作者：廖建尚
出版社：电子工业出版社
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物联网开发与应用——基于ZigBee、Simplici TI、低功率蓝牙、Wi-Fi技术试读：
前言
近年来，物联网和云计算的迅猛发展，逐渐地改变了社会的生产方式，大大提高了生产效率和社会生产力。我国在智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能环保、智能安防、智能医疗、智能家居、智能环保9大重点领域推广物联网，并得到了广泛的应用且逐步改变着这些产业的结构。
物联网系统涉及的技术很多，从感知层到应用层都有不同的开发技术，需要掌握处理器基本原理及其外围接口的驱动开发技术，相应传感器的驱动开发，能开发应用程序和移动互联网程序。本书将详细分析CC2530和ZigBee、CC1110和SimpliciTI、CC2540和低功耗蓝牙、CC3200和SimpleLink Wi-Fi四种处理器和无线传感网络结合技术，各种传感器驱动、Android移动互联网开发技术和物联网高级应用技术，理论知识点清晰，实践案例丰富，带领读者掌握物联网的各种开发技术。
全书采用任务式开发的学习方法，利用近50多个趣味盎然、贴近社会和生活的任务和案例，由浅入深地介绍物联网感知层驱动和应用层功能的开发，每个任务均有完整的开发过程，分别是明确的学习目标、清晰的环境开发要求、深入浅出的原理学习、详细的开发内容和完整的开发步骤，最后进行总结与拓展，每个案例均附上完整的开发代码，在源代码的基础可以进行快速二次开发，能方便将其转化为各种比赛和创新创业的案例，也可以为工程技术开发人员和科研工作人员进行科研项目开发提供较好的参考资料。
第1章介绍了物联网和无线传感网络开发基础，先分析了物联网基本构成和重点发展领域，介绍了物联网中的ZigBee、SimpliciTI、低功耗蓝牙和SimpleLink Wi-Fi无线传感网络技术，分析了物联网开发平台的硬件构成和物联网开发环境搭建。
第2章以CC2530为例，介绍了TI CC系列处理器口开发，CC2530外围接口电路驱动开发，有GPIO、外部中断、定时器/计数器、串口、ADC采集、DMA、看门狗和休眠与唤醒的驱动开发，引导读者掌握TI CC系列处理器外围接口电路驱动开发。
第3章是传感器开发项目，在TI CC系列处理器上完成各种传感器的原理学习与驱动开发，有光敏传感器、温湿度传感器、雨滴/凝露传感器、火焰传感器、继电器、霍尔传感器、超声波测距离传感器、人体红外传感器、可燃气体/烟雾传感器、空气质量传感器、三轴传感器、压力传感器和RFID读写等，对每个传感器进行原理学习和驱动开发。
第4章主要是ZStack协议栈的学习，介绍了ZStack协议栈的构成和基本配置，分析了ZStack协议栈工程架构和源代码，通过案例开发对ZStack协议栈多点自组织组网、信息广播/组播、星状网、树状网、串口应用、ZigBee协议分析、ZStack绑定等等，从而对ZigBee有个全面认识。
第5章结合CC1110和SimpliciTI协议栈，先通过安装、配置等了解SimpliciTI协议栈，然后学习SimpliciTI协议栈的组网技术、广播技术、RSSI采集技术以及路由功能，最后通过SimpliciTI协议栈实现对硬件的控制。
第6章结合CC2540和BLE（低功耗蓝牙）协议栈，先通过安装、配置认识了BLE协议栈，然后通过任务开发学习BLE协议栈的主从收发、硬件控制，并通过广播者（Broadcaster）和观察者（Observer）的任务深入了解BLE协议栈。
