ZigBee2006无线网络与无线定位实战

c51rfmcu | 2008-06-20 23:34:11 阅读：7505

产品简介：

    本书以TI/Chipcon公司的8051内核无线片上系统（SoC）CC2431 ZigBee无线定位单片机为中心，介绍802.15.4和最新ZigBee无线网络技术和高精度无线定位技术的实际应用。该书的重点不是ZigBee无线网络技术的原理，而是实战，即自己动手进行ZigBee2006无线网络项目实验和实际采用ZigBee技术构建无线定位网络：从介绍802.15.4/ZigBee技术的概念开始，教会读者在CC2431无线单片机硬件平台上自己动手搭建一个ZigBee开发系统；从简单无线网络通信到较为复杂的无线定位，循序渐近，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，体验最新ZigBee无线网络技术的原理，了解ZigBee无线网络的奥秘，熟悉如何进行无线定位系统的开发和设计。

    本书的另一个主要特点是，以最新版的ZigBee2006协议栈为中心，让读者在各种ZigBee无线网络基础实验和无线定位应用模式实验中，理解ZigBee2006协议栈，并将自己未来的各种应用和ZigBee2006协议栈结合在一起，达到快速掌握ZigBee最新技术的目的。

    本书适合广大从事单片机、无线应用、自动控制、无线传感等的工程技术人员作为学习、参考用书，也可作为高等院校计算机、电子、自动化、无线通信课程的教材。

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功能特点：

    新兴的短距离无线通信技术和无线网络技术，随着集成电路技术和高频无线技术的进步，正在以空前的速度走进我们的生活，使我们的生活和工作更加方便，更加安全。

    下面的一组镜头，就是其中的一个实际例子：

    初春，深邃的井下，成千的矿工在不同的工作面忙碌地工作，运送矿物的货车穿梭往返，一派繁忙景象。突然一声巨响，矿井里一片黑暗，大量的石块滚落，矿井通道被完全阻断，几千名矿工被分隔在不同的地方，通信电缆大部分中断，一场突如其来的灾难降临了。

    救援工作立即开始，在地面中心控制室的大型彩色屏幕上，电脑图像已经明确指示出每个矿工在爆炸发生瞬间的精确位置，精度达到2.5 m2(一张床大小)。这个煤矿安装了以TI/Chipcon公司的CC2431无线定位芯片为核心的高精度无线定位系统，每个矿工的工作服上都有一个如钮扣般大小的无线定位传感器，内装CC2431无线芯片（无线定位节点）。巷道内有若干个CC2431无线 SoC节点组成的、运行ZigBee2006协议栈的大型网络，这些遍布矿井的无线节点连成网络，将每个矿工每分每秒的精确位置通过ZigBee2006无线网状网络，随时发送到地面上中心电脑的数据库中。

    由于有了这些精确的数据，救援工作完全是有条不紊地进行，大型钻井机向井下有矿工的地方钻孔，送入新鲜、宝贵的氧气，大量急需的药品和救援器材也准时到达。同时，从钻孔处送入新的ZigBee无线路由节点，该节点和矿工们携带的无线传感器即时进行无线联网，将矿工的体温、心跳等生理数据即时送往控制中心，以便确定最佳救援方案。

    几天几夜的救援工作进展顺利，遇险矿工几乎全部生还。担架上的一位矿工在被抬上救护车时，举着胸前的无线定位装置，万分激动地对电视台记者说：“多亏了高科技，多亏了ZigBee无线定位新技术！”
由Motorola公司和TI公司共同开发的CC2431无线定位芯片不需要像GPS技术那样使用卫星，而是使用由最新CC2431芯片组成的ZigBee2006无线定位网络，就可以在低成本下(每个无线定位节点价格低于5美元)实现非常高的定位分辨率 (0.25 m)和非常高的定位精度(小于3 m)。

    CC2431无线单片机芯片的推出，为短距离无线通信技术在嵌入式领域的应用开辟了一个全新的空间，并成为许多电子工程师和单片机工程师非常关注的一项新技术。
为了能尽快熟悉和掌握这项全新的技术，需要具备下列条件和基础：

    必须掌握使用ZigBee2006协议栈软件的方法；

    需要专门的仿真器和专门的开发工具对 CC2431微处理器进行硬件开发、调试；

    需要相关教材来指导学习和实验。

    成都无线龙通讯科技有限公司（www.c51rf.com）为本书配套的C51RFCC2431ZDKZigBee2006无线定位开发设计工具提供了前述第二项条件。C51RFCC2431ZDK定位系统包括CC2430/CC2431开发仿真器、8个无线参考节点、2个定位节点、全部PC表演软件、ZigBee2006无线网状网络协议栈以及全新的ZigBee2006无线定位软件等。采用该系统，可以轻松完成本书大部分实验和全部学习任务。

