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ZigBee技术原理与实战


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杜军朝 刘惠 刘传益 马海潮 等编著
978-7-111-48096-9
59.00
376
2015年03月16日

计算机 > 计算机网络 > 网络协议

2108
简体中文
16

教材
物联网工程专业规划教材



1CD




本书深入分析和实践了一门新兴无线通信技术ZigBee。该书深入浅出、循序渐进地从原理到实践、从实验到实战,系统全面地讲述了ZigBee通信技术原理、Z-Stack协议栈以及在工程实践中应用实例,并通过实际的案例说明了Zigbee的应用方法,让读者在宏观上把握ZigBee技术及其所属无线传感器网络技术背景,在理论上系统深入学习ZigBee技术知识体系并熟悉具体原理细节,在实践中熟练运用ZigBee技术开发无线传感器网络应用系统。
ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术,具有经济、可靠、易于部署等优势,已成为无线传感网中最具潜力和研究价值的领域,并在工业控制、环境监测、智能家居、医疗护理、安全预警、目标追踪等应用场合展现出广阔的市场前景。
本书结合作者多年的研究和工程项目经验编写而成,不仅系统介绍ZigBee技术的原理,同时结合案例阐述如何利用ZigBee技术开发实际应用。

本书特点:
本书编写目的是让读者在宏观上把握ZigBee及其所属无线传感器网络背景,在理论上系统深入学习ZigBee技术知识体系并熟悉具体原理细节,在实践中熟练运用ZigBee技术开发无线传感器网络应用系统。
在写法上,本书摒弃了技术手册式的编写模式,而是将技术原理与真实案例融会贯通,按照从原理到实践、从实验到实战的理念,以TI公司CC2530片上系统和Z-Stack2007/Pro协议栈为例,循序渐进地引导读者深入理解ZigBee技术,进而掌握如何使用ZigBee技术来完成自己的项目需求。
为了方便读者更好地学习、掌握ZigBee技术,作者为不同基础的学习者规划了学习路线,传授相应的学习方法。无论读者的基础如何,根据作者的学习建议,辅以充分的实践,均能掌握用ZigBee技术开发实际应用的方法。
本书既可作为工程技术人员学习ZigBee技术的参考资料,也可作为高校物联网工程及相关专业的课程参考书或实践教学参考书。

本书撰写过程中得到了国家自然科学基金项目(60803152,61100075,61272456,61472312),国家科技重大专项(2010ZX03006-002-04),陕西省科技统筹创新工程计划,西安市科技计划项目,中兴通讯公司产学研合作项目等支持,特此感谢!

前:
随着芯片成本的不断降低,可联网的终端数目激增,人们对实现人类社会和物理系统的信息整合的需求不断提升,催生出物联网这一新兴领域。物联网的网络层连接感知层和应用层,具有强大的桥梁作用,是物联网中重要的基础设施。ZigBee技术正是物联网网络层中的关键技术之一,特别适用于工业现场自动化控制数据传输建立,具有简单、方便、可靠、低成本、低功耗等优势。本书旨在从宏观上把握ZigBee及其所属无线传感器网络的背景,理论上系统深入学习ZigBee技术知识体系并熟悉原理细节,实践中熟练运用ZigBee技术开发无线传感器网络应用系统。本书适合高校物联网工程专业学生作为教材,也适合从事物联网相关工作的技术人员参考。

