物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)

立足當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢、核心技術(shù)及其在智能家居領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，將技術(shù)熱點與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，按照無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)流程編寫。

以實際應(yīng)用為中心，按照實際項目的開發(fā)流程，并結(jié)合智能家居典型開發(fā)項目案例，由淺入深、循序漸進地講解無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)流程和實用技術(shù)。

書中的程序?qū)嵗�已全部通過了蘇州創(chuàng)健電子科技有限公司生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)ZigBee開發(fā)套件的測試。

前 言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，隨著信息科學(xué)和計算機的飛速發(fā)展，“物聯(lián)網(wǎng)”被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮。這使得物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的相關(guān)人才成為了當(dāng)今較為緊缺的人才。同時國內(nèi)市場上有關(guān)無線傳感網(wǎng)絡(luò)開發(fā)方面的書籍也不少，但幾乎沒有一本是集物聯(lián)網(wǎng)感知層、傳輸層和應(yīng)用層三大技術(shù)于一體進行完整講解和設(shè)計實現(xiàn)的。

物聯(lián)網(wǎng)的一個基本特征就是無處不在、無所不知。物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)是發(fā)展綠色全無線技術(shù)，包括感知、通訊等。不僅要求功耗極低，而且要求具備全無線覆蓋、高可靠連接、強安全通訊、大組網(wǎng)規(guī)模、能自我修復(fù)等功能。具體到智能家居系統(tǒng)應(yīng)用就是要求安裝非常簡單，維護和使用非常方便，擴展隨心所欲。

ZigBee是一種網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點體積小、架構(gòu)簡單、低速率、低功耗的無線通信技術(shù)。由于其節(jié)點體積小，且能自動組網(wǎng)，所以布局十分方便；又因其強調(diào)由大量的節(jié)點進行群體協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)具有很強的自愈能力，任何一個節(jié)點的失效都不會對整體任務(wù)的完成造成嚴重影響，所以特別適合用來組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

用ZigBee技術(shù)來實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，主要需要考慮通信節(jié)點的硬件設(shè)計，以及實現(xiàn)相應(yīng)功能所需要的軟件開發(fā)。德州儀器公司（TI）的CC2530無線單片機是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，同時完全符合ZigBee技術(shù)對節(jié)點“體積小”的要求。此外，TI還提供了Z-Stack協(xié)議棧，盡可能地減輕了軟件開發(fā)的工作量。在上位機系統(tǒng)方面，Qt提供了簡單易用且功能強大的跨平臺開發(fā)環(huán)境。

本書立足當(dāng)前無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢、核心技術(shù)及其在智能家居領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，將技術(shù)熱點與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，以實際應(yīng)用為中心，按照實際項目的開發(fā)流程，并結(jié)合智能家居典型開發(fā)項目案例，由淺入深、循序漸進地講解無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)流程和實用技術(shù)。

本書按照無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的開發(fā)流程分成七章，分別為物聯(lián)網(wǎng)與智能家居，ZigBee軟硬件開發(fā)平臺，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)基礎(chǔ)，ZigBee無線數(shù)據(jù)通信的設(shè)計與實現(xiàn)，基于ZigBee的溫濕度采集、燈光及風(fēng)扇控制系統(tǒng)，基于ZigBee的光照采集、窗簾控制系統(tǒng)，基于ZigBee的煙霧、紅外檢測遠程短信報警系統(tǒng)。

第1章主要介紹了物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)框架、智能家居的發(fā)展前景及與ZigBee技術(shù)的聯(lián)系。

第2章主要對ZigBee開發(fā)平臺進行了全面的講解，包括ZigBee通信節(jié)點開發(fā)板、IAR集成開發(fā)環(huán)境、相關(guān)驅(qū)動和協(xié)議棧的安裝、Qt跨平臺開發(fā)環(huán)境等。

第3章主要分析了ZigBee技術(shù)的概念、特點、原理、發(fā)展前景及應(yīng)用領(lǐng)域，重點介紹了TI Z-Stack協(xié)議棧的軟件架構(gòu)和開發(fā)基礎(chǔ)。

