本書介紹了無線傳感器網絡研究領域中的相關技術及應用，以ZigBee技術為主要研究對象。

通過三個項目的學習，讓讀者全面了解ZigBee無線傳感網絡技術的開發和應用。

前 言

隨著無線通信技術、微型制造技術及電池技術的快速發展，微小的無線傳感器已具備感應、無線通信及信息處理的能力。無線傳感網絡（WSN）是信息科學領域中一個全新的發展方向，同時也是新興學科與傳統學科進行領域間交叉的結果。成千上萬個微型傳感器構成了自治的無線傳感網絡。無線傳感網絡節點的微處理能力和無線通信能力使無線傳感網絡有了廣闊的應用前景，能廣泛用于軍事、環境、醫療保健、空間探索及各種商業應用。目前，國內外都開展了對無線傳感網絡技術的研究，許多企業和科研院所都進入了該領域，增加了對該領域的人才需求。

ZigBee是一種新興的近程（10～100米）、低速率（250kb/s標稱速率）、低功耗的無線網絡技術，主要用于近距離無線連接，具有低復雜度、低功耗、低速率、低成本、自組網、高可靠、超視距的特點，主要適用于自動控制和遠程控制等領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee是一種便宜、低功耗、自組網的近程無線通信技術。

目前國內ZigBee技術主要采用ISM頻段中的2.4G頻率，其衍射能力弱，穿墻能力弱。家居環境中，即使是一扇門、一扇窗、一堵非承重墻也會讓信號大打折扣。當然，有些廠家會使用射頻功放對2.4G信號進行放大，但是這樣會造成額外的輻射污染，同時也和ZigBee低功耗、節能的初衷背道而馳。ZigBee技術的主要特點是自組網能力強、自恢復能力強，因此對井下定位、停車場車位定位、室外溫濕度采集、污染采集等應用非常具有吸引力。

本書涉及計算機、電子通信和自動化等領域，內容涵蓋計算機網絡、無線通信技術、嵌入式系統開發、計算機軟件和算法、信息安全等方面，在編寫時還特別注重了基礎知識的介紹，盡可能以通俗易懂的語言進行描述。本書以智能家居為背景，選取了三個典型的應用進行講解。每個任務的關鍵技術點采取了由點到面的方式。讀者通過對本書的學習和課后習題的解答，將對無線傳感網絡知識有較全面的認識，對一些基本的開發技術、協議和算法有較深刻的理解，快速增加自己的實踐經驗。

通過對本課程每個任務的學習，讀者可以對無線傳感網絡的典型技術ZigBee技術有詳盡的了解，掌握無線傳感網絡的概念、開發平臺、通信協議、ZigBee協議規范、核心芯片CC2530的基礎開發，使用CC2530控制各種常見的傳感器進行數據采集，了解Z-Stack協議棧等相關知識。

本書內容組織如下：

項目一 設計智能水杯，概括了無線傳感網絡的基本概念、IEEE802.15.4無線傳感網絡通信標準，簡單介紹ZigBee技術的理論知識、開發項目所依賴的開發平臺，基于核心芯片CC2530內部的硬件模塊來逐步完成水杯項目，讓讀者熟悉核心芯片的主要功能。

項目二 設計智能晾衣架，詳細介紹ZigBee技術的知識，包括協議框架、不同層次的規范，以及基礎的點對點通信，包括網絡結構、傳輸信號的采集、信號的檢測等知識點。通過晾衣架項目的開發，讓讀者初步接觸無線傳感網絡的通信。

項目三 設計小型家庭安防系統，深入介紹Z-Stack協議棧的一些基本概念、Z-Stack的工作機制、Z-Stack輪轉查詢式操作系統，以及通過Z-Stack組建和管理無線傳感網絡、采集傳感數據等。通過安防系統的開發，讀者對Z-Stack在無線傳感組網方面的應用有全面的認識。