后:
杜军朝
西安电子科技大学软件学院教授,博士生导师,中国计算机学会高级会员,ACM 和IEEE 会员。主要从事移动计算、物联网系统和软件中间件技术研发工作,研究方向包括无线传感网的栅栏覆盖问题、传感网基于约会规划和信息势的数据收集问题、基于射频信号的室内定位问题和面向融合通信的软件中间件技术。研究工作获得国家自然科学基金、国家科技重大专项、教育部科学技术研究重点项目、陕西省和西安市科技计划以及中电集团研究所和中兴通讯公司产学研合作项目支持。在国际学术期刊和国际会议发表论文40多篇,获国家发明专利授权6项。国家自然科学基金通讯评委,教育部留学回国人员科研启动基金评委。
ZigBee简介
ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术,兼具经济、可靠、易于部署等优势,已成为无线传感器网络中最具潜力和研究价值的技术,在工业控制、环境监测、智能家居、医疗护理、安全预警、目标追踪等应用场合已展现出广阔的市场前景。
与传统网络类似,ZigBee无线传感器网络也需要相应的网络协议支持。 ZigBee联盟采用IEEE 802.15.4标准作为ZigBee网络的物理层和介质访问控制层(MAC)规范,并以此为基础制定网络层和应用层规范。一些国际知名的大公司和组织依据ZigBee的标准和规范实现了各自的协议栈,如德州仪器(TI)的Z-Stack[119],飞思卡尔(Freescale)的BeeStack[122]。ZigBee应用项目开发也需要以这些协议栈为基础。
本书特色
目前,市面上介绍ZigBee技术的书籍主要分为两种:一种是介绍IEEE 802.15.4标准和ZigBee联盟规范的原理书,虽然全面详细,但读者不易理解ZigBee技术在实际中的应用;另一种是讲解Z-Stack官方例程的实践书,虽然具有一定指导性,但大都是对ZigBee技术泛泛而谈,更类似于Z-Stack使用手册。鉴于此,本书结合作者在ZigBee无线传感器网络具体项目上的经验,深入地分析了ZigBee网络通信原理和Z-Stack协议栈,提炼并剖析了多个具有代表性的协议栈案例。
本书特点是从原理到实践,从实验到实战,利用TI公司CC2530片上系统,并基于Z-Stack 2007/Pro协议栈,循序渐进地引导读者深入地理解ZigBee技术,进而掌握如何使用ZigBee技术来完成自己的项目需求。
本书的编写目的是让读者在宏观上把握ZigBee及其所属无线传感器网络的背景,在理论上系统深入地学习ZigBee技术并熟悉具体原理细节,在实践中熟练运用ZigBee技术开发无线传感器网络应用系统。
章节安排
全书共分为8章,章节组织如下:
第1章,ZigBee技术背景概述。本章首先介绍ZigBee所属的无线传感器网络领域应用现状、网络特点、关键技术、应用前景等,然后讲述ZigBee技术在无线传感器网络中的位置、目的、功能、特点以及运行机理。
第2章,ZigBee无线传感器网络通信标准。ZigBee网络技术大致由三部分组成:一是由IEEE定义的802.15.4标准,其构成了ZigBee网络协议的物理层和介质访问控制层;二是由ZigBee联盟制定的网络层和应用层规范;三是由用户根据需求在应用层规划的协议。本章结合编者的ZigBee网络项目实践,参考Z-Stack协议栈实现,阐述了IEEE 802.15.4标准以及ZigBee网络层和应用层规范。
第3章,ZigBee常用射频芯片介绍。第2章讲述了ZigBee网络通信标准等理论知识,然而ZigBee网络并不是空中楼阁,需要特定射频芯片和硬件平台承载运行。本章首先介绍一些领先半导体生产厂商推出的支持IEEE 802.15.4标准的射频芯片,如TI CC253X[117]、Freescale MC1319X[120]、Ember EM35X[123],然后介绍一些用于学习、开发ZigBee网络应用的硬件平台。
第4章,ZigBee技术软硬件开发环境介绍。古语说得好:工欲善其事,必先利其器。为了提高项目开发效率,读者需要选择合适的软硬件开发工具,搭建开发环境,并使用抓包工具分析调试程序,以帮助读者尽快排查无线网络中出现的问题。本章最后几节带领读者利用Z-Stack例程建立一个新的应用工程。虽然建立的是一个空工程,但是这将是读者运用ZigBee协议栈实践自己工程项目的基础。新建应用工程是一个必不可少的过程,同时也是最重要的环节之一。
