具体描述
编辑推荐
好评如潮,累计销售上万册,自出版以来销量长期稳居无线传感网图书前列
结构严谨:从无线传感网络理论到CC2530无线单片机程序设计、从Z-Stack协议奥秘探索到无线传感网项目开发,完成一个完整的无线传感网络学习过程,送教学PPT和源码。
自构平台:不依赖任何厂商的硬件平台,自己的实验自己做主。
适用面广:不但适合ZigBee爱好者,更适合作为本专科教材
轻松活泼:语言通俗易懂,讲解风趣幽默,风格清新活泼,读来轻松自如,酣畅淋漓
实例丰富:每个知识点都列举实例进行讲解,尽可能避免枯燥乏味的理论解释
内容简介
《ZigBee技术与实训教程:基于CC2530的无线传感网技术/21世纪高等学校规划教材》以ZigBee无线传感网络技术为主要对象,以基于CC2530芯片(TI公司)为核心的硬件平台,在介绍了常用传感器编程的基础上,深入剖析了TI的Z-Stack协议栈架构和编程接口,并详细讲述了如何在此基础上开发自己的ZigBee项目。
《ZigBee技术与实训教程:基于CC2530的无线传感网技术/21世纪高等学校规划教材》可作为工程技术人员进行单片机、无线传感器网络应用、ZigBee技术等项目开发的学习、参考用书,也可作为高等院校高年级本科生或研究生计算机、电子、自动化、无线通信等课程的教材。
内页插图
目录
第1章 无线传感器网络
1.1 无线传感器网络概述
1.2 无线传感器网络的发展历程
1.3 无线传感器网络的研究现状和前景
1.4 无线传感器网络的特点
1.5 无线传感器网络体系结构
1.6 无线传感器网络的关键技术
1.7 无线传感器网络应用与发展
1.8 典型短距离无线通信网络技术
1.9 无线传感器网络的主要研究领域
第2章 IEEE802.15.4 无线传感器网络通信标准
2.1 IEEE802.15.4 标准概述
2.2 网络组成和拓扑结构
2.3 协议栈架构
2.4 物理层规范
2.5 MAC层规范
2.6 MAC/PHY信息交互流程
2.7 基于IEEE802.15.4 标准的无线传感器网络
第3章 ZigBee无线传感器网络通信标准
3.1 ZigBee标准概述
3.2 ZigBee技术特点
3.3 ZigBee协议框架
3.4 ZigBee网络层规范
3.5 ZigBee应用层规范
3.6 ZigBee安全服务规范
第4章 ZigBee开发平台
4.1 ZigBee硬件开发平台
4.1.1 CC2530射频模块
4.1.2 调试器接口
4.1.3 ZigBee学习板
4.2 ZigBee软件开发平台
4.2.1 IAR简介
4.2.2 IAR基本操作
第5章 CC2530基础实验
5.1 CC2530无线片上系统概述
5.1.1 CC2530芯片主要特性
5.1.2 CC2530的应用领域
5.1.3 CC2530概述
5.1.4 CC2530芯片引脚的功能
5.1.5 CC2530增强型8051内核简介
5.2 通用I/O端口
5.2.1 通用I/O端口简介
5.2.2 通用I/O端口相关寄存器
5.2.3 实验1:点亮LED
5.2.4 实验2:按键控制LED交替闪烁
5.3 外部中断
5.3.1 中断概述
5.3.2 中断屏蔽
5.3.3 中断处理
5.3.4 实验:按键中断控制LED
5.4 定时器
5.4.1 片内外设I/O
5.4.2 定时器简介
5.4.3 定时器1寄存器
5.4.4 定时器1操作
5.4.5 16位计数器
5.4.6 实验1:定时器1控制LED闪烁
5.4.7 定时器3概述
5.4.8 实验2:定时器1和定时器3同时控制LEDI和LED2以不同频率闪烁
5.5 1602型LCD
5.5.1 1602型LCD简介
5.5.2 1602型LCD管脚功能
5.5.3 1602型LCD的特性
5.5.4 1602型LCD字符集
5.5.5 1602型LCD基本操作程序