本書由牟思、殷虹、蘇醒編寫，其中引用了其他同行的工作成果，在此表示衷心感謝。由于作者水平有限書中難免有錯誤之處，懇請廣大讀者批評指正。

編 者

2016年3月

前言

項目一 設計智能水杯 1
任務1 智能水杯開發平臺 2
1.1.1 任務描述 2
1.1.2 任務目標 2
1.1.3 知識學習 2
1.1.4 任務實施 19
1.1.5 任務小結 23
任務2 測試智能水杯開發平臺 24
1.2.1 任務描述 24
1.2.2 任務目標 24
1.2.3 知識學習 24
1.2.4 任務實施 24
1.2.5 任務小結 31
任務3 CC2530片上系統I/O端口控制 31
1.3.1 任務描述 31
1.3.2 任務目標 32
1.3.3 知識學習 32
1.3.4 任務實施 33
1.3.5 任務小結 37
任務4 CC2530片上系統外部中斷控制 37
1.4.1 任務描述 37
1.4.2 任務目標 37
1.4.3 知識學習 38
1.4.4 任務實施 46
1.4.5 任務小結 48
任務5 CC2530片上系統定時器控制 48
1.5.1 任務描述 48
1.5.2 任務目標 49
1.5.3 知識學習 49
1.5.4 任務實施 56
1.5.5 任務小結 58
任務6 CC2530片上系統串口通信 59
1.6.1 任務描述 59
1.6.2 任務目標 59
1.6.3 知識學習 59
1.6.4 任務實施 63
1.6.5 任務小結 70
任務7 智能水杯的溫度采集 71
1.7.1 任務描述 71
1.7.2 任務目標 71
1.7.3 知識學習 71
1.7.4 任務實施 73
1.7.5 任務小結 76
任務8 智能水杯的LCD顯示 76
1.8.1 任務描述 76
1.8.2 任務目標 76
1.8.3 知識學習 76
1.8.4 任務實施 78
1.8.5 任務小結 80
實訓項目 顯示不同顏色的智能水杯的設計 80
項目二 設計智能晾衣架 81
任務1 智能晾衣架的無線傳輸網絡 82
2.1.1 任務描述 82
2.1.2 任務目標 82
2.1.3 知識學習 82
2.1.4 任務實施 87
2.1.5 任務小結 87
任務2 智能晾衣架無線網絡的實現技術 88
2.2.1 任務描述 88
2.2.2 任務目標 88
2.2.3 知識學習 88
2.2.4 任務實施 94
2.2.5 任務小結 96
任務3 智能晾衣架無線傳感網絡結構圖 96
2.3.1 任務描述 96
2.3.2 任務目標 96
2.3.3 知識學習 96
2.3.4 任務實施 100
2.3.5 任務小結 100
任務4 遙控器和晾衣架兩點間無線通信 100
2.4.1 任務描述 100
2.4.2 任務目標 100
2.4.3 知識學習 100
2.4.4 任務實施 104
2.4.5 任務小結 107
任務5 兩點間無線傳輸信號質量檢測 108
2.5.1 任務描述 108
2.5.2 任務目標 108
2.5.3 知識學習 108
2.5.4 任務實施 109
2.5.5 任務小結 117
任務6 智能晾衣架的內部軟件系統 117
2.6.1 任務描述 117
2.6.2 任務目標 118
2.6.3 知識學習 118
2.6.4 任務實施 124
2.6.5 任務小結 127
任務7 智能晾衣架的信號傳輸 127
2.7.1 任務描述 127
2.7.2 任務目標 127
2.7.3 知識學習 128
2.7.4 任務實施 129
2.7.5 任務小結 139
任務8 智能晾衣架的無線信號檢測 139
2.8.1 任務描述 139
2.8.2 任務目標 139
2.8.3 知識學習 139
2.8.4 任務實施 142
2.8.5 任務小結 143
實訓項目 帶超重傳感器的智能晾衣架的
設計 143
項目三 設計小型家庭安防系統 144
任務1 繪制安防系統功能結構圖 145
3.1.1 任務描述 145
3.1.2 任務目標 145
3.1.3 知識學習 145
3.1.4 任務實施 149
3.1.5 任務小結 152
任務2 繪制安防系統無線傳感網絡拓撲
結構圖 152
3.2.1 任務描述 152
3.2.2 任務目標 152
3.2.3 知識學習 152
3.2.4 任務實施 153
3.2.5 任務小結 153
任務3 安防系統的網絡設備選型 153
3.3.1 任務描述 153
3.3.2 任務目標 154
3.3.3 知識學習 154
3.3.4 任務實施 156
3.3.5 任務小結 156
任務4 確定安防系統無線模塊地址 156
3.4.1 任務描述 156
3.4.2 任務目標 157
3.4.3 知識學習 157
3.4.4 任務實施 158
3.4.5 任務小結 160
任務5 確定無線通信方式 160
3.5.1 任務描述 160
3.5.2 任務目標 161
3.5.3 知識學習 161
3.5.4 任務實施 165
3.5.5 任務小結 178
任務6 組建ZigBee無線傳感網絡 179
3.6.1 任務描述 179
3.6.2 任務目標 179
3.6.3 知識學習 179
3.6.4 任務實施 180
3.6.5 任務小結 182
任務7 管理ZigBee無線傳感網絡 182
3.7.1 任務描述 182
3.7.2 任務目標 183
3.7.3 知識學習 183
3.7.4 任務實施 188
3.7.5 任務小結 198
任務8 安防系統無線傳感數據的采集 199
3.8.1 任務描述 199
3.8.2 任務目標 199
3.8.3 知識學習 199
3.8.4 任務實施 200
3.8.5 任務小結 210
任務9 安防系統中傳感器的數據傳輸 211
3.9.1 任務描述 211
3.9.2 任務目標 211
3.9.3 溫濕度數據的無線傳輸 211
3.9.4 光照數據的無線傳輸 221
3.9.5 煙霧數據的無線傳輸 228
3.9.6 紅外熱釋電傳感器數據的無線傳輸 236
實訓項目 帶防煤氣中毒探測器的安防系統
的設計 243

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