第5章,TI Z-Stack 2007协议栈架构及重要术语。与传统基于TCP/IP网络的应用类似,ZigBee项目开发也需要网络协议栈作为基础。一些国际知名的大公司和组织也实现了自己的ZigBee协议栈。本章通过深入介绍TI Z-Stack 2007协议栈让读者理解ZigBee标准和规范对应代码层次的实现,并掌握Z-Stack协议栈架构和操作系统调度运行机理。本章还介绍了Z-Stack各层间原语通信的实现,同时也罗列并阐述了在ZigBee应用开发中容易引起读者困惑的重要术语(这些困惑是编者在开发过程中也曾经遇到的)。本章最后讲述了Z-Stack中网络的运行机理,以便读者深入理解协议栈的执行。
第6章,基于TI Z-Stack 2007/Pro的应用实践(这是本书的核心内容)。编者根据ZigBee无线工控网络的实现,从不同方面提炼出多个具有代表性的典型案例。
创建ZigBee协议栈工程:介绍怎样创建一个新的工程、添加应用层任务并完成简单事件的处理,实现简单的ZigBee网络。
ZigBee建网和入网:详细阐述了ZigBee网络组建过程,并利用抓包工具Packet Sniffer分析数据在ZigBee网络中的传输流程。
ZigBee网络自诊断:使用串口UART1实现ZigBee网络系统的自诊断,方便程序调试,判断网络中的故障点。
ZigBee网络外部环境数据采集:利用传感器节点采集外部环境温度、光照等信息,构建一个具有实际意义的无线传感器网络。
ZigBee网络的AES数据加密:为了避开设备干扰和防止数据信息被窃听,ZigBee网络通过采用数据加密技术提高系统运行的安全性。
ZigBee多跳组播:ZigBee网络工作组内设备可以接收组播数据包,而组外设备将无法接收,进而实现对特定设备的分组管理。
第7章,基于ZigBee技术的无线工控网络系统。本章素材来自一个具体的产学研项目,让读者身临其境地感受如何运用ZigBee技术开发无线传感器网络实际应用系统。该项目主要研究ZigBee大规模网络在新型工业缝制设备中的部署,推广物联网产业化应用。该系统利用ZigBee自组织网络,实时进行数据采集和高可靠传输,并通过自主研发的硬件网关设备,将数据上传至后台监控服务系统以完成数据统计、分析和预测。该系统已经完成大面积部署,并在一些服装厂得到了有效运用,效果良好。
第8章,ZigBee技术关键问题研究。本章探讨ZigBee无线传感器网络性能提升方面的高级话题,可供读者深入学习研究ZigBee技术。
调整ZigBee网络节点发射功率:考虑到ZigBee网络节点能源供应受限问题,通过合理调节发射功率,降低节点能量消耗,进而延长ZigBee网络寿命。
ZigBee网络的 LQI(链路质量指示)、RSSI(信号强度)、丢包率:考虑到实际ZigBee网络部署环境的复杂多变性,LQI、RSSI、丢包率等性能指标对ZigBee网络资源的分配调度具有重要参考意义。
影响ZigBee网络数据传输速率的因素:考虑到节点间的通信距离、发射功率、障碍物以及节点干扰等因素对数据发送速率的影响,进一步测试、评估数据传输速率能否满足实际应用需要。
ZigBee网络多信道调度:为提高ZigBee网络规模,利用ZigBee多信道特性建立多个PAN网络;节点根据多个网络的负载程度有选择性地加入网络;由于某种原因与网络断开连接后,节点自动切换信道加入另一个可用网络,以增强网络灵活性和对外界环境的抗干扰性。
ZigBee网络低功耗模式机制研究:考虑到网络节点间通信频率较低的应用场合,ZigBee节点依据某种策略进行周期性休眠与唤醒,这对减少ZigBee网络能量消耗,实现低占空比(Low Duty-Cycle)网络具有重要参考意义。
本书用法
本书可作为无线传感器网络、ZigBee技术相关领域研究开发人员的案头参考用书,以及物联网、计算机、自动化、无线通信等相关专业本科生、研究生的实用教材。
(1)作为工程技术人员和研究人员参考用书
对于专业技术研究开发人员而言,建议读者先浏览本书的前3章,然后从第4章搭建软硬件开发环境开始重点学习。通过学习第5章,读者可快速了解TI Z-Stack