5.5.6 1602型LCD指令集
5.5.7 1602型LCD4线连接方式
5.5.8 实验:LCD显示实验
……
第6章 常用传感器
第7章 CC2530实现红外通信
第8章 Z-Stack协议栈
第9章 智能家居系统
第10章 智能温室系统
第11章 学生考勤管理系统
参考文献
前言/序言
无线传感器网络综合了传感器、嵌入式计算、现代网络及无线通信和分布式信息处理等技术,能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连通。传统的无线网络关心的是如何在保证通信质量的情况下实现最大的数据吞吐率,而无线传感器网络主要用于实现不同环境下各种缓慢变化参数的检测,通信速率并不是其主要考虑的因素,它最关心的问题是在体积小、布局方便以及能量有限的情况下尽可能地延续目前网络的生命周期。
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器)、间歇性数据(如照明控制)和重复低反应时间数据(如鼠标)。由于其节点体积小,且能自动组网,所以布局十分方便;又因其强调由大量的节点进行群体协作,网络具有很强的自愈能力,任何一个节点的失效都不会对整体任务的完成造成致命性影响,所以特别适合用来组建无线传感器网络。
用ZigBee技术来实现无线传感器网络,主要需要考虑通信节点的硬件设计,包括传感数据的获得及发送,以及实现相应数据处理功能所必需的应用软件开发。TI(德州仪器公司)的CC2530芯片实现ZigBee技术的优秀解决方案,完全符合ZigBee技术对节点“体积小、能耗低”的要求,另外,TI还提供了Z-Stack协议栈,尽可能地减轻了开发者的开发通信程序的工作量,使开发者能专注于实现业务逻辑。
编写本书的主要目的是从实训的角度使用CC2530芯片和Z-Stack协议栈来实现无线传感器网络,为读者解析用ZigBee技术开发无线传感器网络的各个要点,由浅入深地讲述如何开发具体的无线传感器网络系统。
* 内容概述
本书分为6个部分:
第1部分包括第1~3章,概述了无线传感器网络的基本理论,第1章概述了无线传感器网络的主要概念,第2章则主要介绍了IEEE 802.15.4无线传感器网络通信标准,第3章则主要介绍了ZigBee协议规范基础理论知识,使读者对无线传感器网络有整体上的认识。
第2部分包括第4章,讲述了开发具体项目所依赖的软硬件平台。
第3部分包括第5章,基于核心芯片CC2530内部硬件模块设计了若干个实验,使读者熟悉核心芯片CC2530的主要功能。
第4部分包括第6章和第7章,介绍如何使用CC2530控制各种常见的传感器。第6章讲述常用传感器数字温湿度传感器DHT11、光强度传感器模块等常见的传感器操作方法;第7章介绍使用CC2530实现红外信号的收发操作。
第5部分包括第8章,深入介绍Z-Stack协议栈,使读者初步掌握Z-Stack的工作机制,讲述了使用Z-Stack的一些基本概念,讲述了Z-Stack轮转查询式操作系统的工作原理,以及Z-Stack串口机制和绑定机制。
第6部分包括第9~11章,介绍了TI-Stack协议栈开发的三个项目,第9章为智能家居系统,第10章为智能温室系统,第11章为学生考勤管理系统。
* 相关资源
由于作者水平有限及对无线传感网络和ZigBee技术理解不深,书中难免有错误的地方,诚恳地希望读者批评指正。随着我们实训项目的不断完善,希望为读者提供更多的相关资料及错误修正,也是为了给ZigBee技术爱好者和学习者提供一个交流的平台,我们建设了一个专题论坛,网址为www.800dou.com,欢迎读者访问。
编者
2014年3月