第4章主要介紹了如何利用Z-Stack協(xié)議棧進行實際的無線數(shù)據(jù)通信實驗，重點講解了ZigBee協(xié)議棧數(shù)據(jù)通信中幾個重要的函數(shù)和協(xié)議棧串口通信的實現(xiàn)方法。

第5、6、7章是本書的技術(shù)重點和難點，主要介紹了無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程，重點以溫濕度傳感器節(jié)點、光敏傳感器節(jié)點、煙霧傳感器節(jié)點和紅外熱釋電傳感器節(jié)點為例，介紹了節(jié)點的工作原理、步進電機、GPRS模塊等執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動設(shè)計方法，以及協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點協(xié)議棧程序的具體開發(fā)過程。此外，每章的最后一節(jié)都配有詳細的PC端Qt人機界面控制系統(tǒng)的編程設(shè)計實現(xiàn)方法。

本書內(nèi)容體系完整，案例詳實，敘述風(fēng)格平實、通俗易懂，書中的程序?qū)嵗�已全部通過了蘇州創(chuàng)健電子科技有限公司生產(chǎn)的物聯(lián)網(wǎng)ZigBee開發(fā)套件的測試，在此特別感謝宋林桂老師在硬件平臺的搭建和測試中給予的幫助。通過對本書的學(xué)習(xí)，讀者可以快速掌握和提高無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層的開發(fā)能力和Qt上位機軟件的實際應(yīng)用水平。希望每位讀者在學(xué)習(xí)完本書后能獨立動手進行無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與開發(fā)。