    剩下的第一项和第三项，就是本书希望为读者提供的条件和基础。

    本书以TI/Chipcon公司的8051内核无线片上系统(SoC)CC2431/ZigBee无线定位单片机为中心，介绍最新ZigBee2006无线网络技术和高精度无线定位技术的实际应用。内容包括ZigBee概况、ZigBee网络概念、ZigBee通信协议基础、ZStack （ZigBee协议栈）程序模式、ZigBee设备、网络开发快速入门、分析样板程序、开发ZigBee的技巧和理解以及如何使用ZigBee2006实现无线实时网络定位。重点介绍ZigBee2006网络实现、ZigBee串库、ZigBee绑定、ZigBee应用模式（Application Profile）及ZigBee无线实时定位实现。

    本书从介绍802.15.4/ZigBee技术的概念开始，让读者在CC2431无线单片机硬件平台上，自己动手搭建一个ZigBee开发系统。从简单无线网络通信到较为复杂的无线定位，循序渐近，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，体验最新ZigBee无线网络技术的原理，了解ZigBee无线网络的奥秘，熟悉如何进行无线定位系统开发和设计。

    本书的重点不是ZigBee无线网络技术的原理，而是实战，即自己动手进行ZigBee2006无线网络项目实验和实际采用ZigBee技术构建无线定位网络。本书将以实验形式详细地为读者分析ZigBee2006无线网络实现以及ZigBee2006无线实时定位过程，每个实验都将详细讲解C51源代码。实验包括最简单的CC2431无线点对点数据通信、C51RF3F数据分析仪分析ZigBee数据包、GENERIC APP样板实验、配置网状网络和进行数据收发实验、格式化网络、进入和退出网络、配置ZigBee2006网络参数、Simple API样板实验及矿井安全——无线定位网络系统。

    本书的另一个主要特点是，以最新版的ZigBee2006协议栈为中心，让读者在各种ZigBee无线网络基础实验和无线定位应用模式实际实验中理解ZigBee2006协议栈，并将自己未来的各种应用与ZigBee2006协议栈结合在一起，达到快速驾驭ZigBee最新技术的目的。

    本书每个章节后面都附有练习题，读者可以使用开发系统和模块完成相关习题，并对照所附答案。
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。成都无线龙通讯科技有限公司推出《无线单片机技术丛书》和配套的开发工具，希望能提供给广大读者一个低价格的无线技术学习的解决方案。而只有动手实践，才能真正理解无线通信和ZigBee无线网络的基本原理，掌握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成为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覆着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、摸不着等。本书和配套的无线开发工具，正是要像一把利剑，通过自己的动手实践，带你刺穿这层神秘的面纱，一览无线通信和无线网络的真实面目，教你驾驭无线通信的规律，在无线网络中自由飞翔。

