7.5.1 仿真器安裝/122
7.5.2 進入調試/122
7.5.3 調試窗口管理/123
7.5.4 調試管理/123
7.6 基於IAR的CC24.3 0/2431軟件開發/125
7.6.1 I/O端口配置及寄存器設定/125
7.6.2 振蕩器和時鍾設定/127
7.6.3 電源模式及看門狗/129
7.6.4 中斷程序/130
7.6.5 定時器編程/131
7.6.6 串口通信/136
7.6.7 DMA傳輸/137
7.6.8 射頻收發/140
7.6.9 AES協處理器及隨機數發生器/143
7.6.1 0片內溫度、電壓讀取及ADC編程/145
7.6.1 1Flash讀寫/147
7.7 GSM/GPRS遠程通信程序設計/147
7.7.1 ZigBee中用於發送短信的相關代碼/147
7.7.2 ZigBee中用於接收短信的相關代碼/154
第八章 TIZ-Stack軟件架構及開發
8.1 Z-Stack軟件架構/159
8.1.1 係統初始化/159
8.1.2 操作係統的執行/160
8.1.3 在項目中組織Z-Stack文件/163
8.2 應用層開發/166
8.2.1 綁定/166
8.2.2 配置文件/167
8.2.3 端點/167
8.2.4 簇/167
8.3 網絡層開發/167
8.3.1 尋址/167
8.3.2 路由/169
第九章 zigBee無綫傳感器網絡定位技術
9.1 定位技術概述/172
9.2 CC2431定位引擎/174
9.2.1 基於RSSI技術的定位引擎/174
9.2.2 定位引擎的精確性/175
9.3 定位網絡的布置/176
……
應用篇
第十章 基於ZigBee網絡的樓宇安全監測係統
第十一章 基於ZigBee知智能公交係統
第十二章 基於ZigBee的病房號係統
參考文獻
精彩書摘
(2)網絡自組織。在無綫傳感器網絡應用中,通常情況下傳感器節點被部署在沒有基礎設施的地方。傳感器節點的位置不能預先精確設定,或者節點的位置不固定,是移動的;節點之間的相互鄰居關係也不能預先知道,甚至是隨時變化。這樣就要求傳感器節點具有自組織的能力,能夠自動進行配置和管理,通過拓撲控製機製和網絡協議自動形成轉發監測數據的多跳無綫網絡係統。
(3)多跳路由。網絡中節點通信距離有限,一般在幾十到幾百米範圍內,節點隻能與它的鄰居直接通信。如果希望與其射頻覆蓋範圍之外的節點進行通信,則需要通過中間節點進行路由。這樣每個節點既可以是信息的發起者,也可以是信息的轉發者。
(4)網絡動態性。無綫傳感器網絡是一個動態的網絡,節點可以隨處移動;一個節點可能會因為電池能量耗盡或其他故障,退齣網絡運行;一個節點也可能由於工作的需要而被添加到網絡中。網絡的拓撲結構總是處在變化當中。
(5)網絡以數據為中心。傳感器是傳感器網絡數據獲取的來源,沒有瞭傳感器采集的數據,網絡就失去瞭意義,所以通常說傳感器是一個以數據為中心的網絡。
(6)麵嚮應用的網絡。傳感器用來感知客觀物理世界,獲取物理世界的信息量。客觀世界的物理量多種多樣,不可窮盡。不同的傳感器應用關係不同的物理量,因此對傳感器的應用係統也有多種多樣的要求。網絡的部署是有目的性的,通常情況下是針對實際情況而設定的,沒有哪一種網絡可以適應所有應用場景,所以傳感器網絡是應用驅動的網絡。
2.無綫傳感器網絡的關鍵技術
無綫傳感器網絡是信息感知與采集和計算模式的一場革命,它作為一個全新的研究領域在基礎理論研究和工程技術研究兩個層麵上對科技工作者提齣瞭大量的挑戰性研究課題。主要的關鍵技術如下:
(1)網絡協議。傳感器節點能量十分有限,因此在網絡協議設計過程中要重點考慮功耗問題,因此降低能源消耗是無綫傳感器網絡設計中要考慮的最重要的方麵,大量研究錶明路由協議和MAC協議對無綫通信模塊的能量消耗起著關鍵影響。無綫傳感器網絡的MAC協議的主要目標是使節點公平、有效地共享無綫信道,避免多個節點同時發送數據産生衝突。網絡層路由協議需要解決通過局部信息來決策並優化全局行為(路由生成與路由選擇)的問題。衡量傳感器網絡路由性能的一個重要指標就是閤理地使用網絡中各個傳感器節點的有限能量,使得網絡保持連通性的時間更長。
前言/序言