《嵌入式系统设计与开发:基于ARM Cortex-M的实战指南》 前言 在当今快速发展的科技时代,嵌入式系统已经渗透到我们生活的方方面面,从智能手机、家用电器到工业自动化、汽车电子,无处不见它们的身影。理解并掌握嵌入式系统的设计与开发,尤其是以ARM Cortex-M系列微控制器为核心的平台,对于电子工程、计算机科学以及相关领域的专业人士和学习者而言,已成为一项至关重要的技能。 本书旨在为读者提供一个全面而深入的学习平台,帮助他们掌握嵌入式系统设计的核心理念、关键技术以及实际开发方法。我们选择ARM Cortex-M系列微控制器作为重点,是因为其广泛的应用、强大的性能、优秀的功耗表现以及丰富的生态系统,使其成为当前嵌入式领域最主流和最具代表性的平台之一。通过本书的学习,读者不仅能理解嵌入式系统的基本原理,更能动手实践,将理论知识转化为实际应用,解决现实世界中的工程问题。 本书内容涵盖了从基础的微控制器硬件原理,到高级的实时操作系统应用,再到复杂的嵌入式系统集成与优化。我们力求内容严谨、条理清晰,并通过大量的实例和实训项目,引导读者一步步构建属于自己的嵌入式系统。本书的目标是使读者在完成学习后,能够独立进行嵌入式产品的概念设计、原型开发、软件编写、硬件调试以及最终的产品优化,为他们未来的学习和职业发展打下坚实的基础。 第一篇 深入理解ARM Cortex-M微控制器 第一章 嵌入式系统概览与ARM Cortex-M架构 1.1 什么是嵌入式系统? 嵌入式系统的定义、特点与应用领域(消费电子、工业控制、通信设备、医疗仪器、汽车电子、物联网等)。 嵌入式系统的组成(硬件、软件、系统)。 嵌入式系统设计中的关键挑战(功耗、成本、性能、实时性、可靠性、安全性)。 嵌入式系统开发流程概述。 1.2 ARM处理器家族与Cortex-M系列 ARM处理器发展历程与演进。 ARM处理器不同架构(Cortex-A, Cortex-R, Cortex-M)的定位与区别。 ARM Cortex-M系列的优势:低功耗、高性能、高集成度、低成本、实时性。 Cortex-M系列主要型号介绍(Cortex-M0, M0+, M3, M4, M7, M33等)及其主要特性和适用场景。 Cortex-M系列微控制器(MCU)的核心特性:Thumb指令集、流水线、中断控制器(NVIC)、调试接口(SWD/JTAG)。 1.3 Cortex-M处理器内部结构与工作原理 ARMv7-M/ARMv8-M架构核心组件:CPU核、内存系统(SRAM, Flash)、总线接口(AHB, APB)。 CPU核心:指令解码、执行单元、寄存器文件。 内存管理单元(MMU)或内存保护单元(MPU)的概念与作用。 中断与异常处理机制:向量表、NVIC(Nested Vectored Interrupt Controller)详解、中断优先级、中断嵌套、中断服务程序(ISR)的编写与管理。 低功耗模式:Sleep Mode, Deep Sleep Mode 等。 时钟系统与复位机制。 第二章 嵌入式硬件基础与开发环境搭建 2.1 微控制器(MCU)硬件基础 MCU的核心组件:CPU、存储器(Flash, SRAM)、外围接口(GPIO, UART, SPI, I2C, ADC, DAC, Timer, PWM等)。 GPIO(General Purpose Input/Output)详解:输入输出模式、上拉/下拉电阻、开漏输出。 通信接口详解: UART/USART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter):波特率、数据位、停止位、校验位,异步通信原理。 SPI(Serial Peripheral Interface):主从模式、时钟极性(CPOL)、时钟相位(CPHA)。 I2C(Inter-Integrated Circuit):主从模式、地址机制、SDA/SCL线。 ADC(Analog-to-Digital Converter):采样率、分辨率、转换原理。 