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ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践 [单片机与嵌入式系统 ┈→ 无线通信技术]

内容简介

     介绍掌握ZigBee技术的关键——ZigBee协议栈。从ZigBee1.0到ZigBee1.1，再到目前的ZigBee PRO，协议栈的结构、功能调用、参数设置、软件代码等都有了重大的变化，掌握的难度也在不断增加。如何在这复杂的协议栈技术手册和浩瀚的代码中抓住其中的精髓？如何驾驭协议栈和实现自己的应用设计？只有靠具体动手实践，靠大量的实验去体验和观察。同时介绍了本书涉及的ZigBee芯片CC2520及相关低功耗微控制器MSP430。
     本书没有太多的理论描述，主要从实践入手，让读者更多地体会ZigBee协议如何用程序实现，如何利用ZigBee协议达到需要的目的，如何在ZigBee协议栈之上建立自己的应用，从而更快速地完成项目。
     本书可作为从事单片机、无线应用、自动化控制、无线传感等技术的工程技术人员的学习、参考用书，也可作为高等院校的计算机、电子、自动化专业无线通信课程的教材。

前言

     当今世界通信技术迅猛发展。ZigBee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LRWPAN(LowRate Wireless Personal Area Network)的发展。ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的应用于无线监测与控制应用的全球性无线通信标准，强调简单易用、近距离、低速率、低功耗(长电池寿命)且极廉价的市场定位，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，拥有广阔的应用前景。
     ZigBee技术核心是运行于微控制器内部的一套软件，也称之为软件ZigBee协议栈，负责该协议规范制定的是ZigBee联盟。ZigBee联盟于2004年12月通过了ZigBee1.0（也称ZigBee2004）标准，之后于2005年9月公布并提供下载。
     2006年12月，ZigBee联盟又推出ZigBee1.1（也称ZigBee2006）版。ZigBee1.1较原有ZigBee1.0作了比较大的改进，例如新增ZCL(ZigBee Cluster Library)、集团装置(Group Device)、多播(Multicast)功效及更丰富的网络拓扑，并且可以直接通过无线方式(Over The Air，OTA)进行组态配置和软件更新，此外还移除了KVP(Key Value Pair)的信息格式。
     2007年10月，ZigBee联盟推出ZigBee2007，制订出ZigBee Pro Feature Set(简称ZigBee PRO)的新标准，对ZigBee协议栈进行了重大升级，加强了对家庭自动化(Home Automation，HA)、建筑/商业大楼自动化(Building Automation，BA)和高级抄表结构(Advanced Meter Infrastructure，AMI) 3种应用类型的支持；同时在自动跳频以及支持更大的网络、更高级的路由算法等方面的改进和提高，将ZigBee协议栈的可用性和可靠性提高到一个全新的阶段。
     成都无线龙通讯科技有限公司（以下简称无线龙）自ZigBee协议公开以来，一直专注于ZigBee技术的研究开发，在ZigBee开发系统和相关教材书籍方面，努力跟踪该技术的发展。ZigBee1.0的协议配套教材为《ZigBee无线网络技术入门与实战》，配套开发系统为C51RFJKS；ZigBee1.1的协议配套教材为《ZigBee2006无线网络与无线定位实战》，配套开发系统为C51RF3PK。本教材就是专门为ZigBee PRO协议而作，配套系统为C51RFCC2520PK。
     掌握ZigBee技术的关键是掌握ZigBee协议栈，从ZigBee1.0到ZigBee1.1，再到目前的ZigBee PRO，协议栈的结构、功能调用、参数设置、软件代码等都有了重大的变化，掌握的难度也在不断增加。如何在这复杂的协议栈技术手册和浩瀚的代码中抓住其中的精髓？如何驾驭协议栈和实现自己的应用设计？只有靠具体动手实践，靠大量的实验，去体验和观察。因此本书没有太多的理论描述。如果读者需要了解相关ZigBee理论，可查阅北京航空航天大学出版社出版的《ZigBee无线网络技术入门与实战》和《ZigBee2006无线网络与无线定位实战》两本书。如果读者具有一些ZigBee的理论基础知识，那么此书必定会让读者尽快地去验证并应用这些理论。如果读者还对ZigBee技术一无所知，那么此书前面的小部分理论性章节会让读者对ZigBee技术不再陌生。如果读者已经有ZigBee的开发经验，那么通过本书将使读者更进一步地领会{zx1}ZigBee PRO协议应用。
     此书也非常适合高校ZigBee技术的教学，因为大量的实例让学生学习不再空洞，让学生把高深的理论知识通过本书的实验直观地演示ZigBee组网、ZigBee数据传输、ZigBee网络拓扑等功能，使学生学习起来更加得心应手。