前些年美國《商業周刊》評選齣瞭21世紀對改變世界最有影響力的十大科學技術,無綫傳感器網絡技術位列其中。無綫傳感器網絡技術將是繼因特網之後,對21世紀人類生活方式産生重大影響的IT技術之一。無綫傳感器網絡的齣現,將邏輯上的信息世界與客觀的物理世界融閤在一起,改變瞭人與機器、人與自然的交互方式,未來人們將通過無處不在的傳感器網絡觸摸自然、感知客觀世界,從而極大地擴展人類認識世界的能力。近幾年國外先後提齣瞭“智慧地球”、“泛在網絡”等概念,我國也提齣瞭“感知中國”的倡議,無綫傳感器網絡技術正是實現這些概念和倡議的基石。
Zig Bee是一種網絡容量大、節點體積小、低功耗、低速率的無綫通信技術,主要用來實現信息的采集與處理。由於Zig Bee網絡節點體積小,組網靈活,部署方便,功耗極低,所以適閤用來組建無綫傳感器網絡。2002年,英國Invensys公司、日本MitsLtbishi公司、美國摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦公司等發起成立瞭Zig Bee聯盟,推齣瞭Zig Bee協議標準。Zig Bee技術一齣現,立刻引起瞭廣泛的關注,世界各大半導體廠商紛紛推齣實現Zig Bee物理層功能的芯片。其中TI公司的C(22430/2431片上係統具備瞭實現Zig Bee技術的各種底層硬件需求,是真正的一體化解決方案,完全符閤Zig Bee技術對節點“體積小、功耗低”的要求,成為市場追捧的熱點。
有感於無綫傳感器網絡技術,特彆是Zig Bee技術的快速發展,筆者所在課題組在自。身教學、研究工作積纍的基礎上,精心編寫瞭本書,主要目的是想讓讀者分享我們的研究經驗及成果。本書精選瞭課題組在CC2430/2431片上係統上完成的Zig Bee傳感器網絡的軟硬件設計研究成果,內容豐富、深入淺齣,既有理論分析,又有實踐應用。書中給齣瞭一係列Zig Bee傳感器網絡硬件平颱的設計方法,以及基於此的各種應用設計;特彆要指齣的是,書中給齣瞭Zig Bee大功率節點融閤GSM/GPRS模塊節點開發的設計方法,這是本書的突齣特色。與同類書籍相比,本書理論與實踐並重,係統性強、實用性強,重點突齣課題組的研發實踐過程,並毫無保留地嚮讀者公開瞭我們設計中的獨到之處。
ZigBee技術與應用:CC2430設計、開發與實踐 探索低功耗無綫網絡的無限可能 在物聯網(IoT)蓬勃發展的浪潮下,無綫通信技術扮演著至關重要的角色。其中,ZigBee以其低功耗、低成本、低速率以及自組網能力等優勢,在智能傢居、工業自動化、智慧農業、醫療健康等眾多領域展現齣巨大的應用潛力。本書聚焦於ZigBee技術的核心——TI(德州儀器)公司推齣的CC2430芯片,係統性地闡述瞭CC2430的設計、開發與實踐,旨在為讀者提供一套全麵而深入的學習指南,使其能夠掌握ZigBee無綫通信的核心技術,並成功將其應用於實際項目中。 本書內容梗概: 本書內容涵蓋瞭從ZigBee協議棧的基礎理論,到CC2430硬件平颱的深入解析,再到實際項目開發的全過程。我們力求理論與實踐相結閤,通過詳實的講解和豐富的實例,幫助讀者構建起紮實的ZigBee技術功底,並具備獨立進行ZigBee係統設計與開發的能力。 第一部分:ZigBee技術基礎與CC2430芯片詳解 ZigBee協議棧深度解析: 物理層(PHY): 詳細介紹ZigBee的物理層特性,包括其采用的2.4GHz ISM頻段、調製解調方式(O-QPSK)、數據傳輸速率、信道劃分以及天綫設計的基本原則。理解物理層是保障無綫通信穩定性的基石,我們將深入探討信號傳播、乾擾抑製等關鍵技術。 MAC層(Medium Access Control): 深入剖析MAC層的職責,包括載波偵聽多路訪問/衝突避免(CSMA/CA)機製、信標(Beacon)幀、數據幀、確認幀等。我們將講解如何通過MAC層協議來管理節點的接入、數據的可靠傳輸以及網絡協調。 網絡層(NWK): 重點講解網絡層在ZigBee中的核心作用,包括設備尋址、路由發現(AODV)、路由維護、網絡加入與離開、組播與廣播等。理解網絡層的各種機製,是構建穩定、可擴展ZigBee網絡的關鍵。 應用層(APL): 介紹ZigBee應用層的架構,包括終端設備配置文件(Device Profiles)、應用對象(Application Objects)以及ZDO(ZigBee Device Object)。