無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與應(yīng)用

本書介紹了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域中的相關(guān)技術(shù)及應(yīng)用，以ZigBee技術(shù)為主要研究對象。

通過三個項目的學(xué)習(xí)，讓讀者全面了解ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。

前 言

隨著無線通信技術(shù)、微型制造技術(shù)及電池技術(shù)的快速發(fā)展，微小的無線傳感器已具備感應(yīng)、無線通信及信息處理的能力。無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）是信息科學(xué)領(lǐng)域中一個全新的發(fā)展方向，同時也是新興學(xué)科與傳統(tǒng)學(xué)科進(jìn)行領(lǐng)域間交叉的結(jié)果。成千上萬個微型傳感器構(gòu)成了自治的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的微處理能力和無線通信能力使無線傳感網(wǎng)絡(luò)有了廣闊的應(yīng)用前景，能廣泛用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探索及各種商業(yè)應(yīng)用。目前，國內(nèi)外都開展了對無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究，許多企業(yè)和科研院所都進(jìn)入了該領(lǐng)域，增加了對該領(lǐng)域的人才需求。

ZigBee是一種新興的近程（10～100米）、低速率（250kb/s標(biāo)稱速率）、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于近距離無線連接，具有低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網(wǎng)、高可靠、超視距的特點，主要適用于自動控制和遠(yuǎn)程控制等領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee是一種便宜、低功耗、自組網(wǎng)的近程無線通信技術(shù)。

目前國內(nèi)ZigBee技術(shù)主要采用ISM頻段中的2.4G頻率，其衍射能力弱，穿墻能力弱。家居環(huán)境中，即使是一扇門、一扇窗、一堵非承重墻也會讓信號大打折扣。當(dāng)然，有些廠家會使用射頻功放對2.4G信號進(jìn)行放大，但是這樣會造成額外的輻射污染，同時也和ZigBee低功耗、節(jié)能的初衷背道而馳。ZigBee技術(shù)的主要特點是自組網(wǎng)能力強、自恢復(fù)能力強，因此對井下定位、停車場車位定位、室外溫濕度采集、污染采集等應(yīng)用非常具有吸引力。

本書涉及計算機(jī)、電子通信和自動化等領(lǐng)域，內(nèi)容涵蓋計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通信技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)開發(fā)、計算機(jī)軟件和算法、信息安全等方面，在編寫時還特別注重了基礎(chǔ)知識的介紹，盡可能以通俗易懂的語言進(jìn)行描述。本書以智能家居為背景，選取了三個典型的應(yīng)用進(jìn)行講解。每個任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)點采取了由點到面的方式。讀者通過對本書的學(xué)習(xí)和課后習(xí)題的解答，將對無線傳感網(wǎng)絡(luò)知識有較全面的認(rèn)識，對一些基本的開發(fā)技術(shù)、協(xié)議和算法有較深刻的理解，快速增加自己的實踐經(jīng)驗。

通過對本課程每個任務(wù)的學(xué)習(xí)，讀者可以對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的典型技術(shù)ZigBee技術(shù)有詳盡的了解，掌握無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念、開發(fā)平臺、通信協(xié)議、ZigBee協(xié)議規(guī)范、核心芯片CC2530的基礎(chǔ)開發(fā)，使用CC2530控制各種常見的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，了解Z-Stack協(xié)議棧等相關(guān)知識。

本書內(nèi)容組織如下：

項目一 設(shè)計智能水杯，概括了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本概念、IEEE802.15.4無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，簡單介紹ZigBee技術(shù)的理論知識、開發(fā)項目所依賴的開發(fā)平臺，基于核心芯片CC2530內(nèi)部的硬件模塊來逐步完成水杯項目，讓讀者熟悉核心芯片的主要功能。

項目二 設(shè)計智能晾衣架，詳細(xì)介紹ZigBee技術(shù)的知識，包括協(xié)議框架、不同層次的規(guī)范，以及基礎(chǔ)的點對點通信，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳輸信號的采集、信號的檢測等知識點。通過晾衣架項目的開發(fā)，讓讀者初步接觸無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信。

項目三 設(shè)計小型家庭安防系統(tǒng)，深入介紹Z-Stack協(xié)議棧的一些基本概念、Z-Stack的工作機(jī)制、Z-Stack輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，以及通過Z-Stack組建和管理無線傳感網(wǎng)絡(luò)、采集傳感數(shù)據(jù)等。通過安防系統(tǒng)的開發(fā)，讀者對Z-Stack在無線傳感組網(wǎng)方面的應(yīng)用有全面的認(rèn)識。

