ZigBee无线网络技术入门与实战

c51rfmcu | 2008-06-20 23:32:04 阅读：1814

产品简介：

    本书分别以TI/CCON公司的8051内核无线片上系统(SoC)CC2430、CC2431 ZigBee无线单片机为中心，介绍了802.15.4/ZigBee无线网络技术和对该技术的实际应用。该书的重点不是讲解802.15.4/ZigBee无线网络技术的原理，而是实战，即自己动手进行802.15.4/ZigBee无线网络项目试验。

    本书从介绍802.15.4/ZigBee技术的概念开始,让读者在CC2430、CC2431无线单片机硬件平台上,自己动手搭建一个ZigBee开发系统。从星状无线网络到复杂的网络拓扑,循序渐进，让对无线通信和无线网络完全不熟悉的电子工程师能够轻松上路，理解最新ZigBee无线网络技术的原理，探究ZigBee无线网络的奥秘。

    本书可作为高等院校的计算机、电子、自动化、无线等相关专业的教材，也适合广大单片机、无线应用、自动化控制、无线传感等领域的工程技术人员作为学习、参考用书。

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功能特点：

    作为与8051兼容的无线单片机的第1代产品的代表——Chipcon公司的CC1010、Nordic公司的nRF24E1/nRF9E5，其推出的时间是2004年，分别工作在300～1 000 MHz/2.4 GHz频道，价格为30～50元/片左右。这些无线单片机由于工作可靠，技术成熟，软件丰富，所以这几年获得了非常广泛的应用。对于一般的点到点、点到多点、无线数传和各种类似无线键盘、无线摇杆、简单遥控器、无线抄表等应用，以及学习无线通信知识、教学实验等，直到今天仍然是很好的选择。

    无线通信(这里主要指短距离无线通信和嵌入式无线通信)的发展，需要将更多的节点通过无线联系起来，包括各种传感器网络、无线实时定位网络、射频识别网络、数字家庭网络、安全监视网络等。这就需要解决两方面的问题：无线通信的标准化和对网络拓扑的管理。

    网络标准化，通俗地说就是网络节点的互通性，各种不同功能的无线网络节点需要能相互交流、相互认识。举例来说，未来家庭中，各种家电将具有无线功能，汇集成一个互通的无线网络，冰箱可能是日本的，电视是中国造，烟雾报警器可能来自美国，所有的家电通过无线汇集到家庭网关，必须相互认识，才可以进行无线数据通信。这就需要一个所有制造厂家可以遵循的标准，目前这个标准就是IEEE 802.15.4——一个专门针对这类应用的国际标准。

    网络拓扑管理，主要是建立在IEEE 802.15.4之上的网络层，包括各种网络的形态。无线网络节点可以像一个星状一样连接，也可以像一个葡萄串一样串在一起，还可以像一张大网，相互连接，相互间可以从任意节点进行通信。这就需要在网络层相互兼容，这就有了ZigBee——一套标准化的网络层协议规范。

    802.15.4标准和ZigBee网络已经是当今世界的技术热点，可以在网上发现数量巨大的相关信息，也可以方便地学习到这方面的知识。

    实现网络的标准化，管理越来越复杂的无线网络，需要有大量的软件代码来实现，也需要对无线通信技术的精通和大量的人力物力投入，绝非哪家公司可以独自包揽，自己来完成。因此，802.15.4标准和ZigBee网络实现的代码，都是由国际标准组织和ZigBee联盟这样的机构协助组织完成的，然后以软件库、源代码库的方式提供给用户，由用户进行高层调用，加上自己的应用程序，固化到单片机中。

    而新一代无线单片机，像CC2430，就是具备了全部802.15.4标准和ZigBee无线网络结构的8051单片机，当用USB接口连接上CC2430仿真器，接上CC2430电路板，在IAR IDE调试环境下装上802.15.4标准和ZigBee网络的可调试工程文件(包括802.15.4标准和ZigBee网络库文件、演示软件等)后编译、下载，然后运行，几秒种的时间，按几下按键，802.15.4标准和ZigBee网络(数万行C51语言写成的代码，组成的软件)就在转瞬间被驾驭了：

