具体描述
基本信息
书名：Zig Bee技术实践教程(内附光盘1张)
定价：58.00元
作者：高守玮,吴灿阳
出版社：北京航空航天大学出版社
出版日期：2009-06-01
ISBN：9787811245127
字数：
页码：
版次：1
装帧：平装
开本：16开
商品重量：0.622kg
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内容提要
本书以ZigBee无线传感网络技术为主要对象，以基于CC2430/31芯片（TI/Chipcon公司）的HFZCC2430/31ZDK开发套件为硬件平台，深入剖析了TI的ZStack协议栈架构和编程接口，并详细讲述了如何在此基础上开发自己的ZigBee项目。本书分为5个篇章：理论篇、准备篇、入门篇、进阶篇和提高篇。理论篇简要介绍了无线传感器网络和ZigBee协议规范的基础知识，为读者进行ZigBee项目开发提供理论指导，以便开发时参考；准备篇讲述了ZigBee硬件开发平台、软件开发环境的组成和安装，以及通过17个CC2430/31片内外设的操作例程来阐述CC2430/31片上系统的开发和使用；入门篇以一个通俗易懂的例子讲述了轮转查询式操作系统的基本原理，并介绍了这种操作系统在TI ZStack中的应用以及TI ZStack的用户编程接口；进阶篇通过几个例子演示如何建立简单的ZigBee无线传感网络系统，并详细阐述了ZigBee协议规范的几个重要概念在TI ZStack的代码实现；提高篇通过智能家居系统、无线数据透明传输系统、工业无线传感网络系统、无线定位系统等典型的ZigBee技术解决方案，详细介绍了如何开发实际的ZigBee项目。
本书可作为工程技术人员进行单片机、无线传感器网络应用、ZigBee技术等项目开发的学习、参考用书，也可作为高等院校高年级本科生或研究生计算机、电子、自动化、无线通信等课程的教材。
目录
理论篇
章 无线传感器网络概述
1.1 无线传感器网络的发展历程
1.2 无线传感器网络的研究现状和前景
1.2.1 无线传感器网络的研究现状
1.2.2 无线传感器网络的研究前景
1.3 无线传感器网络的特点
1.4 无线传感器网络体系结构
1.4.1 传感器节点体系结构
1.4.2 无线传感器网络协议
1.4.3 无线传感器网络拓扑结构
1.5 无线传感器网络的关键技术
1.6 无线传感器网络的应用
1.7 典型短距离无线通信网络技术
1.7.1 几种近距离无线通信技术
1.7.2 短距离无线通信协议的比较
第2章 IEEE 802.15.4/ZigBee无线传感器网络通信标准
2.1 IEEE 802.15.4标准
2.1.1 IEEE 802.15.4主要特点
2.1.2 物理层（PHY）规范
2.1.3 媒体介质访问层（MAC）规范
2.1.4 分层协议标准的关键术语介绍
2.2 ZigBee技术概述
2.2.1 网络层（NWK）规范
2.2.2 应用层（APL）规范
2.2.3 ZigBee协议栈各层帧结构之间的关系
2.2.4 ZigBee网络配置
2.2.5 ZigBee协议术语
2.2.6 数据传输机制
准备篇
第3章 ZigBee开发平台
3.1 ZigBee硬件平台介绍
3.1.1 ZigBee无线传感器网络技术开发套件
3.1.2 HFZSmartRF04EB母板
3.1.3 HFZCC2430/31EM模块
3.1.4 HFZSoC_BB（电池板）
3.2 ZigBee开发软件介绍
3.2.1 IAR EW8051集成开发环境及其使用说明
3.2.2 ZigBee2006协议栈
3.2.3 SmartRF Flash Programmer软件
3.2.4 ZigBee协议分析仪软件Packet Sniffer
3.2.5 ZigBee无线定位系统图形监视软件
第4章 CC2430基础实验
4.1 CC2430芯片概述
4.1.1 主要特性
4.1.2 CC2430/31芯片引脚的功能
4.1.3 增强型8051内核
4.2 通用数字I/O接口
4.2.1 实验目的