本書由牟思、殷虹、蘇醒編寫，其中引用了其他同行的工作成果，在此表示衷心感謝。由于作者水平有限書中難免有錯誤之處，懇請廣大讀者批評指正。

編 者

2016年3月

前言

項目一 設(shè)計智能水杯 1
任務(wù)1 智能水杯開發(fā)平臺 2
1.1.1 任務(wù)描述 2
1.1.2 任務(wù)目標(biāo) 2
1.1.3 知識學(xué)習(xí) 2
1.1.4 任務(wù)實施 19
1.1.5 任務(wù)小結(jié) 23
任務(wù)2 測試智能水杯開發(fā)平臺 24
1.2.1 任務(wù)描述 24
1.2.2 任務(wù)目標(biāo) 24
1.2.3 知識學(xué)習(xí) 24
1.2.4 任務(wù)實施 24
1.2.5 任務(wù)小結(jié) 31
任務(wù)3 CC2530片上系統(tǒng)I/O端口控制 31
1.3.1 任務(wù)描述 31
1.3.2 任務(wù)目標(biāo) 32
1.3.3 知識學(xué)習(xí) 32
1.3.4 任務(wù)實施 33
1.3.5 任務(wù)小結(jié) 37
任務(wù)4 CC2530片上系統(tǒng)外部中斷控制 37
1.4.1 任務(wù)描述 37
1.4.2 任務(wù)目標(biāo) 37
1.4.3 知識學(xué)習(xí) 38
1.4.4 任務(wù)實施 46
1.4.5 任務(wù)小結(jié) 48
任務(wù)5 CC2530片上系統(tǒng)定時器控制 48
1.5.1 任務(wù)描述 48
1.5.2 任務(wù)目標(biāo) 49
1.5.3 知識學(xué)習(xí) 49
1.5.4 任務(wù)實施 56
1.5.5 任務(wù)小結(jié) 58
任務(wù)6 CC2530片上系統(tǒng)串口通信 59
1.6.1 任務(wù)描述 59
1.6.2 任務(wù)目標(biāo) 59
1.6.3 知識學(xué)習(xí) 59
1.6.4 任務(wù)實施 63
1.6.5 任務(wù)小結(jié) 70
任務(wù)7 智能水杯的溫度采集 71
1.7.1 任務(wù)描述 71
1.7.2 任務(wù)目標(biāo) 71
1.7.3 知識學(xué)習(xí) 71
1.7.4 任務(wù)實施 73
1.7.5 任務(wù)小結(jié) 76
任務(wù)8 智能水杯的LCD顯示 76
1.8.1 任務(wù)描述 76
1.8.2 任務(wù)目標(biāo) 76
1.8.3 知識學(xué)習(xí) 76
1.8.4 任務(wù)實施 78
1.8.5 任務(wù)小結(jié) 80
實訓(xùn)項目 顯示不同顏色的智能水杯的設(shè)計 80
項目二 設(shè)計智能晾衣架 81
任務(wù)1 智能晾衣架的無線傳輸網(wǎng)絡(luò) 82
2.1.1 任務(wù)描述 82
2.1.2 任務(wù)目標(biāo) 82
2.1.3 知識學(xué)習(xí) 82
2.1.4 任務(wù)實施 87
2.1.5 任務(wù)小結(jié) 87
任務(wù)2 智能晾衣架無線網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)技術(shù) 88
2.2.1 任務(wù)描述 88
2.2.2 任務(wù)目標(biāo) 88
2.2.3 知識學(xué)習(xí) 88
2.2.4 任務(wù)實施 94
2.2.5 任務(wù)小結(jié) 96
任務(wù)3 智能晾衣架無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 96
2.3.1 任務(wù)描述 96
2.3.2 任務(wù)目標(biāo) 96
2.3.3 知識學(xué)習(xí) 96
2.3.4 任務(wù)實施 100
2.3.5 任務(wù)小結(jié) 100
任務(wù)4 遙控器和晾衣架兩點間無線通信 100
2.4.1 任務(wù)描述 100
2.4.2 任務(wù)目標(biāo) 100
2.4.3 知識學(xué)習(xí) 100
2.4.4 任務(wù)實施 104
2.4.5 任務(wù)小結(jié) 107
任務(wù)5 兩點間無線傳輸信號質(zhì)量檢測 108
2.5.1 任務(wù)描述 108
2.5.2 任務(wù)目標(biāo) 108
2.5.3 知識學(xué)習(xí) 108
2.5.4 任務(wù)實施 109
2.5.5 任務(wù)小結(jié) 117
任務(wù)6 智能晾衣架的內(nèi)部軟件系統(tǒng) 117
2.6.1 任務(wù)描述 117
2.6.2 任務(wù)目標(biāo) 118
