无线传感网络技术与应用

本书介绍了无线传感器网络研究领域中的相关技术及应用，以ZigBee技术为主要研究对象。

通过三个项目的学习，让读者全面了解ZigBee无线传感网络技术的开发和应用。

前 言

随着无线通信技术、微型制造技术及电池技术的快速发展，微小的无线传感器已具备感应、无线通信及信息处理的能力。无线传感网络（WSN）是信息科学领域中一个全新的发展方向，同时也是新兴学科与传统学科进行领域间交叉的结果。成千上万个微型传感器构成了自治的无线传感网络。无线传感网络节点的微处理能力和无线通信能力使无线传感网络有了广阔的应用前景，能广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。目前，国内外都开展了对无线传感网络技术的研究，许多企业和科研院所都进入了该领域，增加了对该领域的人才需求。

ZigBee是一种新兴的近程（10～100米）、低速率（250kb/s标称速率）、低功耗的无线网络技术，主要用于近距离无线连接，具有低复杂度、低功耗、低速率、低成本、自组网、高可靠、超视距的特点，主要适用于自动控制和远程控制等领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee是一种便宜、低功耗、自组网的近程无线通信技术。

目前国内ZigBee技术主要采用ISM频段中的2.4G频率，其衍射能力弱，穿墙能力弱。家居环境中，即使是一扇门、一扇窗、一堵非承重墙也会让信号大打折扣。当然，有些厂家会使用射频功放对2.4G信号进行放大，但是这样会造成额外的辐射污染，同时也和ZigBee低功耗、节能的初衷背道而驰。ZigBee技术的主要特点是自组网能力强、自恢复能力强，因此对井下定位、停车场车位定位、室外温湿度采集、污染采集等应用非常具有吸引力。

本书涉及计算机、电子通信和自动化等领域，内容涵盖计算机网络、无线通信技术、嵌入式系统开发、计算机软件和算法、信息安全等方面，在编写时还特别注重了基础知识的介绍，尽可能以通俗易懂的语言进行描述。本书以智能家居为背景，选取了三个典型的应用进行讲解。每个任务的关键技术点采取了由点到面的方式。读者通过对本书的学习和课后习题的解答，将对无线传感网络知识有较全面的认识，对一些基本的开发技术、协议和算法有较深刻的理解，快速增加自己的实践经验。

通过对本课程每个任务的学习，读者可以对无线传感网络的典型技术ZigBee技术有详尽的了解，掌握无线传感网络的概念、开发平台、通信协议、ZigBee协议规范、核心芯片CC2530的基础开发，使用CC2530控制各种常见的传感器进行数据采集，了解Z-Stack协议栈等相关知识。

本书内容组织如下：

项目一 设计智能水杯，概括了无线传感网络的基本概念、IEEE802.15.4无线传感网络通信标准，简单介绍ZigBee技术的理论知识、开发项目所依赖的开发平台，基于核心芯片CC2530内部的硬件模块来逐步完成水杯项目，让读者熟悉核心芯片的主要功能。

项目二 设计智能晾衣架，详细介绍ZigBee技术的知识，包括协议框架、不同层次的规范，以及基础的点对点通信，包括网络结构、传输信号的采集、信号的检测等知识点。通过晾衣架项目的开发，让读者初步接触无线传感网络的通信。

项目三 设计小型家庭安防系统，深入介绍Z-Stack协议栈的一些基本概念、Z-Stack的工作机制、Z-Stack轮转查询式操作系统，以及通过Z-Stack组建和管理无线传感网络、采集传感数据等。通过安防系统的开发，读者对Z-Stack在无线传感组网方面的应用有全面的认识。