4.2.2 实验原理及代码
4.2.3 实验演示
4.3 点阵式LCD驱动
4.3.1 实验目的
4.3.2 实验原理及代码
4.3.3 实验演示
4.4 时钟模式
4.4.1 实验目的
4.4.2 实验原理及代码
4.4.3 实验演示
……
入门篇
第5章 TI ZStack软件架构
第6章 TI ZStack开发基础
进阶篇
第7章 ZigBee基础实验（SimpleApp）
第8章 ZigBee基础实验（HomeAutomation）
提高篇
第9章 智能家居演示系统
0章 无线数据透明传输系统
1章 工业气体检测系统
2章 ZigBee无线定位系统
附录
附录A ZigBee协议栈中常用的API
附录B 网络层信息库属性
附录C 光盘目录
参考文献
本书编委会
作者介绍
文摘
序言
ZigBee技术实践教程（内附光盘1张） 内容简介 本书是一本深入探讨ZigBee技术的实践性教程，旨在为读者提供全面、系统且易于理解的学习体验。从ZigBee协议栈的基础概念到实际应用开发，本书都进行了详尽的阐述，并通过丰富的实例和代码演示，帮助读者快速掌握ZigBee技术的核心要领，并能独立完成基于ZigBee的无线传感网络和物联网设备的设计与开发。 第一部分：ZigBee技术基础 在深入实践之前，理解ZigBee技术的基本原理至关重要。本部分将带领读者从零开始，逐步建立对ZigBee技术的全面认知。 第一章：ZigBee技术概览 1.1 无线传感网络的兴起与挑战： 介绍无线传感网络的定义、应用场景以及其在智能化时代的重要地位。重点分析当前无线传感网络在功耗、成本、部署和可靠性等方面面临的挑战，为引出ZigBee技术的优势奠定基础。 1.2 ZigBee技术简介： 详细介绍ZigBee技术的起源、发展历程及其核心设计理念。阐述ZigBee作为一种低功耗、低速率、短距离的无线通信技术，如何有效地解决当前无线传感网络面临的诸多问题。 1.3 ZigBee技术的核心优势： 深入分析ZigBee技术的主要优势，包括： 低功耗： 详细讲解ZigBee在低功耗设计方面的独特之处，如休眠模式、事件驱动通信等，以及这对电池寿命的影响，使其成为电池供电设备的理想选择。 低成本： 分析ZigBee芯片的成本构成以及相对于其他无线技术（如Wi-Fi, Bluetooth）的成本优势，说明其为何能够实现大规模部署。 高可靠性： 探讨ZigBee的网络拓扑（星型、网状、簇状）如何支持网络的冗余和自愈合，从而提高通信的可靠性。 可扩展性： 介绍ZigBee支持的设备数量以及如何通过网络层协议实现大规模网络的构建。 安全性： 讲解ZigBee内置的加密、认证等安全机制，确保数据传输的安全性。 1.4 ZigBee与 IEEE 802.15.4 标准： 详细阐述ZigBee与底层的IEEE 802.15.4标准之间的关系。重点介绍IEEE 802.15.4标准在物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）的设计，包括频段、数据速率、帧结构、信道接入方式（CSMA/CA）等关键内容。理解802.15.4是掌握ZigBee的基础。 1.5 ZigBee网络协议栈： 介绍ZigBee完整的网络协议栈（ZigBee stack），从底层到顶层的各个层次（PHY, MAC, Network, Application）。重点讲解各层的主要功能和接口，为后续章节的深入学习打下基础。 1.6 ZigBee设备类型： 详细介绍ZigBee网络中的三种基本设备类型： 协调器（Coordinator）： 阐述其在网络中的核心作用，如网络启动、设备加入管理、密钥分发等。 路由器（Router）： 解释其作为中间节点的作用，负责转发数据、扩展网络范围，并支持设备加入。 终端设备（End Device）： 说明其功能主要是采集数据或执行命令，拥有最低的功耗，通常通过路由器或协调器与网络通信。 1.7 ZigBee网络拓扑结构： 深入分析ZigBee支持的三种典型网络拓扑： 星型拓扑： 介绍其结构、优缺点以及适用场景。 