我們將重點講解如何利用應用層協議來實現各種智能設備的互聯互通。 ZigBee與IEEE 802.15.4標準的關係: 明確ZigBee協議棧與IEEE 802.15.4物理層和MAC層標準之間的對應關係,闡述ZigBee在802.15.4標準基礎上的擴展和增值。 CC2430芯片詳解: CC2430核心架構: 深入介紹CC2430的硬件架構,包括其高性能8051內核、2.4GHz射頻收發器、豐富的片上外設(ADC、Timers、UART、SPI、I2C、DMA等)。我們將分析這些組成部分如何協同工作,為ZigBee應用提供強大的支持。 射頻收發器工作原理: 詳細講解CC2430的射頻收發器的工作模式、參數配置以及關鍵特性,包括發送和接收的流程、靈敏度、輸齣功率、頻率閤成等。 片上外設功能與應用: 針對CC2430的ADC、定時器、通信接口(UART、SPI、I2C)等常用外設,進行逐一深入講解,並提供實際應用場景中的配置方法和編程技巧。例如,如何利用ADC采集傳感器數據,如何通過UART與PC或其它MCU通信,如何利用SPI/I2C連接外部芯片。 內存結構與管理: 介紹CC2430的FLASH、RAM等內存結構,以及如何進行有效的內存管理,包括程序代碼存儲、數據存儲以及變量分配。 低功耗模式詳解: CC2430在ZigBee應用中的一大優勢在於其卓越的低功耗性能。我們將詳細解析CC2430的各種低功耗模式(如Sleep Mode、Standby Mode等),以及如何根據應用需求進行優化配置,最大限度地延長設備續航時間。 第二部分:CC2430開發環境搭建與基礎應用 開發工具鏈介紹: IAR Embedded Workbench for 8051: 詳細介紹IAR EW8051集成開發環境的安裝、配置和基本使用方法,包括代碼編輯、編譯、調試等核心功能。 CC2430開發套件(Development Kit): 介紹TI提供的CC2430開發套件(如CC2430EMK),包括開發闆、評估模塊、USB接口適配器等,並說明其在開發過程中的作用。 ZigBee協議棧軟件(Z-Stack): 詳細介紹TI官方提供的Z-Stack協議棧,包括其架構、模塊化設計、API接口以及如何集成到CC2430項目中。我們將演示如何選擇和配置適閤的Z-Stack版本。 嵌入式C語言編程技巧: CC2430寄存器操作: 講解如何通過直接操作CC2430的寄存器來控製硬件功能,這是深入理解和高效利用芯片的關鍵。 中斷處理機製: 重點講解CC2430的中斷係統,包括中斷源、中斷嚮量、中斷服務函數(ISR)的設計與編寫,以及中斷優先級管理。 驅動程序開發: 演示如何編寫常用外設(如LED、按鍵、LCD、傳感器)的驅動程序,為後續應用開發打下基礎。 內存訪問與優化: 介紹C語言在嵌入式環境下進行內存訪問的注意事項,以及如何通過代碼優化提升程序性能和降低內存占用。 CC2430基礎實驗: LED閃爍與按鍵檢測: 最基礎的實驗,用於熟悉開發環境和GPIO控製。 UART通信實驗: 實現CC2430與PC之間的串口通信,用於數據交互和調試。 ADC數據采集實驗: 學習如何使用ADC模塊采集模擬信號,例如光照強度、溫度等。 定時器應用實驗: 掌握定時器的使用,例如實現延時、周期性任務等。 第三部分:ZigBee網絡構建與協議棧編程 ZigBee網絡節點類型: 詳細介紹ZigBee網絡中的三種節點類型:協調器(Coordinator)、路由器(Router)和終端設備(End Device),以及它們各自的角色和功能。 ZigBee網絡拓撲結構: 講解ZigBee支持的各種網絡拓撲結構,包括星型(Star)、樹型(Tree)和網狀型(Mesh),並分析它們的優缺點及適用場景。 CC2430 Z-Stack API應用: 網絡初始化與配置: 學習如何使用Z-Stack API來初始化ZigBee協議棧,配置網絡參數,如PAN ID、信道等。 設備加入與離開網絡: 演示如何實現設備加入網絡(形成網絡、掃描可用網絡、加入目標網絡)以及從網絡中離開。 數據傳輸 API: 重點講解Z-Stack提供的各種數據傳輸API,包括單播(Unicast)、廣播(Broadcast)、組播(Multicast)等,並解釋不同傳輸方式的特點和使用場景。 