    需要将节点加入无线网络吗？不用。调用“加入网络”功能就可以了。

    需要传输数据吗？数据送入指定的缓冲区后，调用“需要发送数据”功能，立刻会知道数据是否发送成功、无线信号强度是多少……

    需要将数据通过其他节点，像下跳棋一样，传输到远方的无线节点吗？指定节点的名字，准备好数据，调用“网状网络拓扑的数据传输”功能，数据就会自动通过墙壁，绕过天花板，从一楼到10楼，将数据自动传输到最远端的无线节点。同时，不到一秒时间，就可以得到回应“数据安全送到了”。

    听起来好像不可能，但这正是802.15.4标准和ZigBee无线单片机带给我们的——今天就可以在手中实现的实实在在的现实场景。

    面对这样的场景，我们会感慨万千，这不正是电子工程师们多年来的“将一切用无线连接起来的”的梦想吗？在办公室，复印机坏了，这边正着急，那边该公司的服务人员已经赶到了现场。为什么这么快？复印机内的无线节点早就将故障的部分、维修需要的零件自动传输到了服务的公司。家里的地上管道漏水了，而我们并不在家，但无线传感器迅速知道了情况，一边自动通知无线水表关闭进水阀门，一边发出短信，通知主人，这里出了什么问题……

    802.15.4标准、ZigBee技术和8051无线单片机的结合给单片机技术带来了一场全新的革命，由此产生的巨大市场和广泛的应用是我们每个电子工程师都应该关注的。

    3. 投身无线大潮需要的“渡船”和“桥梁”

    高频无线技术、单片机技术、C51编程、无线传感器技术、无线网络技术都属于实验技术和实用技术，具体地掌握这些技术，都需要实际动手，通过编写程序、实际调试、了解实际电路板、现场测试分析等来真正了解技术的核心，具备实际的经验。

    学习ZigBee无线网络技术，需要的“渡船”是一套实际的开发系统和配套的无线网络硬件模块。该系统可以在实验室，也可以在家里，具体需要的型号和价格将根据目标、实际起步的水平有很大的不同。当然，越是高级的系统，使用会越简单，但价格也会越高。许多电子工程师、单片机工程师在熟悉8位单片机技术后，开始自己学习ARM等32位单片机技术，也自己花费多达几千元人民币购买ARM开发工具，在家建立了自己的ARM开发平台。其实，从上面的讨论可以看出：从电子、单片机技术发展的眼光来看，单片机从8位到32位的发展，主要是在运行速度上的量的改变，而单片机的无线化和无线网络化集成才是单片机在质的方面的飞跃。如果讲到单片机工程师应该朝哪方面进一步发展的话，我们认为，学习无线网络比学习ARM更重要、更紧迫。

    另一方面，需要的“桥梁”是一套通俗实用的教材，能够由浅入深，一步一步地让读者快速掌握ZigBee技术。本书不是简单地翻译有关802.15.4/ZigBee技术规范和CC2430数据手册，而是将重点放在实战，即自己动手进行无线通信和无线网络的项目试验。通过亲自动手，自己体验什么是无线通信，什么是无线网络，如何进行无线通信，如何自己动手组建一个自己需要的低成本、高效率的ZigBee无线网络。

    作者认为学习ZigBee技术和开发ZigBee产品，最关键的是应该像开发单片机一样，实实在在地写程序、做电路板、去调试，最后做一个实际的ZigBee无线应用产品，这才是电子工程师最需要的。

    本书从介绍802.15.4/ZigBee技术的概念开始，让读者在CC2430/CC2431无线单片机硬件平台上自己动手搭建一个ZigBee开发系统，从星状无线网络到复杂的网络拓扑，循序渐进，让对无线通信和无线网络完全不熟悉的电子工程师能够轻松上路，理解最新ZigBee无线网络技术的原理，探究ZigBee无线网络的奥秘。当全部完成这些试验后，也许会大大松一口气，“无线通信和ZigBee无线网络原来如此简单容易”。这时我们的目的也达到了。

    本书的另一个主要特点是，始终抓住ZigBee无线网络技术的核心——ZigBee协议栈，让读者在各种ZigBee无线网络应用项目的实际实验中理解ZigBee协议栈C51源代码，并将自己未来的各种应用与ZigBee协议栈结合在一起,达到快速掌握ZigBee技术的目的。