网状拓扑（Mesh Topology）： 重点讲解其在路由、冗余和自愈合方面的优势，以及其在复杂环境中的应用价值。 簇状拓扑（Cluster Tree Topology）： 阐述其如何结合星型和网状的优点，适用于大规模、分层网络的构建。 1.8 ZigBee联盟与标准发展： 介绍ZigBee联盟（Zigbee Alliance）的成立宗旨、组织架构以及其在ZigBee标准的制定和推广中所扮演的角色。简述ZigBee标准的演进历程，以及未来发展趋势。 第二章：ZigBee物理层与MAC层（IEEE 802.15.4）深入解析 2.1 IEEE 802.15.4 物理层（PHY）详解： 2.1.1 工作频段与信道： 介绍IEEE 802.15.4在不同地区使用的频段（如2.4 GHz ISM频段、Sub-GHz频段）及其特点。讲解不同频段下的信道划分、信道选择策略，以及干扰规避的方法。 2.1.2 调制与解调技术： 详细介绍IEEE 802.15.4采用的调制技术（如O-QPSK, BPSK）及其工作原理，以及相应的解调过程，理解数据如何转换为可传输的信号。 2.1.3 传输速率与帧时序： 阐述IEEE 802.15.4提供的不同传输速率，并解析帧传输的时序控制，包括同步、帧定界等关键环节。 2.2 IEEE 802.15.4 媒体访问控制层（MAC）详解： 2.2.1 MAC帧结构： 深入剖析IEEE 802.15.4 MAC层的帧格式，包括帧头（Frame Header）、Payload（数据载荷）和帧校验序列（FCS）。详细解析帧头中的各个字段（如Frame Type, Sequence Number, Addressing Mode等），理解不同类型MAC帧的作用（Beacon Frame, Data Frame, Acknowledgement Frame, Command Frame）。 2.2.2 冲突避免机制（CSMA/CA）： 详细解释Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) 协议的工作流程，包括载波侦听、随机退避、信道访问等步骤。分析其在减少冲突、提高信道利用率方面的作用。 2.2.3 设备信标（Beacon Frame）： 讲解Beacon Frame的作用，包括网络同步、指示网络状态、以及作为网络协调器的标识。 2.2.4 确认帧（Acknowledgement Frame）： 阐述Acknowledgement Frame在确保数据可靠传输中的重要性，以及其与数据帧的配合工作机制。 2.2.5 MAC命令帧： 介绍MAC层提供的各种命令帧（如Associate Request/Response, Disassociate Notification, PAN ID Conflict Notification等）及其功能，理解其在网络管理和设备交互中的作用。 2.2.6 地址模式： 详细讲解IEEE 802.15.4中的地址模式，包括短地址（16位）和扩展地址（64位），以及地址分配和管理机制。 第二部分：ZigBee网络层与应用层开发 在掌握了ZigBee的基础知识后，本部分将带领读者进入更深层次的网络层和应用层开发，通过实际操作，构建功能完善的ZigBee应用。 第三章：ZigBee网络层（NWK）功能与协议 3.1 ZigBee网络层角色与功能： 详细阐述ZigBee网络层在整个协议栈中的定位，以及其核心功能，包括： 网络形成与管理： 讲解协调器如何启动和维护网络，以及路由器和终端设备如何加入网络。 路由发现与维护： 重点介绍ZigBee的网络层路由协议，如AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector）的变种，如何实现路由的动态发现、维护和优化。 数据转发： 阐述数据帧在网络中的转发路径，以及中间节点（路由器）如何处理和转发数据。 设备管理： 介绍网络层提供的设备加入、离开、查询等管理功能。 