    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9月于成都

第1章  ZigBee无线网络和定位系统基础
1.1  无线数据网络和无线定位技术广阔的应用前景1
1.2  ZigBee无线网络使用频谱和ISM开放频带4
1.3  热门短距离无线数据网络技术5
1.3.1  ZigBee5
1.3.2  WiFi8
1.3.3  蓝  牙10
1.3.4  超宽频技术12
1.3.5  近距离无线传输13
1.4  典型的无线网络结构和网络拓扑14
1.5  典型的无线网络定位系统20
1.6  ZigBee无线网络定位技术特点23
1.6.1  ZigBee技术的广阔应用前景23
1.6.2  低功耗、低速技术特点29
1.6.3  高可靠性的无线网络31
1.6.4  网络拓扑和路由33
1.6.5  安全和加密35
1.6.6  协议栈模式和应用模式37
1.7  习题和答案37
第2章  ZigBee无线定位单片机CC2430/CC2431
2.1  CC2430/CC2431芯片的主要特点41
2.2  CC2430/CC2431芯片架构43
2.3  CC2430/CC2431片上8051内核46
2.3.1  增强型8051内核46
2.3.2  存储空间47
2.3.3  特殊功能寄存器48
2.4  CC2430/CC2431主要特征外设50
2.4.1  输入/输出(I/O)端口50
2.4.2  直接存取(DMA)控制器51
2.4.3  MAC定时器52
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/CC2431无线收发56
2.5.1  IEEE 802.15.4调制模式57
2.5.2  接收模式59
2.5.3  发送模式59
2.5.4  MAC数据格式61
2.5.5  CSMA/CA协处理器61
2.5.6  参考设计电路62
2.6  CC2430/CC2431所涉及的无线通信技术64
2.6.1  清洁信道评估CCA64
2.6.2  无线直接频谱技术DSSS64
2.6.3  载波侦听多点接入/冲突检测CSMA/CA68
2.7  CC2431无线定位引擎介绍70
2.8  习题和答案73
第3章  建立ZigBee无线定位硬件平台
3.1  无线开发系统硬件平台的选择75
3.2  ZigBee无线网络/定位系统C51RFCC2431ZDK概述79
3.3  C51RFCC2431ZDK仿真器81
3.4  无线定位中心控制板系统——网关系统81
3.5  无线参考节点和定位节点——ZigBee高频模块89
3.6  硬件综合测试SPP软件91
3.7  C51RF3F协议分析仪97
3.8  习题和答案99
第4章  建立ZigBee无线定位软件平台
4.1  ZigBee软件集成开发平台102
4.2  IAR集成开发环境104
4.2.1  IAR安装104
4.2.2  添加文件或新建程序文件111
4.2.3  设置工程选项参数113
4.2.4  编译、连接、下载117
4.2.5  仿真调试118
4.3  ZigBee2006协议栈库124
4.4  无线网络定位图形监视软件127
4.5  物理地址修改软件133
4.6  ZigBee数据分析仪软件137
4.7  其他辅助软件140
4.8  配套测试例程140
4.9  习题和答案143
第5章  ZigBee协议栈结构和原理
5.1  ZigBee协议栈概述146
5.2  IEEE 802.15.4通信层149
5.2.1  物理层PHY149
5.2.2  介质接入控制子层MAC151
5.3  ZigBee网络层153
5.3.1  网络层概况155
5.3.2  网络层帧结构156
5.3.3  网络层功能介绍170
5.4  ZigBee应用层188
5.4.1  ZigBee技术应用188
5.4.2  应用层概述190
5.4.3  ZigBee应用支持子层191
5.4.4  ZigBee Profile194
5.4.5  ZigBee设备对象ZDO198
5.5  ZigBee网络/定位系统配套协议栈203
5.5.1  精简版ZigBee协议栈2004203
5.5.2  验证版ZigBee协议栈2006207
5.6  习题和答案209
第6章  ZigBee2006基础实验（一）
6.1  初级实验样板211
6.1.1  实验目的211
6.1.2  实验原理211
6.1.3  实验硬件和软件准备229
6.2  ZigBee2006协议栈编译、下载230
6.2.1  设备选择及设置230
6.2.2  编译、下载程序232
6.3  实验源代码232
6.3.1  发送一个信息包232
6.3.2  发送、接收数据的过程232
6.3.3  接收一个信息包236
6.4  实验内容236
6.4.1  流程图236
6.4.2  路由器代码237
6.4.3  协调器代码239
6.5  采用C51RF3F数据分析仪分析ZigBee数据包240
6.5.1  协议分析仪组成240
6.5.2  加入网络240
6.5.3  发送、接收数据241
6.6  实验效果243
6.7  习题和答案244
第7章  ZigBee2006基础实验（二）
7.1  ZigBee2006 实时操作系统简介246
7.1.1  OS术语介绍246
7.1.2  OSAL API介绍247
7.1.3  OSAL任务256
7.2  简单ZigBee2006应用接口258
7.2.1  实验目的258
7.2.2  实验原理258
7.2.3  软件准备SAPI259
7.3  网络形成259
7.3.1  协调器格式化网络260
7.3.2  路由器和终端设备加入网络260
7.3.3  ZDO_StartDevice()261
7.4  绑  定262
7.4.1  绑定表格263
7.4.2  绑定建立264
7.4.3  绑定解除269
7.5  命  令270
7.5.1  命令定义及使用270
7.5.2  串273
7.5.3  ZCL273
7.5.4  Profile274
7.6  灯开关实验275
7.6.1  APP函数分析275
7.6.2  灯开关实验287
7.6.3  实验总结288
7.7  温度传感器实验289
7.7.1  设  备289
7.7.2  命  令290
7.7.3  发现和绑定291
7.7.4  数据包发送和接收292
7.8  习题和答案295
第8章  ZigBee2006无线定位实验
8.1  实验目的和设备299
8.1.1  实验目的299
8.1.2  实验设备299
8.2  ZigBee2006无线定位应用Profile300
8.3  装载无线定位模式软件代码到网关302
8.3.1  初始化物理地址302
8.3.2  下载中心控制器软件303
8.4  参考模块和定位模块设定和软件下载304
8.4.1  参考模块和定位模块程序下载304
8.4.2  设置物理地址304
8.5  CC2431无线定位C51源代码306
8.5.1  协调器代码306
8.5.2  参考节点代码313
8.5.3  定位节点代码321
8.5.4  无线定位系统运行效果观察332
8.6  习题和答案334
第9章  矿井安全无线定位网络系统
9.1  矿井井下无线定位网络原理和实现336
9.2  系统各节点电路框图338
9.3  无线定位网络应用程序C51源代码339
9.3.1  液晶驱动程序339
9.3.2  ZigBee协议栈和API调用说明347
9.3.3  参考节点设计354
9.3.4  定位节点设计359
9.3.5  网关设计363
9.4  实验效果372
9.4.1  各节点上电复位后的数据372
9.4.2  查看参考节点配置数据（参考节点请求配置（0x0017））375
9.4.3  参考节点配置数据（参考节点配置（0x0015））376
9.4.4  查看定位节点配置数据（定位节点请求配置（0x0018））377
9.4.5  定位节点配置参数（定位节点配置（0x0016））378
9.4.6  发现定位节点位置（发现定位节点请求（0x0013））379
9.5  习题和答案380
附录A  网络层定义的特性常量383
附录B  网络层信息库属性384
参考文献387

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