第7章结合CC3200和TI推出的SimpleLink Wi-Fi协议栈，先简单认识CC3200芯片，通过安装、配置CC3200 SDK完成对Wi-Fi的配置，并通过任务开发实现对AP模式和STATION模式的学习，然后分别学习了TCP和UDP的网络通信方式，并通过HTTP sever的学习，实现了基本网络知识的学习，最后对硬件进行控制。
第8章是云平台开发基础，先介绍了物联网平台有关技术、基本使用方法和通信协议，详细介绍了基于CC2530和ZigBee、CC1110和SimpliciTI、CC2540和低功耗蓝牙、CC3200和Wi-Fi等4种处理器和协议栈的硬件驱动开发方法，并介绍了Android应用接口Web应用接口以及开发调试工具。
第9章是物联网的高级案例开发，共有4个案例项目，分别是基于CC1110和SimpliciTI的智能灯光控制系统开发、基于CC2540和BLE智慧窗帘控制系统开发、基于CC3200和Wi-Fi的自动浇花系统开发以及基于CC2530和ZigBee的智能安防系统开发。高级应用涉及感知层更多的环境信息采集和控制，也实现了更为复杂的应用层功能，构建更为完整的物联网知识框架。
本书特色：（1）任务式开发。抛去传统的理论学习方法，选取合适的案例将理论与实践结合起来，通过理论学习和开发实践，快速入门，由浅入深掌握物联网开发技术。（2）各种知识点的融合。将嵌入式系统的开发技术、4种TI CC系列的处理器基本接口驱动技术、传感器驱动技术、4种无线传感网络无线技术、Android移动互联网开发技术和Web开发技术等结合在一起，实现了强大的物联网数据采集、传输和处理功能和应用。
参与本书编写的人员有曹成涛、林晓辉、李彩红、黄良、李少伟、杨志伟和廖艺咪。本书既可作为高等院校相关专业师生的教学参考书，自学参考书，也可供相关领域的工程技术人员查阅之用，对于物联网开发爱好者，本书也为他们提供了一本的深入浅出的读物。
本书在编写过程中，借鉴和参考了国内外专家、学者、技术人员的相关研究成果，我们尽可能按学术规范予以说明，但难免有疏漏之处，在此谨向有关作者表示深深的敬意和谢意，如有请疏漏，请及时通过出版社与作者联系。
感谢中智讯（武汉）科技有限公司在本书编写的过程中提供的帮助，特别感谢电子工业出版社，出版社的编辑在本书出版过程中给予大力支持，该书也得到了“广东省高等职业教育品牌专业建设项目（2016gzpp044）”的资助。
由于本书涉及的知识面广，时间仓促，限于笔者的水平和经验，疏漏之处在所难免，恳请专家和读者批评指正。作 者2017年5月第1章 无线传感物联网开发基础本章主要介绍物联网和无线传感网络开发基础，首先分析了物联网基本构成和重点发展领域，然后介绍了物联网中的ZigBee、SimpliciTI、低功耗蓝牙和SimpleLink Wi-Fi无线传感网络技术，最后讲述了物联网开发平台的硬件构成和物联网开发环境搭建。1.1 任务1 认识物联网与无线传感网络1.1.1 物联网
物联网（Internet of Things）的概念最早于1999年由美国麻省理工学院首次提出，2009年初IBM抛出了“智慧地球”概念，使得物联网成为时下热门话题。2009年8月，温家宝总理提出启动“感知中国”建设，随后物联网在中国进一步升温，得到政府、科研院校、电信运营商及设备提供商等相关厂商的高度重视。
物联网是指利用各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、无线传感器、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等对现有物品信息进行感知、采集，通过网络支撑下的可靠传输技术，将各种物品的信息汇入互联网，并进行基于海量信息资源的智能决策、安全保障及管理技术与服务的全球公共的信息综合服务平台，物联网如图1.1所示。图1.1 物联网