碎片化处理（Fragmentation）： 讲解当数据包过大时，网络层如何进行分片传输和重组。 3.2 ZigBee网络层帧结构： 解析ZigBee网络层的数据帧格式，理解其与MAC层帧的区别与联系，重点关注网络层特有的字段（如Network Address, Hop Count, Destination/Source Routing等）。 3.3 ZigBee路由协议详解： 3.3.1 ZigBee AODV： 深入剖析ZigBee网络层所采用的AODV（Ad hoc On-Demand Distance Vector）路由协议的工作原理。包括路由请求（Route Request, RREQ）、路由回复（Route Reply, RREP）、以及路由错误（Route Error, RERR）报文的生成和处理过程。 3.3.2 路由表维护： 讲解网络中各节点如何维护自己的路由表，以及路由表项的生命周期管理。 3.3.3 邻居表与跳数计数： 阐述邻居表在发现直接连接节点中的作用，以及跳数计数（Hop Count）在限制路由长度、避免路由环路中的重要性。 3.4 ZigBee网络发现与加入过程： 详细描述一个ZigBee网络是如何被发现，以及新的设备（终端设备、路由器）如何申请加入网络的详细步骤。 3.5 ZigBee网络管理命令： 介绍网络层提供的各种管理命令，如网络信息请求、设备状态查询等。 3.6 ZigBee安全机制（网络层）： 讲解ZigBee在网络层提供的安全服务，包括： 密钥管理： 介绍网络密钥（Network Key）的产生、分发和更新机制。 报文完整性与认证： 阐述如何利用安全密钥对报文进行加密和完整性校验，确保报文在传输过程中不被篡改且来源可靠。 加入过程的安全： 讲解设备在加入网络时如何安全地获取网络密钥。 第四章：ZigBee应用层（APL）与簇（Cluster）机制 4.1 ZigBee应用层概述： 介绍ZigBee应用层在整个协议栈中的作用，即定义应用程序接口（API）和数据格式，实现端到端的数据交换。 4.2 ZigBee设备配置文件（Device Profiles）： 讲解ZigBee联盟定义的标准设备配置文件，如智能照明、环境监测、家庭自动化等，这些配置文件定义了设备的功能和交互方式，提高了设备的互操作性。 4.3 ZigBee簇（Cluster）概念： 深入解析ZigBee簇（Cluster）的核心概念。 4.3.1 簇的定义与作用： 解释簇是如何组织一组相关属性（Attributes）和命令（Commands）的，以及它如何抽象和封装设备的功能。 4.3.2 属性（Attributes）： 详细说明属性的概念，以及它们如何表示设备的当前状态或配置信息。例如，灯的亮度、温度传感器的读数等。 4.3.3 命令（Commands）： 介绍命令是如何用于控制设备的，例如，开关灯、设置温度等。 4.3.4 客户端与服务器（Client/Server）： 讲解在簇交互中，设备扮演的客户端（发起请求）和服务器（响应请求）的角色。 4.4 ZigBee消息结构与命令： 4.4.1 应用层数据单元（APSDE-DATA）/应用层服务访问点（APSDU）： 讲解应用层数据的封装格式，以及APSDU在ZigBee帧中的位置。 4.4.2 应用层消息（APDU）： 介绍应用层消息的结构，包括APSDU、事务序列号（APS Counter）、以及APSDU中的具体内容（如Cluster ID, Command ID, Attribute ID等）。 4.4.3 命令帧（Command Frame）： 讲解用于发送命令的帧格式，包括命令ID、命令载荷等。 4.4.4 属性读取与写入： 详细介绍如何通过应用层消息读取或写入设备的属性。 4.5 ZigBee应用层安全机制： 介绍ZigBee在应用层提供的安全服务，如应用层密钥（Application Link Key）的建立和使用，以及应用层数据的加密和认证。 4.6 ZigBee绑定（Binding）机制： 阐述ZigBee的绑定机制，它允许设备之间建立点对点或多对点的通信关系，而无需依赖协调器进行直接转发。