协议栈开发基础。通过第6章TI Z-Stack 2007/Pro应用实践的学习,读者可快速入门TI Z-Stack程序开发,构建一个具有实际意义的ZigBee网络。第7章可为读者提供实际无线传感器网络应用项目解决方案的思路。如果实际项目对网络性能有要求,读者可研读第8章。如果需要继续研究ZigBee技术,读者可再次深入学习本书前4章的理论知识。
(2)作为教材或教学参考用书
本书兼顾系统性和通用性,且理论性与实践性并重,可作为54学时的ZigBee技术原理与应用教材。建议学生在学习第6章协议栈实践部分时,要经常联系第2章ZigBee通信原理内容,通过原理和实践相结合的方式可更迅速、熟练地掌握ZigBee技术。
(3)对初学ZigBee技术读者的建议
1)首先应了解ZigBee所属无线传感器网络领域的特征及基本概念。
2)ZigBee技术是软硬件结合的技术,硬件和软件的学习同样重要。建议初学者尽量购买市面上成熟的ZigBee模块和协议栈产品,迅速搭建好软硬件开发平台。并学习、完成关于单片机芯片(如CC2530)的基础实践项目,了解CC2530芯片的基本结构,尤其是如何配置相关寄存器。
3)通过学习第6章的简单示例程序来了解具体编程方法,熟悉开发软件和ZigBee网络操作。并结合应用需求,利用现有程序模板进行项目开发。
4)了解ZigBee协议架构,结合ZigBee无线通信标准原理熟悉Z-Stack的层次和结构。
5)经常参考IEEE 802.15.4标准、ZigBee规范、模块及射频芯片原理图、Z-Stack开发、Z-Stack应用API等文档。
6)运行和修改本书中的案例源代码是学习ZigBee技术编程的很好方法。
7)当利用开发板测试程序和验证功能正确后,读者就可以考虑开发自己的电路板了,将外围器件整合到ZigBee模块上或者将ZigBee模块嵌入到其他设备中。这样有利于ZigBee设备小型化、精简化、集成化、低成本化和产品化。
西安电子科技大学移动计算和物联网系统实验室自2006年就开始了传感器网络技术的研究,并先后获得了国家科技重大专项、国家自然科学基金、教育部科学技术研究重点项目等纵向课题的研究,同时中兴通讯公司产学研基金也多次资助实验室开展研究。自2010年,实验室开始研发基于ZigBee的软硬件系统,并研发了终端节点和网关设备,开发了面向特定行业的软件系统。在项目实施中,为了能够将相关技术传承下来,教师指导研究生撰写了大量的技术报告和学习报告来记录相关技术的实验,这为本书奠定了坚实的基础。刘传益同学提议将这些技术整理一下,撰写成书,以为同行和同学提供帮助。采纳了他的建议后,让实验室的科研小组撰写了大纲的初稿,后经过师生多次讨论,确定了书稿的内容。整个科研小组都为本书的编写作出了贡献。第一稿完成后,杜军朝、刘惠、刘传益和马海潮又进行了若干轮的反复修订和统稿。
本书从决心要写,到提纲形成,再到分工编写成稿、案例验证、反复修订、统稿,直到和读者见面,历经四年多的时间,凝结着整个科研小组的心血。为方便读者学习,本书还有配套光盘,其包含了本书的例程代码。同时,王利敏、张荧俊、张捷同学在他们过往的研究生涯中为科研小组留下了珍贵的无线传感器网络资料,在此表示感谢。
本书许多原创性实验为刘传益和冀维臻同学合作完成的,在暑假期间,两人夜以继日地调试ZigBee模块。而对于其他参与者而言,李旋是个技术爱好者,善写博文,涉猎广泛,乐于钻研。姚家胜做事认真,高标准,严要求,极富文档编写能力。刘志富天资聪颖,思路敏捷,软硬兼吃,他曾“研究”过ZigBee原理、操作系统调度,也曾“刻画”过硬件PCB电路板。李兴是编程大牛,依稀记得他在编程时,戴着耳麦,盯着屏幕,猛敲键盘。科研小组的成员李晓军、刘文涛、薛鹏、孔鑫、张应昌同学也积极参与了本书的编写和修订。
机械工业出版社华章公司的编辑们在本书的编写和出版过程中也提供了很多宝贵的指导意见。感谢TI公司对本书的支持。本书同时也凝聚了很多ZigBee领域科研、工作、学习人员的智慧和见解。在此对他们表示衷心的感谢。
由于编者水平有限,书中难免出现错误和不妥之处,敬请广大读者批评指正。
编者2014年10月
于西安电子科技大学老校区