物联网有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品，以及物品之间进行信息交换和通信。因此，物联网是指运用传感器、射频识别（RFID）、智能嵌入式等技术，使信息传感设备感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过可能的网络（如基于Wi-Fi的无线局域网、3G/4G等）接入方式，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，在进行物与物、物与人的泛在连接的基础上，实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、控制和管理。《物联网导论》中给出了物联网的架构图，分为感知识别层、网络构建层、信息处理层和综合应用层，如图1.2所示。图1.2 物联网架构示意图
随着家居智能化的快速兴起，现代家居中的监测、对讲、安防、管理及控制等更多的功能被集成应用，从而使得可视对讲、家庭安防，以及家居灯光、电器智能控制等子系统越来越多，线路日趋复杂。在满足功能需求不断增长的同时，提高系统的集成度，进一步提升系统的性价比，使安装及维护工作更为简单化，并能保证很好的灵活性，是现代家居智能化的发展趋势。1.1.2 物联网重点发展领域《物联网“十二五”发展规划》明确提出了物联网的九大重点领域分别为智能工业、智能农业、智能物流、智能交通、智能环保、智能安防、智能医疗、智能物流和智能家居，物联网已经深入社会生活的方方面面，如图1.3所示。
智能工业：将信息技术、网络技术和智能技术应用于工业领域，给工业注入“智慧”的综合技术。它突出了采用计算机技术模拟人在制造过程中和产品使用过程中的智力活动，以进行分析、推理、判断、构思和决策，从而去扩大延伸和部分替代人类专家的脑力劳动，实现知识密集型生产和决策自动化。
智能农业：在相对可控的环境条件下，采用工业化生产，实现集约高效可持续发展的现代超前农业生产方式，就是农业先进设施与露地相配套、具有高度的技术规范和高效益的集约化规模经营的生产方式。它集科研、生产、加工、销售于一体，实现周年性、全天候、反季节的企业化规模生产；它集成现代生物技术、农业工程、农用新材料等学科，以现代化农业设施为依托，科技含量高，产品附加值高，土地产出率高和劳动生产率高，是我国农业新技术革命的跨世纪工程。图1.3 物联网九大重点领域
智能物流：智能物流是利用集成智能化技术，使物流系统能模仿人的智能，具有思维、感知、学习、推理判断和自行解决物流中某些问题的能力。智能物流根据自身的实际水平和客户需求对智能物流信息化进行定位，是国际未来物流信息化发展的方向。
智能交通：智能交通系统（ITS）是未来交通系统的发展方向，它是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、控制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。
智能电网：电网的智能化，也被称为“电网2.0”，它建立在集成的、高速双向通信网络的基础上，通过先进的传感和测量技术、先进的设备技术、先进的控制方法，以及先进的决策支持系统技术的应用，实现电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好和使用安全的目标，其主要特征包括自愈、激励和抵御攻击，提供满足21世纪用户需求的电能质量，容许各种不同发电形式的接入，启动电力市场及资产的优化高效运行。
智能环保：在原有“数字环保”的基础上，借助物联网技术，把感应器和装备嵌入到各种环境监控对象（物体）中，通过超级计算机和云计算将环保领域物联网整合起来，实现人类社会与环境业务系统的整合，以更加精细和动态的方式实现环境管理和决策的“智慧”。“智慧环保”是“数字环保”概念的延伸和拓展，是信息技术进步的必然趋势。