这对于实现设备间的直接联动（如传感器触发执行器）非常重要。 第三部分：ZigBee开发实践与应用 本部分将从理论走向实践，通过实际操作，让读者亲身体验ZigBee的开发过程，并了解其在真实世界中的广泛应用。 第五章：ZigBee开发环境搭建与硬件选型 5.1 ZigBee开发板选型与介绍： 推荐市场上主流的ZigBee开发板（如TI CC2530/CC2652系列，NXP JN516x系列，Silicon Labs EFR32系列等），并介绍它们的硬件特性、开发接口和支持的协议栈版本。 5.2 软件开发工具链： 5.2.1 IDE介绍： 介绍常用的ZigBee集成开发环境（IDE），如IAR Embedded Workbench, Keil MDK, CCS（Code Composer Studio）等，以及它们在代码编写、编译、调试中的作用。 5.2.2 ZigBee协议栈SDK： 讲解如何获取和使用芯片厂商提供的ZigBee协议栈软件开发套件（SDK），包括API文档、示例代码和驱动程序。 5.2.3 仿真器/调试器： 介绍JTAG, SWD等调试接口，以及相应的调试工具（如XDS110, J-Link等）在硬件调试中的应用。 5.3 开发环境搭建实践： 手把手指导读者完成开发环境的搭建，包括软件安装、驱动配置、SDK导入等步骤，确保读者能够顺利开始开发。 5.4 固件下载与烧写： 讲解如何将编译生成的固件下载到ZigBee模块中，包括使用专门的下载工具和配置下载选项。 5.5 示例工程分析： 深入分析ZigBee SDK中提供的典型示例工程，如LED闪烁、按键检测、串口通信等，理解其代码结构和实现逻辑。 第六章：ZigBee设备开发实战 6.1 协调器节点开发： 6.1.1 协调器初始化与网络形成： 编写代码实现协调器的初始化，设置网络参数，启动并形成ZigBee网络。 6.1.2 设备加入与管理： 实现协调器处理终端设备和路由器的加入请求，管理网络中的设备列表。 6.1.3 数据接收与处理： 编写代码接收来自网络中其他设备的数据，并进行相应的处理（如显示、记录）。 6.2 路由器节点开发： 6.2.1 路由器初始化与加入网络： 实现路由器节点的初始化，并使其加入已有的ZigBee网络。 6.2.2 数据转发与路由维护： 讲解路由器在数据转发和路由维护中的作用，并实现相应的逻辑。 6.3 终端设备节点开发： 6.3.1 终端设备初始化与加入网络： 实现终端设备的初始化，使其加入ZigBee网络。 6.3.2 数据采集与发送： 编写代码实现从传感器采集数据，并将数据发送到网络中的其他节点。 6.3.3 低功耗模式应用： 讲解如何在终端设备上实现低功耗休眠模式，最大限度地延长电池寿命，并演示如何唤醒设备发送数据。 6.4 实例一：智能LED灯控制系统： 6.4.1 系统设计： 设计一个由协调器控制多个终端设备上的LED灯的系统。 6.4.2 协调器开发： 实现协调器发送控制命令，打开或关闭LED灯。 6.4.3 终端设备开发： 实现终端设备接收控制命令，并控制LED灯的开关。 6.4.4 效果展示： 演示系统的工作效果。 6.5 实例二：温湿度监测系统： 6.5.1 系统设计： 设计一个由终端设备采集温湿度数据，并发送到协调器进行显示的系统。 6.5.2 终端设备开发： 读取温湿度传感器数据，并打包发送。 6.5.3 协调器开发： 接收温湿度数据，并在PC端或显示屏上显示。 6.5.4 报警功能实现（可选）： 演示如何根据预设阈值触发报警。 第七章：ZigBee通信调试与故障排查 7.1 网络协议分析仪的使用： 介绍Wireshark等网络协议分析工具，以及如何配合ZigBee数据捕获工具（如SmartRF Packet Sniffer）来抓取和分析ZigBee数据包，理解数据传输过程。 7.2 常见通信问题分析： 7.2.1 数据包丢失： 分析数据包丢失的可能原因，如信道干扰、信号弱、节点掉线等，并提出解决方案。 