第1章 ZigBee技术概述
1.1 ZigBee技术的演变与进展1
1.1.1 ZigBee技术的由来2
1.1.2 ZigBee技术的发展历程2
1.2 ZigBee技术特点5
1.3 ZigBee2007/PRO特性6
1.3.1 ZigBee与ZigBee PRO比较6
1.3.2 不同ZigBee版本的兼容分析8
1.4 ZigBee无线网络使用频谱和ISM开放频带16
1.5 ZigBee技术的广阔应用前景17
第2章低功耗微控制器MSP430与ZigBee芯片CC2520
2.1 低功耗微控制器MSP43022
2.1.1 关键特性22
2.1.2 MSP430模块化架构23
2.1.3 16位RISC先进CPU24
2.1.4 超低功耗性能25
2.1.5 灵活的时钟系统26
2.1.6 智能外设27
2.1.7 MSP430应用29
2.2 MSP430F2618简介29
2.2.1 MSP430F2xxx介绍30
2.2.2 MSP430F2618特性30
2.3 ZigBee芯片CC252031
2.3.1 CC2520的特性32
2.3.2 CC2520引脚描述34
2.3.3 CC2520与CC2420的区别35
2.3.4 CC2520典型设计36
第3章 ZigBee无线网络多功能开发系统
3.1 无线网络ZigBee开发系统平台选择39
3.1.1 如何选择嵌入式无线开发工具和平台40
3.1.2 需要的设备和必要条件42
总结43
3.2 多功能可视化ZigBee无线网络开发系统C51RF3PK44
3.2.1 C51RF3PK仿真器44
3.2.2 网络液晶扩展板45
3.2.3 C51RF3PK电池板51
3.2.4 ZigBee模块53
3.3 图形化ZigBee2007开发系统56
3.3.1 ZigBee模块CC252057
3.3.2 网络液晶扩展板58
3.4 ZigBee软件集成开发平台63
3.4.1 IAR集成开发环境的安装65
3.4.2 添加文件或新建程序文件72
3.4.3 设置工程选项参数74
3.4.4 编译、链接、下载78
3.4.5 仿真调试79
第4章 ZigBee开发入门
4.1 认识ZigBee协议栈88
4.2 ZigBee网络数据传输90
4.2.1 实验目的90
4.2.2 ZigBee数据传输原理解析90
4.2.3 实验设备准备110
4.3 ZigBee协议栈编译/下载111
4.3.1 设备选择及设置111
4.3.2 编译/下载程序112
4.4 ZigBee源代码剖析113
4.4.1 发送一个信息包113
4.4.2 收发数据过程113
4.4.3 接收一个信息包116
4.5 实验流程117
4.5.1 流程图117
4.5.2 路由器代码118
4.5.3 协调器代码120
4.6 ZigBee分析仪分析ZigBee数据包121
4.6.1 协议分析仪121
4.6.2 ZigBee数据格式122
4.6.3 加入网络数据分析125
4.6.4 收发数据分析126
4.7 实验效果128
第5章 ZigBee无线网络开发进阶
5.1 ZigBee协议栈结构129
5.2 ZigBee协议栈实时操作系统132
5.2.1 OS术语介绍132
5.2.2 OSAL API介绍133
5.2.3 OSAL任务142
5.3 ZigBee2006应用接口144
5.3.1 实验目的144
5.3.2 原理介绍144
5.3.3 软件准备SAPI介绍145
5.4 网络形成145
5.4.1 协调器格式化网络146
5.4.2 路由器和终端设备加入网络146
5.4.3 ZDO_StartDevice147
5.5 绑定148
5.5.1 绑定表格149
5.5.2 绑定建立151
5.5.3 绑定解除156
5.6 命令156
5.6.1 命令定义及使用156
5.6.2 串159
5.6.3 ZCL介绍159
5.6.4 Profile介绍160
5.7 灯光控制实验165
5.7.1 APP函数分析165
5.7.2 灯光控制实验过程176
5.7.3 实验总结178