    4. ZigBee的实践

    本书成功地将复杂的无线通信原理和无线网络原理转变为一个纯粹的软件开发过程，一切都变成了一段段用C51编写的源程序。只要能读懂相关C语言的程序代码，就可以轻松地熟悉需要的无线通信和无线网络功能。成都无线龙通信科技有限公司（简称无线龙公司）的工程师开发了本书全部试验用的C51源代码，并在相关无线模块上经过了全面实际无线通信和网络测试，读者可以基于这些源代码做自己喜欢的修改和增加可能的应用。

    将复杂的无线通信和无线网络的开发转变为C语言的软件开发，正是初学者快速进入无线通信的关键，也是未来无线通信和无线网络技术发展的关键。其实，当完全理解本书的各个试验后，所掌握的无线通信和无线网络方面的实际能力已经达到了很高的标准。从这个基础出发，应该可以在工作中轻松地使用相关的无线技术了。当然这不仅仅是一个学习无线通信的过程，也是你丰富单片机以C51开发经验的过程。

    成都无线龙通信科技有限公司(http://www.c51rf.com)将提供与该书配套的低价格、经济型C51RF3ZDS无线单片机开发系统供读者选用。这些无线开发系统包括了除IAR C51以外本书全部试验所需要的软硬开发环境和实验器材，读者只需要采用这套经济型开发装置，连接家里的计算机，就可以完成本书全部的试验了。

    本书各章节后面附有练习题，读者可以使用开发系统和模块完成相关习题，并对照附录的答案。

    本书已经包括的ZigBee技术应用实验项目有：无线游戏控制器、医院健康监视系统、路灯控制无线网络系统、无线玩具——电子钓鱼竿等。它们可让读者将学习的相关无线知识与实际无线应用系统相结合，了解实际的ZigBee无线应用系统设计的原理和技术关键。自己动手，体验无线，是目前国内嵌入式电子技术学习的弱项，成都无线龙通信科技有限公司推出的“无线单片机技术丛书”和配套的开发工具，旨在提供给广大读者一个低价格的无线技术学习的解决方案。只有动手实践，才能真正理解无线通信和ZigBee无线网络的基本原理，学会无线通信和无线网络技术。

    今天的世界，已经是无线的世界，未来的世界，更是无线的天下，而掌握无线通信和无线网络技术，已经是每个电子工程师的必修课，刻不容缓。但对许多电子工程师而言，无线网络和无线通信好像总有一层厚厚的神秘面纱，那么多复杂的公式，那么多复杂的电路，而高频的无线电波看不见、摸不着。本书和配套的无线开发工具，正是要通过读者自己的动手实践，让读者一览无线通信和无线网络的真实面目。