智能安防：通过相关内容和服务的信息化、图像的传输和存储、数据的存储和处理等，实现企业或住宅、社会治安、基础设施及重要目标的智能化安全防范。
智能医疗：通过打造健康档案区域医疗信息平台，利用最先进的物联网技术，实现患者与医务人员、医疗机构、医疗设备之间的互动，逐步达到信息化。在不久的将来，医疗行业将融入更多人工智慧、传感技术等高科技，使医疗服务走向真正意义的智能化，推动医疗事业的繁荣发展。在中国新医改的大背景下，智能医疗正在走进寻常百姓的生活。
智能家居：以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、智能家居系统设计方案、安全防范技术、自动控制技术、音/视频技术将家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现节能环保的居住环境。1.1.3 物联网和“互联网+”
国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见明确提出发展目标：基础支撑进一步夯实提升，网络设施和产业基础得到有效巩固加强，应用支撑和安全保障能力明显增强，固定宽带网络、新一代移动通信网和下一代互联网加快发展，物联网、云计算等新型基础设施更加完备，人工智能等技术及其产业化能力显著增强。
在“互联网+”协同制造方面加快推动云计算、物联网、智能工业机器人、增材制造等技术在生产过程中的应用，推进生产装备智能化升级、工艺流程改造和基础数据共享。
在“互联网+”现代农业推广成熟可复制的农业物联网应用模式。在基础较好的领域和地区，普及基于环境感知、实时监测、自动控制的网络化农业环境监测系统；在大宗农产品规模生产区域，构建天地一体的农业物联网测控体系，实施智能节水灌溉、测土配方施肥、农机定位耕种等精准化作业；在畜禽标准化规模养殖基地和水产健康养殖示范基地，推动饲料精准投放、疾病自动诊断、废弃物自动回收等智能设备的应用普及和互连互通。引导各地大力发展精准农业，在高标准农田、现代农业示范区、绿色高产高效创建和模式攻关区、园艺作物标准园等大宗粮食和特色经济作物规模生产区域，以及农民合作社国家示范社等主体，构建天地一体的农业物联网测控体系，实施农情信息监测预警、农作物种植遥感监测、农作物病虫监测预警、农产品产地质量安全监测、水肥一体化和智能节水灌溉、测土配方施肥、农机定位耕种等精准化作业。大力推进物联网在农业生产中的应用，在国家现代农业示范区率先取得突破；建成一批大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖物联网示范基地；研发一批农业物联网产品和技术，熟化一批农业物联网成套设备，推广一批节本增效农业物联网应用模式，加强推广应用。重点加强成熟度、营养组分、形态、有害物残留、产品包装标识等传感器研发，推进动植物坏境（土壤、水、大气）、生命信息（生长、发育、营养、病变、胁迫等）传感器熟化，促进数据传输、数据处理、智能控制、信息服务的设备和软件开发。研究物联网技术在不同产品、不同领域的集成、组装模式和技术实现路径，促进农业物联网基础理论研究，探索构建国家农业物联网标准体系及相关公共服务平台。推进农业生产集约化、工程装备化、作业精准化和管理信息化，为农业物联网广泛推广应用奠定基础。
物联网和大数据将不断融合，物联网产生大数据，大数据带动物联网价值提升，物联网是大数据产生的源泉，越来越多的终端采集越来越多的数据，为相关平台提供大数据做进一步的分析。大数据使物联网从现有的感知走向决策，现在物联网更多的是信息采集上来，到了后台，但是处理完了，也没有产生效果，或者它本身还是处于决策非常弱的这样一个环节。所以，未来物联网和大数据的结合，将提升整体价值。物联网的数据特性和其他现有的一些特性不太一样，因为物联网面向的终端类型非常多样，因此，这种多样的特性其实是对大数据也提出了新的挑战。