5.8 无线温度传感器实验179
5.8.1 设备179
5.8.2 命令180
5.8.3 发现和绑定180
5.8.4 数据包发送和接收181
第6章 ZigBee2007/PRO入门
6.1 ZigBee2007/PRO入门实验185
6.2 实验设备185
6.2.1 硬件介绍185
6.2.2 硬件组成186
6.3 实验基础知识186
6.3.1 ZigBee2007简介186
6.3.2 ZigBee2007/PRO协议栈简介187
6.3.3 ZigBee设备在Zstack中的体现189
6.4 实验内容191
6.4.1 建立任务192
6.4.2 按键处理函数197
6.4.3 发送函数198
6.4.4 接收处理函数200
6.5 实验步骤和结果200
6.5.1 建立网络200
6.5.2 路由设备加入网络202
6.5.3 发送数据203
6.5.4 退出小组203
6.5.5 加入小组203
6.6 实验拓展204
6.6.1 项目分析204
6.6.2 协调器函数的设计204
6.6.3 路由器设备函数设计205
6.7 实验总结206
第7章 ZigBee2007/PRO进阶
7.1 实验目的207
7.2 实验设备207
7.2.1 硬件介绍207
7.2.2 硬件组成208
7.2.3 ZigBee2007协议栈208
7.3 实验基础知识209
7.3.1 ZigBee PRO简介209
7.3.2 ZigBee PRO中的路由210
7.3.3 ZigBee PRO新功能211
7.3.4 信息包格式211
7.4 实验内容212
7.4.1 初始化任务213
7.4.2 任务处理215
7.4.3 UART_RX_CB_EVT事件219
7.4.4 串口发送函数222
7.4.5 串口接收中断函数223
7.4.6 串口读取函数224
7.4.7 ZigBee发送函数225
7.4.8 ZigBee接收处理函数226
7.5 实验步骤和现象228
7.5.1 建立网络228
7.5.2 路由设备加入网络229
7.5.3 查看网络中节点230
7.5.4 配置地址231
7.5.5 收发数据231
7.6 实验总结233
第8章 ZigBee2007/PRO高级应用——家庭自动化
8.1 家庭自动化概念234
8.2 ZigBee2007/PRO的家庭自动化236
8.3 家庭自动化实验目的236
8.4 家庭自动化体系236
8.5 实验设备237
8.6 家庭自动化实验工程238
8.7 家庭自动化工程剖析239
8.7.1 实验操作流程图240
8.7.2 灯和控制器主函数程序流程图240
8.7.3 其他初始化关键函数242
8.7.4 网络状态变化函数243
8.7.5 绑定相关函数246
8.8 操作系统250
8.8.1 操作系统关键参数251
8.8.2 操作系统关键函数252
8.9 灯设备关键任务256
8.10 控制器关键任务260
8.11 实验操作步骤265
8.12 家庭自动化例程总结268
第9章 ZigBee2007无线传感器网络
9.1 无线传感器网络概述269
9.1.1 什么是无线传感器网络269
9.1.2 无线传感器网络现状270
9.1.3 ZigBee在无线传感器网络上的应用272
9.1.4 ZigBee无线传感器网络系统特点272
9.2 ZigBee2007无线传感器网络实验概述273
9.3 ZigBee2007无线传感器网络硬件设计274
9.3.1 网关底板设计275
9.3.2 传感器底板设计276
9.4 网关与PC机的数据连接281
9.5 ZigBee2007无线传感器网络建立与网络管理287
9.5.1 网络通信过程介绍287
9.5.2 网关网络节点的地址管理288
9.6 网关与节点间的无线采集过程293
9.7 程序编译、下载303
9.8 实验效果304
附录A 网络层所定义的特性常量311
附录B 网络层信息库属性312
参考文献315

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