由于時間倉促及作者水平有限，書中錯誤和不妥之處在所難免，敬請廣大讀者批評指正。

作 者

2015年1月

前言

第1章 物聯(lián)網(wǎng)與智能家居 1
1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ) 1
1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡介 1
1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用前景 3
1.2 智能家居概述 6
1.2.1 什么是智能家居 6
1.2.2 智能家居發(fā)展的特點和方向 7
1.3 智能家居的功能、結(jié)構(gòu)和特點 8
1.3.1 智能家居的功能 8
1.3.2 智能家居的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 9
1.3.3 智能家居主要子系統(tǒng)功能描述 10
本章小結(jié) 12
第2章 ZigBee軟硬件開發(fā)平臺 13
2.1 ZigBee硬件開發(fā)平臺 13
2.1.1 核心板硬件資源 15
2.1.2 底板硬件資源 16
2.2 ZigBee物聯(lián)網(wǎng)軟件開發(fā)平臺的搭建 19
2.2.1 IAR集成開發(fā)環(huán)境簡介 19
2.2.2 IAR操作指南 25
2.2.3 驅(qū)動程序的安裝 34
2.2.4 TI Z-Stack協(xié)議棧的安裝、編譯和
下載 37
2.2.5 Qt Creator跨平臺開發(fā)環(huán)境的安裝 39
本章小結(jié) 44
第3章 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)開發(fā)基礎(chǔ) 45
3.1 無線通信基礎(chǔ) 45
3.2 ZigBee概念與特點 48
3.3 ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò) 49
3.4 幾種短距離無線通信技術(shù) 50
3.5 ZigBee技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域 54
3.6 TI Z-Stack軟件架構(gòu) 57
3.6.1 系統(tǒng)初始化 58
3.6.2 操作系統(tǒng)的執(zhí)行 60
3.6.3 Z-Stack項目文件組織架構(gòu) 64
3.7 TI Z-Stack開發(fā)基礎(chǔ) 68
3.7.1 ZigBee設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信類型 68
3.7.2 ZigBee協(xié)議體系結(jié)構(gòu) 69
3.7.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)基本概念 71
3.7.4 應(yīng)用層開發(fā)基本概念 73
3.7.5 網(wǎng)絡(luò)層開發(fā)基本概念 75
本章小結(jié) 80
第4章 ZigBee無線數(shù)據(jù)通信的設(shè)計與實現(xiàn) 81
4.1 ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用層關(guān)鍵函數(shù)解析 81
4.2 ZigBee協(xié)議棧串口通信功能的實現(xiàn) 86
4.2.1 串行通信簡介 86
4.2.2 串行數(shù)據(jù)傳輸 88
4.2.3 ZigBee協(xié)議棧串口功能的應(yīng)用實現(xiàn) 89
4.3 ZigBee無線數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn) 94
4.3.1 實驗原理解析 95
4.3.2 ZigBee單播通信的實現(xiàn) 102
4.3.3 ZigBee串口無線透傳功能的實現(xiàn) 106
本章小結(jié) 111
第5章 基于ZigBee的溫濕度采集、燈光及
風(fēng)扇控制系統(tǒng) 112
5.1 系統(tǒng)基本原理及硬件設(shè)計 112
5.1.1 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器簡介 112
5.1.2 DHT11硬件設(shè)計 113
5.1.3 DHT11傳感器驅(qū)動程序的設(shè)計 115
5.2 ZigBee協(xié)調(diào)器程序功能實現(xiàn) 121
5.3 ZigBee終端節(jié)點程序功能實現(xiàn) 123
5.4 下載和調(diào)試通信程序 128
5.5 PC端Qt圖形交互ZigBee采集控制
系統(tǒng)設(shè)計 128
5.5.1 ZigBee采集控制系統(tǒng)功能設(shè)計 128
5.5.2 ZigBee采集控制系統(tǒng)串口編程 130
5.6 PC端Qt圖形交互ZigBee采集控制
系統(tǒng)實現(xiàn) 133
5.6.1 ZigBee采集控制系統(tǒng)窗體界面設(shè)計 133
5.6.2 ZigBee采集控制系統(tǒng)窗體界面
功能實現(xiàn) 143
本章小結(jié) 148
第6章 基于ZigBee的光照采集、窗簾控制
系統(tǒng) 149
6.1 系統(tǒng)基本原理及硬件設(shè)計 149
6.1.1 光敏傳感器簡介 149
6.1.2 光敏傳感器驅(qū)動電路設(shè)計 151
6.1.3 步進電機簡介 152
6.1.4 步進電機控制接口電路 155
6.2 ZigBee協(xié)調(diào)器程序功能實現(xiàn) 155
6.3 ZigBee終端節(jié)點程序功能實現(xiàn) 157
6.3.1 ZigBee光敏終端節(jié)點程序功能
實現(xiàn) 157
6.3.2 ZigBee步進電機終端節(jié)點程序
功能實現(xiàn) 159
6.4 下載和調(diào)試通信程序 161
6.5 PC端Qt圖形交互ZigBee光照度采集
控制系統(tǒng)實現(xiàn) 162
6.5.1 ZigBee光照度采集控制系統(tǒng)窗體
界面設(shè)計 162
6.5.2 ZigBee光照度采集控制系統(tǒng)窗體
界面功能實現(xiàn) 173
本章小結(jié) 180
第7章 基于ZigBee的煙霧、紅外檢測遠程
短信報警系統(tǒng) 181
7.1 系統(tǒng)基本原理及硬件設(shè)計 181
7.1.1 氣敏傳感器簡介 181
7.1.2 氣敏傳感器驅(qū)動電路設(shè)計 183
7.1.3 紅外熱釋電傳感器簡介 183
7.1.4 紅外熱釋電傳感器模塊連接電路 184
7.2 GSM與GPRS 185
7.2.1 GSM 185
7.2.2 GPRS 186
7.2.3 GPRS模塊 186
7.3 短信編解碼 187
7.3.1 AT指令簡介 187
7.3.2 UCS2短信編碼 188
7.3.3 UCS2短信解碼 189
7.3.4 通過超級終端進行GPRS通信測試 190
7.4 ZigBee協(xié)調(diào)器程序功能實現(xiàn) 192
7.5 ZigBee終端節(jié)點程序功能實現(xiàn) 194
7.5.1 ZigBee氣敏終端節(jié)點程序功能
實現(xiàn) 195
7.5.2 ZigBee紅外熱釋電終端節(jié)點程序
功能實現(xiàn) 197
7.6 下載和調(diào)試通信程序 198
7.7 PC端Qt圖形交互ZigBee安防監(jiān)測
短信報警控制系統(tǒng)實現(xiàn) 199
7.7.1 ZigBee安防監(jiān)測短信報警控制
系統(tǒng)窗體界面設(shè)計 199
7.7.2 ZigBee煙霧紅外采集控制系統(tǒng)
窗體界面功能實現(xiàn) 210
本章小結(jié) 224
參考文獻 225

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