物联网在智慧城市建设中的推广和应用将更加深化，智慧城市本身为物联网的应用提供了巨大的载体，在这种载体中，物联网可以集成一些应用，例如，在城市的信息化管理、民生等方面都可以发挥融合应用的效果，真正发挥物联网的行业应用的特征，产生深远的影响。1.1.4 物联网中的无线传感网络技术
1.无线传感网络
物联网技术广泛应用了无线传感网络，无线传感器网络最初是由美国国防部高级研究计划署于年提出的，其雏形是卡耐基-梅隆大学研究的分布式传感器网络。在以后的三十年间，随着微电机系统、嵌入式系统、处理器、无线电技术及存储技术的巨大进步，无线传感器网络也获得了长足的发展。当前，无线传感器网络项目在全世界广泛展开，其范围涵盖军用和民用的许多领域，例如，UCBerkeley的Smart Dust项目、UCLA的WINS项目，以及多所机构联合攻关的SensIT计划等。
无线传感器网络主要应用于森林火灾、洪水监测、环境保护、自然栖息地监测等，在这些应用中，传感器节点往往布置在荒芜或不适宜人类进入的环境中，如遥远荒芜的区域、有毒的地区、大型工业建筑或航空器内部，负责收集有关温度、地震波、声音、光线、磁场强度或其他类型的数据。人体检查、药品管理、医疗护理、智能看护、交互式玩具、交互式博物馆等也是传感器网络的重要应用领域。另外，传感器网络还可能在交通运输、工业品制造，以及安全和保密方面潜在巨大的应用价值。
一般的无线传感网络如图1.4所示。图1.4 一般的无线传感网络
无线传感器网络一般包括汇聚节点（Sink Node）、管理节点（Manger Node）和传感器节点（Sensor Node）。无线传感器网络中的传感器的节点按一定规律或随机部署在被监控的区域内或被监控的区域附近，被部署的传感器节点可以通过网络协议以自组织方式来构建起无线网络。这样，当网络中某一个传感器节点监测到须上传数据时，所采集数据会沿着其他传感器节点构成的无线传输路径以自组多跳的方式进行数据传输。因此，数据在传感器网络内部的传输过程中，可能会有许多个节点对所得到的监测数据进行分析处理，最后汇聚到汇聚节点，并通过卫星或互联网传送到管理节点。
无线传感器网络应用中，有时无线传感器网络节点需要小型化，即需要微型节点。一个无线传感器网络中的微型嵌入式传感器节点，主要由传感器、处理器、无线通信和能量供应四个模块组成，其能量是由能量有限的电池提供的，因此传感器节点的存储、处理、通信等能力就会较弱。在一个无线传感器的节点中，传感器模块的作用是将被监测区域内的信息（模拟量或开关量等）进行采集和转换；能量供应模块的作用是为传感器节点运行提供所需的能量，为了减小传感器节点的体积，能量供应模块一般采用纽扣电池；无线通信模块用来实现无线网络中的数据传输及通信协议；处理器模块处于核心地位，其主要作用是对传感器模块、无线通信模块、能量供应模块进行统一、有效的控制，另外，还将传感器所采集的数据，以及其他节点发来的数据进行前期处理。
无线传感器网络与传统网络相比，无线传感器网络中的每个传感器节点均需要具有终端功能和路由功能这双重功能，网络中的每一个节点不仅能完成本地节点需要的信息采集、数据处理，还能够对网络中其他节点转发来的数据进行存储、融合和管理；有时，需要多个无线网络中的传感器节在网络协议协调下共同完成某些特定的任务。无线传感网络特点如下。（1）具有自组织性：一般情况下，在无线网络构成之前无法预先精确设定，也不能预先确定无线传感器网络中各传感器节点的地理位置或节点之间的相对位置。例如，采用飞机在无人的危险区，随意放置或播散大量传感器节点。因此，传感器节点需要自动地进行配置和自我管理，必须具有自组织能力，采用拓扑控制的机制和网络协议，自动形成多跳无线网络系统。