    全书由李文仲、段朝玉负责规划、审核和统稿，参与本书编写及相关工作的主要人员有崔亚远、林涛、袁圆等。

    最后，要特别感谢北京航空航天大学出版社的全力支持，如果没有他们的努力和辛勤劳动，这本书不会这样快出版。

作者
2007年1月

第1章短距离无线数据网络基础
1.1 无线通信和无线数据网络广阔的应用前景1
1.2 ZigBee无线网络使用的频谱和ISM开放频带4
1.3 典型的短距离无线数据网络技术5
1.3.1 ZigBee5
1.3.2 WiFi7
1.3.3 蓝牙（Bluetooth）10
1.3.4 超宽频技术（UWB）12
1.3.5 近短距无线传输（NFC）13
1.4 典型的无线网络结构和网络拓扑14
1.4.1 无线局域网的协议结构15
1.4.2 无线局域网的物理层规范15
1.4.3 无线局域网的频段分配16
1.4.4 无线局域网的MAC层规范16
1.4.5 无线局域网的CSMA/CA协议16
1.4.6 无线局域网的工作原理17
1.4.7 无线局域网的网络结构17
1.4.8 网络拓扑18
1.5 IEEE 802.15.4短距离无线通信标准20
1.5.1 物理层21
1.5.2 MAC（介质接入控制子层）层22
1.5.3 网络层22
1.5.4 ZigBee与IEEE 802.15.4的区别23
1.6 ZigBee技术24
1.6.1 ZigBee技术的广阔应用前景24
1.6.2 低功耗低速技术特点30
1.6.3 高可靠性的无线网络31
1.6.4 网络拓扑和路由34
1.6.5 安全和加密36
1.6.6 协议栈模式和应用模式39
1.7 习题39
第2章 CC2430/CC2431无线单片机
2.1 CC2430芯片的主要特点42
2.2 CC2430芯片的引脚功能44
2.3 CC2430片上8051内核46
2.3.1 增强型8051内核47
2.3.2 存储空间47
2.3.3 特殊功能寄存器48
2.4 CC2430的主要特征外设50
2.4.1 输入/输出（I/O）端口51
2.4.2 直接存取（DMA）控制器51
2.4.3 MAC定时器53
2.4.4 AES128安全协处理器54
2.4.5 14位模/数转换器（ADC）55
2.5 CC2430无线收发部分56
2.5.1 IEEE 802.15.4调制模式59
2.5.2 接收模式60
2.5.3 发送模式62
2.5.4 MAC数据格式62
2.5.5 CSMA/CA协处理器63
2.6 CC2430所涉及的无线通信技术64
2.6.1 清洁信道评估（CCA）64
2.6.2 无线直接频谱技术（DSSS）65
2.6.3 载波侦听多点接入/避免冲撞（CSMA/CA）68
2.7 CC2431芯片介绍70
2.8 习题71
第3章建立自己的ZigBee无线硬件平台
3.1 无线ZigBee硬件平台的选择73
3.1.1 选择嵌入式无线开发工具和平台74
3.1.2 需要的设备和必要条件76
3.2 ZigBee无线开发系统C51RF3ZDS概述77
3.3 C51RF3ZDS仿真器78
3.4 多功能扩展无线网络演示系统79
3.5 无线2.4 GHz高频模块89
3.6 硬件综合测试SPP软件91
3.7 C51RF-3F协议分析仪97
3.8 习题101
第4章建立自己的ZigBee无线软件平台
4.1 ZigBee软件集成开发平台102
4.2 安装IAR104
4.3 创建一个工作区窗口108
4.4 建立一个新工程109
4.5 添加文件或新建程序文件111
4.6 设置工程选项113
4.7 编译和连接117
4.8 仿真调试118
4.8.1 安装仿真器驱动——手动118
4.8.2 安装仿真器驱动——自动120
4.8.3 进入调试120
4.8.4 调试窗口管理123
4.8.5 调试管理124
4.9 其他辅助软件126
4.10 习题127
第5章 ZigBee协议栈结构和原理
5.1 ZigBee协议栈概述128
5.2 IEEE 802.15.4通信层131
5.2.1 PHY（物理）层131
5.2.2 MAC（介质接入控制子层）层133
5.3 ZigBee网络层135
5.3.1 网络层概况137
5.3.2 网络层帧结构138
5.3.3 网络层功能介绍141
5.4 ZigBee应用层151
5.5 无线龙精简版ZigBee协议栈体系153
5.6 习题157
第6章电子游戏用无线手柄
6.1 电子游戏用无线手柄电路原理158
6.1.1 模拟无线接收单元电路原理图160
6.1.2 模拟无线手柄的电路原理图162
6.2 编译、下载无线龙ZigBee协议栈162
6.3 如何格式化一个星状网络165
6.4 加入和开始ZigBee网络165
6.5 无线遥控器软件C51源代码167
6.6 习题182
第7章医院健康监视无线网络
7.1 传统的医院监控系统184
7.2 医院健康监视无线网络系统硬件原理和实现186
7.2.1 网络协调器的电路原理图186
7.2.2 RFD节点电路图187
7.3 传感器的介绍及其软件187
7.4 编译、下载无线龙ZigBee协议栈189
7.5 老人健康监视无线网络C51源代码189
7.5.1 液晶驱动C51程序189
7.5.2 遥控器和主机按键电路与程序192
7.5.3 重要函数193
7.5.4 主程序197
7.6 习题202
第8章 ZigBee无线玩具——电子钓鱼竿
8.1 电子钓鱼竿设计原理204
8.2 MEMS加速传感器205
8.3 电子钓鱼竿电路和实现208
8.4 电子钓鱼竿程序C51源代码209
8.4.1 驱动程序209
8.4.2 按键电路及程序212
8.4.3 重要函数213
8.4.4 主程序及流程图218
8.5 习题223
第9章节能型路灯自动控制无线网络
9.1 路灯自动控制无线网络原理和实现224
9.2 系统各节点电路框图226
9.3 路灯自动控制无线网络程序C51源代码228
9.3.1 液晶驱动程序228
9.3.2 按键电路和程序232
9.3.3 重要函数232
9.3.4 主程序及流程图238
9.4 习题245

附录习题参考答案246
参考文献258

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