Timer/Counter:定时、计数、脉冲测量、PWM(Pulse Width Modulation)生成。 PWM(Pulse Width Modulation)原理及其在电机控制、LED亮度调节中的应用。 2.2 嵌入式开发工具链 集成开发环境(IDE):Keil MDK, IAR Embedded Workbench, STM32CubeIDE, PlatformIO等。 编译器(Compiler):GCC, Clang 等。 汇编器(Assembler)。 链接器(Linker)与链接脚本(Linker Script)的作用。 调试器(Debugger)与调试接口(JTAG, SWD)的工作原理。 固件下载工具(ST-Link, J-Link, CMSIS-DAP等)。 2.3 实训项目:点亮LED与基础GPIO控制 选择一款主流的Cortex-M系列开发板(例如STM32系列、NXP LPC系列)。 硬件连接与原理图分析。 使用IDE新建项目,配置时钟、GPIO。 编写C语言程序实现LED的闪烁(延时函数实现、定时器实现)。 编写C语言程序实现按键的输入检测与LED的联动控制。 理解中断驱动的按键输入。 第二篇 嵌入式软件设计与编程 第三章 C语言在嵌入式开发中的实践 3.1 C语言基础回顾与嵌入式开发特点 变量类型、数据结构、运算符、控制流(if, for, while, switch)。 函数、指针、数组、字符串。 结构体(struct)、联合体(union)、枚举(enum)。 宏定义(define)与条件编译(ifdef, ifndef, else, endif)。 嵌入式C语言的特殊性:位操作、直接硬件访问、内存地址操作、常量与变量的存储位置(FLASH, SRAM)。 3.2 嵌入式C语言编程技巧与陷阱 指针的深入应用:传递地址、多级指针。 结构体与联合体在硬件寄存器映射中的应用。 位域(Bit Field)的使用。 内存管理:栈(Stack)与堆(Heap)的概念,嵌入式系统中静态分配与动态分配。 易犯错误分析:野指针、内存泄漏、栈溢出、数组越界。 3.3 实训项目:UART通信与上位机交互 配置MCU的UART外设,设置波特率、数据格式。 编写程序实现MCU向PC发送字符串(例如“Hello, Embedded!”)。 编写程序实现MCU接收PC发送的指令,并根据指令控制LED状态。 使用串口调试助手(如SSCOM, PuTTY)进行联调。 实现简单的命令解析。 第四章 驱动程序设计与HAL库的使用 4.1 硬件抽象层(HAL)库的概念与优势 HAL库的作用:屏蔽底层硬件细节,提供统一的API接口,提高代码的可移植性。 主流MCU厂商提供的HAL库(如STM32 HAL库, NXP MCUXpresso SDK)。 HAL库的基本组成:外设驱动、系统服务、中间件。 4.2 常用外设驱动程序的设计与实现 GPIO驱动:初始化、读写状态、配置模式。 UART驱动:发送、接收、中断接收。 SPI/I2C驱动:主/从模式初始化、数据收发。 Timer/PWM驱动:定时器配置、PWM输出配置与控制。 ADC驱动:通道选择、转换模式、数据读取。 4.3 实训项目:利用HAL库实现SPI通信与传感器数据采集 选择一款SPI接口的传感器(如温度传感器、加速度传感器)。 查阅传感器数据手册,理解其SPI通信协议。 使用HAL库初始化SPI外设。 编写SPI通信函数,实现与传感器的握手和数据读取。 将采集到的传感器数据通过UART发送到PC。 深入理解HAL库提供的API函数及其参数。 第三篇 嵌入式实时操作系统(RTOS)与高级应用 第五章 实时操作系统(RTOS)基础与概念 5.1 什么是RTOS? RTOS的定义、特点与必要性。 RTOS在嵌入式系统中的作用:任务管理、资源调度、同步与通信。 硬实时与软实时的区别。 RTOS的常见功能模块:任务、信号量、互斥锁、队列、事件标志组、消息队列、定时器。 