（2）规模大：一般情况下，为了准确获得被监测区域的各种数据，以便精确感知被监测区域的变化，在被监测区域内会部署大量传感器节点，数量有时能达到上万个，甚至更多。所以无线传感器网络的“规模大”，其主要体现在两方面：一是，高密度部署传感器节点，即在有限的面积内布置大量传感器节点；二是，节点分布的区域面积大，如对某原始森林进行防火监测，需要大面积部署的传感器节点。（3）具有动态性：在实际工作中，网络拓扑结构会随一些因素而改变。例如，环境条件的变化可能会造成无线通信链路带宽的变化；电能耗尽或环境因素可能会造成单个、多个传感器节点出现故障或失效；传感器、感知对象和观察者三要素地理位置产生移动变化等。无线传感器网络要能够根据实际情况的变化，动态改变网络结构，使网络具有重构特性。（4）可靠性高：无线传感器网络有时可能部署在无人值守区域，如比较恶劣的环境或人类不宜到达的危险区域。因此在这些特殊的应用环境中，传感器节点很可能遭受风吹雨淋或太阳暴晒，甚至会遭到无关人员或动物的破坏。这些外在的恶劣条件，要求无线传感器网络中所使用的传感器节点必须能适应各种恶劣环境，特别坚固，不易损坏。
2.无线传感网络技术
1）ZigBee
如果蜜蜂发现食物，则会采用类似ZigZag形状的舞蹈将具体位置告诉其他蜜蜂，这是一种简单的传达消息的方式。蜜蜂则通过这种方式与同伴进行“无线”通信，构成通信网络。ZigBee名字由此而来，又称为紫峰协议。可以这样理解，ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词，是根据这个协议规定的一种短距离、低功耗的无线通信技术。
ZigBee技术是近些年才兴起的一种短距离无线通信技术，是无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）的核心技术之一。使用该技术的节点设备能耗特别低，自组网无须人工干预，成本低廉，设备复杂度低且网络容量大。ZigBee的组成如图1.5所示。（1）低功耗：这是ZigBee最具代表性的特点，该技术具有低速率及低发射功率的特性，另外休眠功能使设备的功耗进一步降低。两节普通5号干电池便可使其设备正常工作6～24个月，而使用其他技术的设备根本无法做到这一点。（2）低成本：ZigBee协议具有简单明了的特点，对相关设备要求也不是很高，除此之外，该协议是免费、公开的，同时使用的免执照频段，也缩减了其使用成本。图1.5 ZigBee的组成（3）短时延：ZigBee的响应速度非常快，当有事件触发时，只需要15ms的反应时间，而设备加入网络所需要的时间也仅有30ms，同时功耗也得到降低。因此该技术在对时延有较高要求的场景中，具有明显的优势。（4）高容量：ZigBee网络具有三种拓扑结构，由一个中心节点对整个网络进行管理与维护。一个主节点最多可管理254个子节点，再加上灵活的组网方式，一个ZigBee网络最多可包含6.5万个节点。（5）高可靠性：ZigBee采用了载波侦听多点接入/冲突避免的机制（Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA）来保证通信的高可靠性，同时通过预留专用时隙的方式避免数据传送过程中的竞争与冲突。
ZigBee技术本身是针对低数据量、低成本、低功耗、高可靠性的无线数据通信的需求而产生的，在多方面领域有广泛应用，如国防安全、工业应用、交通物流、节能、生产现代化和智能家居等领域，如图1.6所示。图1.6 ZigBee应用
2）SimpliciTI
SimpliciTI网络协议是TI公司专为简单小型射频网络（100个节点以内）而设计的低功耗网络协议，该协议简化实施工作，非常小，只占了微处理器闪存的字节空间，实现微处理器资源占用的最小化，大大降低了对硬件的要求，从而有效地减少了系统的成本。