前言
第1章 ZigBee技术背景概述?/1
1.1 无线传感器网络概述?/1
1.1.1 无线传感器网络的发展和现状?/2
1.1.2 无线传感器网络的体系结构?/6
1.1.3 无线传感器网络的特点?/8
1.1.4 无线传感器网络的典型应用?/10
1.1.5 无线传感器网络的关键技术?/14
1.1.6 无线传感器网络介质访问控制协议与路由协议?/19
1.2 ZigBee技术概述?/23
1.2.1 ZigBee技术简介?/23
1.2.2 ZigBee技术基础?/26
1.2.3 ZigBee网络的特点?/37
1.2.4 ZigBee技术应用?/40
第2章 ZigBee无线传感器网络通信标准?/43
2.1 IEEE 802.15.4标准?/48
2.1.1 物理层?/49
2.1.2 介质访问控制层?/55
2.2 ZigBee规范?/92
2.2.1 网络层规范?/95
2.2.2 应用层规范?/128
第3章 ZigBee常用射频芯片介绍?/148
3.1 TI CC2530芯片介绍?/149
3.1.1 芯片特性?/149
3.1.2 CPU与内存?/153
3.1.3 I/O与外围设备接口?/167
3.1.4 TI CC2530与CC2430的比较?/172
3.2 MC13192/MC13193芯片介绍?/173
3.2.1 芯片特性?/173
3.2.2 电气特性?/177
3.2.3 推荐工作条件?/177
3.3 EM351/EM357芯片介绍?/177
3.3.1 CPU与内存?/179
3.3.2 I/O与外围设备接口?/180
第4章 ZigBee技术软硬件开发环境介绍?/184
4.1 硬件开发平台介绍?/185
4.1.1 TI CC2530最小模块?/185
4.1.2 底板模块?/187
4.2 软件开发环境介绍?/193
4.2.1 TI Z-Stack协议栈安装?/193
4.2.2 开发环境IAR介绍?/197
4.2.3 SmartRF Packet Sniffer?/203
4.3 新建应用工程?/204
4.3.1 复制和重命名文件/文件夹?/204
4.3.2 编辑项目文件?/207
4.3.3 编辑源程序?/207
4.3.4 验证修改的项目和源程序?/208
第5章 TI Z-Stack 2007协议栈架构及重要术语?/210
5.1 TI Z-Stack协议栈架构分析?/211
5.1.1 TI Z-Stack项目文件组织?/211
5.1.2 系统初始化?/212
5.1.3 操作系统任务管理?/213
5.1.4 TI Z-Stack层间原语通信?/218
5.2 TI Z-Stack应用层重要术语?/219
5.2.1 规约?/219
5.2.2 协议栈规约?/220
5.2.3 属性?/221
5.2.4 群集?/221
5.2.5 端点?/222
5.2.6 绑定?/223
5.3 TI Z-Stack网络运行机理?/227
5.3.1 网络寻址?/227
5.3.2 路由机制?/230
第6章 基于TI Z-Stack 2007/Pro的应用实践?/233
6.1 创建ZigBee协议栈工程?/233
6.2 ZigBee建网和入网?/245
6.3 ZigBee网络自诊断?/256
6.4 ZigBee网络外部环境数据采集?/263
6.5 ZigBee网络的AES数据加密?/272
6.6 ZigBee多跳组播?/275
第7章 基于ZigBee技术的无线工控网络系统?/286
7.1 系统介绍?/286
7.2 系统演示?/288
7.3 系统实现?/289
7.3.1 系统总体设计?/289
7.3.2 系统数据交互协议?/290
7.3.3 ZigBee网关实现?/292
7.3.4 ZigBee网络的实现 ?/293
第8章 ZigBee技术关键问题研究?/296
8.1 调整ZigBee网络节点发射功率?/296
8.2 ZigBee网络的LQI、RSSI和包接收率?/302
8.3 影响ZigBee网络数据传输速率的因素?/310
8.4 ZigBee网络多信道调度?/316
8.5 ZigBee网络低功耗模式机制研究?/329
附录A TI Z-Stack 2007/Pro编译选项?/339
附录B TI Z-Stack 2007/Pro重要数据结构?/342
附录C 部分ZigBee协议原语及其TI Z-Stack实现形式?/350
延伸阅读?/358
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