5.2 任务管理与调度 任务(Task)的概念:就绪态、运行态、阻塞态、挂起态。 任务的创建、删除、挂起、恢复。 调度算法:固定优先级调度、轮转调度、多优先级调度。 上下文切换(Context Switching)的原理与开销。 5.3 任务间同步与通信 临界段(Critical Section)的概念与保护。 中断与多任务的交互。 信号量(Semaphore):二值信号量、计数信号量,用于资源共享与同步。 互斥锁(Mutex):用于独占访问共享资源,解决优先级翻转问题。 队列(Queue):用于任务间传递数据,支持先进先出(FIFO)。 事件标志组(Event Flags):用于任务间的事件同步。 消息队列(Message Queue):比队列更灵活的数据传递方式。 5.4 RTOS的常见模型与选择 FreeRTOS:广泛应用、资源丰富、易于移植。 RT-Thread:国产RTOS,功能强大,生态完善。 uC/OS-III:可靠性高,曾广泛应用于中高端嵌入式系统。 选择RTOS时需要考虑的因素:资源占用、功能需求、生态支持、许可协议。 第六章 FreeRTOS实战应用 6.1 FreeRTOS核心API详解 任务管理API:`xTaskCreate`, `vTaskDelete`, `vTaskDelay`, `vTaskSuspend`, `vTaskResume`。 信号量API:`xSemaphoreCreateBinary`, `xSemaphoreGive`, `xSemaphoreTake`, `xSemaphoreCreateCounting`, `xSemaphoreGiveCounting`, `xSemaphoreTakeCounting`。 互斥锁API:`xSemaphoreCreateMutex`, `xSemaphoreGiveMutex`, `xSemaphoreTakeMutex`。 队列API:`xQueueCreate`, `xQueueSend`, `xQueueReceive`, `xQueueSendFromISR`, `xQueueReceiveFromISR`。 任务通知(Task Notifications)的应用。 6.2 实训项目:多任务并发控制与数据共享 创建两个或多个任务,例如一个LED闪烁任务、一个按键检测任务、一个数据处理任务。 使用FreeRTOS的延时函数实现任务的周期性执行。 使用信号量或互斥锁实现任务对共享资源(如LED、按键)的互斥访问。 使用队列实现任务间数据的传递,例如按键任务将按键状态传递给数据处理任务。 分析任务执行的优先级与调度过程。 6.3 实训项目:使用FreeRTOS实现简易通信协议栈 设计一个简单的基于UART的通信协议,用于MCU之间或MCU与PC之间的数据交互。 使用FreeRTOS的任务和队列,分别实现数据的发送和接收。 处理通信中的校验、帧同步等问题。 考虑使用FreeRTOS的定时器实现超时重传机制。 第四篇 嵌入式系统设计与优化 第七章 嵌入式系统通信协议与网络 7.1 嵌入式系统中的常见通信协议 串口通信:UART、RS232、RS485。 总线通信:SPI、I2C。 无线通信: 蓝牙(Bluetooth):经典蓝牙、低功耗蓝牙(BLE)。 Wi-Fi:嵌入式Wi-Fi模块(如ESP8266, ESP32)。 LPWAN(Low-Power Wide-Area Network):LoRa、NB-IoT。 (注意:本书不包含ZigBee内容,但可以介绍其他无线技术作为对比和扩展。) 工业通信协议:CAN总线、Ethernet/IP、Modbus。 7.2 TCP/IP协议栈在嵌入式系统中的应用 TCP/IP协议栈的基本概念:IP地址、端口号、TCP、UDP。 嵌入式TCP/IP协议栈的实现(如LwIP)。 