7.2.2 延迟过大： 探讨导致通信延迟增大的因素，如网络拥堵、路由算法效率低等。 7.2.3 路由不通： 分析节点之间无法建立路由的常见原因，并介绍如何通过路由表信息进行排查。 7.2.4 设备掉线： 讲解设备掉线的原因，如电池耗尽、信号中断、网络不稳定等，并提供恢复策略。 7.3 调试技巧与工具： 7.3.1 打印日志（Logging）： 强调在代码中添加日志输出的重要性，用于记录设备状态和通信过程，方便排查问题。 7.3.2 断点调试（Breakpoint Debugging）： 演示如何使用IDE的断点调试功能，单步执行代码，查看变量值，定位错误。 7.3.3 OTA（Over-The-Air）升级： 介绍OTA升级的原理和实践，方便对已部署的ZigBee设备进行固件更新和维护。 7.4 性能优化： 讨论如何通过优化代码、选择合适的网络拓扑、调整通信参数等手段来提高ZigBee网络的性能和稳定性。 第八章：ZigBee在物联网（IoT）中的应用拓展 8.1 ZigBee与物联网生态系统： 介绍ZigBee在构建完整的物联网解决方案中的角色，包括与网关、云平台、移动应用的整合。 8.2 ZigBee与主流物联网平台对接： 8.2.1 网关（Gateway）的作用： 讲解ZigBee网关如何连接ZigBee网络与IP网络（如Wi-Fi, Ethernet），实现数据的上传和下发。 8.2.2 与云平台集成： 演示如何将ZigBee设备数据通过网关发送到主流的物联网云平台（如AWS IoT, Azure IoT Hub, Google Cloud IoT），并进行数据可视化和分析。 8.2.3 移动应用开发： 介绍如何开发移动应用程序，通过云平台或直接与ZigBee网络（通过网关）进行交互，实现远程控制和状态监控。 8.3 实际应用案例分析： 8.3.1 智能家居： 详细分析ZigBee在智能照明、智能门锁、环境监测、家电控制等方面的应用。 8.3.2 智能楼宇： 探讨ZigBee在楼宇自动化、能耗管理、安防监控中的应用。 8.3.3 智慧农业： 介绍ZigBee在环境监测、灌溉控制、作物生长监控等方面的应用。 8.3.4 工业自动化： 分析ZigBee在设备状态监测、无线传感器网络、资产追踪等工业场景的应用。 8.3.5 智慧医疗： 探讨ZigBee在远程病人监护、可穿戴设备数据采集等医疗应用中的潜力。 8.4 ZigBee与其他无线技术的协同： 讨论ZigBee与其他无线技术（如Wi-Fi, Bluetooth, LoRa）在不同场景下的协同应用，如何发挥各自优势，构建更强大的物联网解决方案。 8.5 ZigBee未来发展趋势： 展望ZigBee技术的未来发展方向，包括与Matter标准的结合、AIoT的融合、以及在更多新兴领域的应用拓展。 随书附带光盘内容 本书精心准备了一张内容丰富的DVD光盘，为读者提供全方位的实践支持： ZigBee SDK源码包： 包含主流ZigBee芯片厂商提供的官方SDK，方便读者直接下载和使用。 开发工具试用版/免费版： 提供相关IDE、仿真器驱动等开发工具的试用版本或免费版本，帮助读者快速搭建开发环境。 详细的示例代码： 附带本书各章节涉及的完整示例代码，包括协调器、路由器、终端设备的代码，覆盖了基础通信、设备控制、传感器数据采集等多种应用场景。 硬件原理图与PCB参考设计： 提供常用ZigBee开发板的硬件原理图和PCB参考设计，方便读者进行二次开发或自行制作开发板。 ZigBee协议栈文档与开发指南： 整理了ZigBee相关的协议规范文档、API参考手册以及官方的开发指南，为读者提供更深入的学习资源。 常用ZigBee工具软件： 包含数据包嗅探器、固件下载工具、网络配置工具等，方便读者进行网络调试和设备管理。 相关技术资料与应用案例： 收集整理了大量与ZigBee技术相关的技术文章、应用案例研究和行业白皮书，帮助读者拓宽视野，了解技术前沿。 通过本书的深入学习和光盘内容的实践操作，读者将能够全面掌握ZigBee技术，并具备独立设计、开发和部署各类ZigBee无线传感网络及物联网应用的能力。