本书由牟思、殷虹、苏醒编写，其中引用了其他同行的工作成果，在此表示衷心感谢。由于作者水平有限书中难免有错误之处，恳请广大读者批评指正。

编 者

2016年3月

前言

项目一 设计智能水杯 1
任务1 智能水杯开发平台 2
1.1.1 任务描述 2
1.1.2 任务目标 2
1.1.3 知识学习 2
1.1.4 任务实施 19
1.1.5 任务小结 23
任务2 测试智能水杯开发平台 24
1.2.1 任务描述 24
1.2.2 任务目标 24
1.2.3 知识学习 24
1.2.4 任务实施 24
1.2.5 任务小结 31
任务3 CC2530片上系统I/O端口控制 31
1.3.1 任务描述 31
1.3.2 任务目标 32
1.3.3 知识学习 32
1.3.4 任务实施 33
1.3.5 任务小结 37
任务4 CC2530片上系统外部中断控制 37
1.4.1 任务描述 37
1.4.2 任务目标 37
1.4.3 知识学习 38
1.4.4 任务实施 46
1.4.5 任务小结 48
任务5 CC2530片上系统定时器控制 48
1.5.1 任务描述 48
1.5.2 任务目标 49
1.5.3 知识学习 49
1.5.4 任务实施 56
1.5.5 任务小结 58
任务6 CC2530片上系统串口通信 59
1.6.1 任务描述 59
1.6.2 任务目标 59
1.6.3 知识学习 59
1.6.4 任务实施 63
1.6.5 任务小结 70
任务7 智能水杯的温度采集 71
1.7.1 任务描述 71
1.7.2 任务目标 71
1.7.3 知识学习 71
1.7.4 任务实施 73
1.7.5 任务小结 76
任务8 智能水杯的LCD显示 76
1.8.1 任务描述 76
1.8.2 任务目标 76
1.8.3 知识学习 76
1.8.4 任务实施 78
1.8.5 任务小结 80
实训项目 显示不同颜色的智能水杯的设计 80
项目二 设计智能晾衣架 81
任务1 智能晾衣架的无线传输网络 82
2.1.1 任务描述 82
2.1.2 任务目标 82
2.1.3 知识学习 82
2.1.4 任务实施 87
2.1.5 任务小结 87
任务2 智能晾衣架无线网络的实现技术 88
2.2.1 任务描述 88
2.2.2 任务目标 88
2.2.3 知识学习 88
2.2.4 任务实施 94
2.2.5 任务小结 96
任务3 智能晾衣架无线传感网络结构图 96
2.3.1 任务描述 96
2.3.2 任务目标 96
2.3.3 知识学习 96
2.3.4 任务实施 100
2.3.5 任务小结 100
任务4 遥控器和晾衣架两点间无线通信 100
2.4.1 任务描述 100
2.4.2 任务目标 100
2.4.3 知识学习 100
2.4.4 任务实施 104
2.4.5 任务小结 107
任务5 两点间无线传输信号质量检测 108
2.5.1 任务描述 108
2.5.2 任务目标 108
2.5.3 知识学习 108
2.5.4 任务实施 109
2.5.5 任务小结 117
任务6 智能晾衣架的内部软件系统 117
2.6.1 任务描述 117
2.6.2 任务目标 118
2.6.3 知识学习 118
2.6.4 任务实施 124
2.6.5 任务小结 127
任务7 智能晾衣架的信号传输 127
2.7.1 任务描述 127
2.7.2 任务目标 127
2.7.3 知识学习 128
2.7.4 任务实施 129
2.7.5 任务小结 139
任务8 智能晾衣架的无线信号检测 139
2.8.1 任务描述 139
2.8.2 任务目标 139
2.8.3 知识学习 139
2.8.4 任务实施 142
2.8.5 任务小结 143
实训项目 带超重传感器的智能晾衣架的
设计 143
项目三 设计小型家庭安防系统 144
任务1 绘制安防系统功能结构图 145
3.1.1 任务描述 145
3.1.2 任务目标 145
3.1.3 知识学习 145
3.1.4 任务实施 149
3.1.5 任务小结 152
任务2 绘制安防系统无线传感网络拓扑
结构图 152
3.2.1 任务描述 152
3.2.2 任务目标 152
3.2.3 知识学习 152
3.2.4 任务实施 153
3.2.5 任务小结 153
任务3 安防系统的网络设备选型 153
3.3.1 任务描述 153
3.3.2 任务目标 154
3.3.3 知识学习 154
3.3.4 任务实施 156
3.3.5 任务小结 156
任务4 确定安防系统无线模块地址 156
3.4.1 任务描述 156
3.4.2 任务目标 157
3.4.3 知识学习 157
3.4.4 任务实施 158
3.4.5 任务小结 160
任务5 确定无线通信方式 160
3.5.1 任务描述 160
3.5.2 任务目标 161
3.5.3 知识学习 161
3.5.4 任务实施 165
3.5.5 任务小结 178
任务6 组建ZigBee无线传感网络 179
3.6.1 任务描述 179
3.6.2 任务目标 179
3.6.3 知识学习 179
3.6.4 任务实施 180
3.6.5 任务小结 182
任务7 管理ZigBee无线传感网络 182
3.7.1 任务描述 182
3.7.2 任务目标 183
3.7.3 知识学习 183
3.7.4 任务实施 188
3.7.5 任务小结 198
任务8 安防系统无线传感数据的采集 199
3.8.1 任务描述 199
3.8.2 任务目标 199
3.8.3 知识学习 199
3.8.4 任务实施 200
3.8.5 任务小结 210
任务9 安防系统中传感器的数据传输 211
3.9.1 任务描述 211
3.9.2 任务目标 211
3.9.3 温湿度数据的无线传输 211
3.9.4 光照数据的无线传输 221
3.9.5 烟雾数据的无线传输 228
3.9.6 红外热释电传感器数据的无线传输 236
实训项目 带防煤气中毒探测器的安防系统
的设计 243

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