SimpliciTI网络协议虽然所占资源很少，但是其功能俱全，该协议具有网络管理、采集节点入网、传输安全、范围扩展、能耗管理、设备管理等网络常见应用功能。此网络协议以免许可费、免版税的源代码公开的形式提供给开发人员，在开发过程中，可以很方便地根据各自具体的应用需求修改该协议代码，可在很大程度上节省了开发时间，降低系统成本。
SimpliciTI网络协议可应用在各种低功耗小型系统中，如家庭自动化车库开门器、家电设备、环境设备、自动读表（水表、电表）、安全与报警一氧化碳探测器、烟雾探测器、光传感器等。
SimpliciTI支持多种网络拓扑，图1.7是其典型的无线传感器网络中使用的星状网络拓扑示意图，在这种情况下当一个设备感知发生烟雾警报，为了保证信息能够可靠地传输就采用泛洪的方式发送，这样的数据传输不是面向连接的。图1.7 SimpliciTI星状网络拓扑示意图
3）低功耗蓝牙（BLE）
蓝牙是一种短距离无线通信技术，最初是由爱立信于1994年创制的，用于代替传统电缆形式的串口通信RS-232，实现串口接口设备之间的无线传输，以及降低移动设备的功耗和成本。
蓝牙工作在免申请执照的ISM（Industrial Scientific Medical）2.4GHz频段，频谱范围为2400～2483.5MHz，采用高斯频移键控调制方式。为了避免与其他无线通信协议的干扰（如ZigBee），射频收发机采用跳频技术，在很大程度上降低了噪声的干扰和射频信号的衰减。蓝牙将该频段划分为79个通信信道，信道带宽为1MHz。传输数据以数据包的形式在其中的一条信道上进行传输，第一条信道起始于2402MHz，最后一条信道为2480MHz。通过自适应跳频技术进行信道的切换，信道切换频次为1600次/s。
蓝牙是一种基于主从模式框架的数据包传输协议，其网络结构的拓扑结构有两种形式：微微网（piconet）和分布式网络（Scatternet）。在网络拓扑架构中，蓝牙设备的主从模式可以通过协商机制进行切换。主设备通过时间片循环的方式对每个从设备进行访问，与此同时从设备需要对每个接收信道进行监听，以便启动唤醒工作模式。在微微网中，一个主设备可以同时与7个蓝牙从设备进行数据的交换，其他从设备与主设备共用同一时钟。在单通道数据交换过程中，蓝牙主设备通过偶数信道发送数据给从设备，并通过奇数信道接收数据。与此相反，蓝牙从设备通过奇数信道发送数据给主设备，偶数信道接收数据。通常情况下，数据包的长度可占用1个、3个或5个信道。
蓝牙协议标准由蓝牙工作兴趣小组（SIG）负责制定和维护，协议标准先后经过了10余次的更新，由最初的Bluetooth V1.0到更新至今天的Bluetooth V5.0。Bluetooth V1.0的协议标准主要制定了蓝牙硬件指标，主要包括基带数据传输和逻辑链路层协议。
与经典蓝牙协议相比，低功耗蓝牙技术协议在继承经典蓝牙射频技术的基础之上，对经典蓝牙协议栈进行进一步简化，将蓝牙数据传输速率和功耗作为主要技术指标。在芯片设计方面，采用两种实现方式，即单模（Single-Mode）形式和双模形式（Dual-Mode）。双模形式的蓝牙芯片将低功耗蓝牙协议标准集成到经典蓝牙控制器中，实现了两种协议共用；而单模蓝牙芯片采用独立的蓝牙低功耗协议栈（Bluetooth Low Energy Protocol），它是对经典蓝牙协议栈的简化，进而降低了功耗，提高了传输速率。蓝牙应用如图1.8所示。图1.8 蓝牙应用示意图
蓝牙从一开始就设计为超低功耗（ULP）无线技术，利用许多智能手段最大限度地降低功耗。蓝牙低能耗技术采用可变连接时间间隔，这个间隔根据具体应用可以设置为几毫秒到几秒不等。另外，因为BLE技术采用非常快速的连接方式，因此平时可以处于“非连接”状态（节省能源），此时链路两端相互间只是知晓对方，只有在必要时才开启链路，然后在尽可能短的时间内关闭链路。