HTTP、MQTT等应用层协议在嵌入式设备上的实现。 Socket编程基础。 7.3 实训项目:使用ESP32模块实现Wi-Fi连接与数据上传 选择一款集成Wi-Fi功能的ESP32开发板。 学习ESP32的AT指令集或SDK。 配置ESP32连接Wi-Fi热点。 使用HTTP协议将采集到的传感器数据上传到云服务器(如ThingSpeak, MQTT服务器)。 或者,实现ESP32作为Web服务器,提供一个简单的网页供用户访问和控制。 第八章 嵌入式系统调试、测试与优化 8.1 嵌入式系统调试技术 使用IDE集成的调试器(JTAG/SWD):断点设置、单步执行、观察变量、内存查看。 打印调试(Printf Debugging):利用UART输出调试信息。 逻辑分析仪(Logic Analyzer)与示波器(Oscilloscope)在硬件调试中的应用。 在线仿真(In-Circuit Emulator, ICE)与实时操作系统下的调试。 调试常见问题:程序跑飞、死锁、内存访问冲突。 8.2 嵌入式系统测试方法 单元测试:对单个函数或模块进行测试。 集成测试:测试多个模块协同工作。 系统测试:测试整个系统是否满足需求。 灰盒测试与黑盒测试。 自动化测试工具介绍。 8.3 嵌入式系统性能优化 代码优化:算法优化、循环优化、编译器优化选项。 内存优化:减少内存占用、合理使用数据结构。 功耗优化:关闭不使用的外设、使用低功耗模式、优化时钟。 实时性优化:减少中断响应时间、优化任务调度。 代码重构与可维护性。 8.4 实训项目:系统性能分析与功耗优化 使用性能分析工具(如IDE的性能分析器、RTOS提供的任务执行时间统计)分析程序的瓶颈。 通过代码修改或算法调整,提升程序的执行效率。 尝试实现不同功耗模式的切换,测量不同模式下的电流消耗。 优化程序逻辑,减少不必要的CPU占用,从而降低功耗。 第九章 嵌入式系统项目综合实战 9.1 项目需求分析与系统设计 如何从需求出发,进行系统功能分解。 软硬件协同设计的重要性。 选择合适的微控制器和外围设备。 系统架构设计:模块化、分层化。 9.2 实训项目:智能家居节点设计(例如温湿度监测与控制) 硬件设计: 选择一款Cortex-M系列的MCU。 集成温湿度传感器(如DHT11/DHT22,使用单总线通信,或I2C/SPI接口的传感器)。 集成一个执行器,例如控制继电器或LED指示灯。 (可选)集成一个无线通信模块,例如ESP32实现Wi-Fi连接,或者一个蓝牙模块。 软件设计: 使用HAL库驱动温湿度传感器和执行器。 (若使用RTOS)实现多任务,一个任务负责传感器数据采集,一个任务负责执行器控制,一个任务负责无线通信。 实现简单的数据上报功能,将温湿度数据通过无线传输到PC或云平台。 实现远程控制功能,通过无线指令控制执行器。 调试与测试: 完成所有模块的集成调试。 进行系统功能测试。 9.3 实训项目:基于嵌入式Web服务器的设备监控 选择一款支持TCP/IP协议栈的MCU(例如STM32F4系列配合LwIP,或ESP32)。 开发一个简单的Web服务器,能够提供一个网页。 网页能够实时显示MCU连接的传感器数据(例如ADC采集的电压值)。 网页提供简单的控制按钮,能够控制MCU的GPIO输出(例如点亮/熄灭LED)。 学习HTML、CSS、JavaScript等前端基础知识,用于构建Web界面。 附录 ARM Cortex-M系列指令集简介。 常用嵌入式开发术语表。 开发板选型参考。 结语 本书通过理论讲解与大量实战项目相结合的方式,力图为读者构建一个扎实的嵌入式系统设计与开发基础。掌握ARM Cortex-M系列微控制器及其开发流程,将为您在物联网、工业自动化、智能硬件等领域开启更广阔的职业道路。愿本书成为您学习旅程中的宝贵伙伴,祝您在嵌入式开发的道路上不断探索,取得丰硕的成果!