設備管理 API: 介紹Z-Stack中用於設備管理的API,如查詢鄰居節點、查詢路由錶等。 事件處理與迴調函數: 講解ZigBee通信過程中産生的各種事件(如數據接收、網絡狀態變化等),以及如何通過迴調函數來處理這些事件。 CC2430 ZigBee網絡實驗: 構建簡單的星型網絡: 實現一個協調器和幾個終端設備組成的星型網絡,實現終端設備嚮協調器發送數據。 構建樹型網絡: 引入路由器節點,構建樹型網絡,觀察數據在樹型結構中的傳輸路徑。 構建網狀網絡: 演示如何構建更復雜的網狀網絡,體驗ZigBee強大的自愈閤和路由能力。 低功耗終端設備設計: 針對終端設備,重點講解如何利用Z-Stack的低功耗特性,使設備在不工作時進入休眠狀態,僅在需要時喚醒。 第四部分:CC2430 ZigBee應用開發實戰 傳感器網絡應用: 無綫溫度、濕度監測係統: 設計並實現一套基於CC2430的無綫溫度、濕度監測係統,包括傳感器節點和數據收集節點。 智能照明控製係統: 開發一款無綫智能燈光控製器,可以通過ZigBee網絡遠程控製燈光的開關、亮度等。 環境空氣質量監測: 集成CO2、PM2.5等傳感器,構建無綫空氣質量監測解決方案。 智能傢居應用: 智能門鎖與安防係統: 探索將CC2430應用於無綫門鎖、門窗傳感器、人體紅外感應器等安防設備。 智能傢電遠程控製: 實現對空調、電視等傢電的無綫遠程控製,提升傢居生活的便捷性。 智能插座設計: 開發具有遠程開關、定時、功率監測功能的智能插座。 工業自動化與物聯網: 無綫數據采集與監控: 在工業現場部署CC2430節點,用於采集設備運行狀態、環境參數等數據,並通過ZigBee網絡傳輸到上位機進行監控。 資産追蹤與定位: 結閤CC2430的低功耗特性,為工業資産開發低功耗的追蹤標簽。 農業環境監測與控製: 在智慧農業場景中,利用CC2430監測土壤濕度、光照、溫度等,並實現對灌溉、施肥等設備的遠程控製。 通信協議擴展與優化: 與TCP/IP網絡的互聯: 講解如何通過網關設備(如基於Linux的嵌入式設備)將ZigBee網絡與現有的TCP/IP網絡連接,實現數據的互聯網傳輸。 ZigBee Mesh路由優化: 探討在大型ZigBee網絡中,如何優化路由算法,提高網絡的魯棒性和效率。 與其他無綫技術的協同: 簡要介紹ZigBee與其他無綫技術(如Wi-Fi、Bluetooth)的協同工作模式,拓展應用的可能性。 第五部分:進階主題與未來展望 ZigBee 3.0新特性: 介紹ZigBee 3.0相較於前版本的改進和新特性,包括統一的應用層模型、標準化的設備描述以及更好的互操作性。 低功耗設計與功耗優化策略: 深入探討更高級的低功耗設計技巧,包括硬件選型、軟件算法優化、電源管理策略等,以實現超低功耗應用。 安全性設計: 介紹ZigBee的安全特性,包括加密、認證等機製,以及如何在實際應用中設計安全的ZigBee係統。 OTA(Over-The-Air)升級: 講解如何實現CC2430 ZigBee設備的空中升級功能,方便後續的固件更新和維護。 ZigBee技術發展趨勢: 展望ZigBee技術在未來的發展方嚮,例如與AI、邊緣計算的結閤,以及在更多新興領域的應用。 本書特色: 理論與實踐並重: 每一部分都配以豐富的實驗和實例,確保讀者能夠將理論知識轉化為實際操作能力。 CC2430芯片深度剖析: 專注於TI CC2430芯片,提供最實用、最深入的硬件和軟件開發指南。 循序漸進的學習路徑: 從基礎概念到高級應用,由淺入深,適閤不同層次的讀者。 貼近實際項目開發: 案例設計來源於實際應用場景,幫助讀者快速上手並解決開發中的問題。 前沿技術展望: 涵蓋ZigBee 3.0等最新技術,為讀者提供未來的發展方嚮。 目標讀者: 電子工程、計算機科學、自動化等相關專業的在校學生。 嵌入式係統工程師、硬件工程師、軟件工程師。 對物聯網、智能傢居、無綫通信技術感興趣的愛好者。 需要開發ZigBee無綫應用的研發人員和項目經理。 本書將是您進入ZigBee技術領域,掌握CC2430芯片開發,並成功構建各類物聯網應用的理想指南。通過本書的學習,您將能夠 confidently地設計、開發和部署高效、可靠的低功耗無綫解決方案。