2.6.3 知識學(xué)習(xí) 118
2.6.4 任務(wù)實施 124
2.6.5 任務(wù)小結(jié) 127
任務(wù)7 智能晾衣架的信號傳輸 127
2.7.1 任務(wù)描述 127
2.7.2 任務(wù)目標(biāo) 127
2.7.3 知識學(xué)習(xí) 128
2.7.4 任務(wù)實施 129
2.7.5 任務(wù)小結(jié) 139
任務(wù)8 智能晾衣架的無線信號檢測 139
2.8.1 任務(wù)描述 139
2.8.2 任務(wù)目標(biāo) 139
2.8.3 知識學(xué)習(xí) 139
2.8.4 任務(wù)實施 142
2.8.5 任務(wù)小結(jié) 143
實訓(xùn)項目 帶超重傳感器的智能晾衣架的
設(shè)計 143
項目三 設(shè)計小型家庭安防系統(tǒng) 144
任務(wù)1 繪制安防系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖 145
3.1.1 任務(wù)描述 145
3.1.2 任務(wù)目標(biāo) 145
3.1.3 知識學(xué)習(xí) 145
3.1.4 任務(wù)實施 149
3.1.5 任務(wù)小結(jié) 152
任務(wù)2 繪制安防系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?br> 結(jié)構(gòu)圖 152
3.2.1 任務(wù)描述 152
3.2.2 任務(wù)目標(biāo) 152
3.2.3 知識學(xué)習(xí) 152
3.2.4 任務(wù)實施 153
3.2.5 任務(wù)小結(jié) 153
任務(wù)3 安防系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型 153
3.3.1 任務(wù)描述 153
3.3.2 任務(wù)目標(biāo) 154
3.3.3 知識學(xué)習(xí) 154
3.3.4 任務(wù)實施 156
3.3.5 任務(wù)小結(jié) 156
任務(wù)4 確定安防系統(tǒng)無線模塊地址 156
3.4.1 任務(wù)描述 156
3.4.2 任務(wù)目標(biāo) 157
3.4.3 知識學(xué)習(xí) 157
3.4.4 任務(wù)實施 158
3.4.5 任務(wù)小結(jié) 160
任務(wù)5 確定無線通信方式 160
3.5.1 任務(wù)描述 160
3.5.2 任務(wù)目標(biāo) 161
3.5.3 知識學(xué)習(xí) 161
3.5.4 任務(wù)實施 165
3.5.5 任務(wù)小結(jié) 178
任務(wù)6 組建ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò) 179
3.6.1 任務(wù)描述 179
3.6.2 任務(wù)目標(biāo) 179
3.6.3 知識學(xué)習(xí) 179
3.6.4 任務(wù)實施 180
3.6.5 任務(wù)小結(jié) 182
任務(wù)7 管理ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò) 182
3.7.1 任務(wù)描述 182
3.7.2 任務(wù)目標(biāo) 183
3.7.3 知識學(xué)習(xí) 183
3.7.4 任務(wù)實施 188
3.7.5 任務(wù)小結(jié) 198
任務(wù)8 安防系統(tǒng)無線傳感數(shù)據(jù)的采集 199
3.8.1 任務(wù)描述 199
3.8.2 任務(wù)目標(biāo) 199
3.8.3 知識學(xué)習(xí) 199
3.8.4 任務(wù)實施 200
3.8.5 任務(wù)小結(jié) 210
任務(wù)9 安防系統(tǒng)中傳感器的數(shù)據(jù)傳輸 211
3.9.1 任務(wù)描述 211
3.9.2 任務(wù)目標(biāo) 211
3.9.3 溫濕度數(shù)據(jù)的無線傳輸 211
3.9.4 光照數(shù)據(jù)的無線傳輸 221
3.9.5 煙霧數(shù)據(jù)的無線傳輸 228
3.9.6 紅外熱釋電傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸 236
實訓(xùn)項目 帶防煤氣中毒探測器的安防系統(tǒng)
的設(shè)計 243

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