BLE技术的工作模式非常适合用于从微型无线传感器（每0.5s交换一次数据）或使用完全异步通信的遥控器等其他外设传送数据，这些设备发送的数据量非常少（通常几个字节），而且发送次数也很少（如每秒几次到每分钟一次，甚至更少）。
BLE技术的拓扑结构如下：BLE网络可以点对点或者点对多点，一个BLE主机可以连接多个BLE从机，组成星状网络，另外还有一种有广播设备和多个扫描设备组成的广播组结构，不同的网络拓扑对应不同的应用领域。
一直以来，蓝牙技术在配件方面的应用都更受关注，但随着移动时代的迅猛发展，BLE将会有更大的用武之地。事实上，BLE的低功耗技术，在设计之初便主打医疗与健康监控等特殊市场，而总的来说，蓝牙4.0的发展方向将是运动管理、医疗健康照护、智能仪表、智能家居及各种物联网相关应用。
在医疗健康领域，过去不少健康类的应用都是基于蓝牙2.1协议去做的，但因受限于耗电问题而未能掀动太大波澜，BLE化解这一难题后，市场被强力激活，如由英特尔发起，并由许多不同医疗技术与保健机构成立的Continua健康联盟，便已决议将BLE纳入日后的标准传输技术中。现在市场上已有许多采用蓝牙2.1规格的医疗产品，如血压计、血糖仪等，未来，通过Continua健康联盟正式认证的蓝牙4.0规格的医疗类产品肯定会越来越多。健康应用方面，BLE也有广阔的市场空间，可以与健身设备进行无缝结合，人们在使用健身器材时，就能通过相关设备如计步器、脉搏机等来传送并记录运动情况进入移动设备，保存个人的健康信息。
BLE与安卓的结合更将对当下如火如荼的“物联网”起到推波助澜的作用，目前市场上的所有智能设备都是物联网生态发展的推动力量，但BLE能够起到打通物联网的和传感器设备之间的“关节”的节点作用，这将从关键意义上推动物联网的真正发展。由于蓝牙技术一向关注上层应用，有统一标准，因此各种各样的底层硬件虽出自不同制造厂家，却可以互连互通，能够形成完善的生态环境，为自身及物联网产品市场都创造了良好环境。
有分析认为，当BLE把每个人的安卓或者其他移动设备变为一个传感器标签时，它所能做的将不仅仅是通过应用软件去找东西，而是将拥有巨大的可拓展性，如它可以通过APP和传感器来构建一个P2P的网络以模拟GPS的功能等。总之，当BLE传感器无处不在时，蕴藏着巨大商机。
4）SimpleLink Wi-Fi
2014年6月份，TI公司推出了SimpleLink Wi-Fi系列WI-FI平台，专为物联网而设计的开发平台，结合CC3100、CC3200处理器，平台具有高度的灵活性，其中3200在单芯片中集成了射频及模拟功能电路，将Wi-Fi平台与ARM Cortex-M4 MCU整合在一起，实现了低功耗、单芯片Wi-Fi解决方案；而CC3100可与任何MCU配合使用，这两款芯片都具有很低的功耗，提供低功耗射频和高级低功耗模式，适用于电池供电式设备的开发。此新型片上互联网（Internet-on、a-Chip）系列使得客户能够轻松地为众多的家用、工业和消费类电子产品增添嵌入式Wi-Fi和互联网功能，所凭借的特性包括：（1）业界最低的功耗（适用于电池供电式设备），以及低功耗射频和高级低功耗模式。（2）高度的灵活性，可将任何微控制器（MCU）与CC3100解决方案配合使用，或者利用CC3200的集成型可编程ARM Cortex-M4 MCU，从而允许客户添加其特有的代码。（3）可利用快速连接、云支持和片上Wi-Fi、互联网和稳健的安全协议实现针对IoT的简易型开发，无须具备开发连接型产品的先前经验。（4）能够采用某种手机或平板电脑应用程序或者一种具有多种配置选项，包括SmartConfig技术、针对WPS和AP模式的网络浏览器简单且安全地将其设备连接至Wi-Fi。
Wi-Fi应用如图1.9所示。图1.9 Wi-Fi应用示意图
SimpleLink Wi-Fi CC3100和CC3200通过优化处理把“物”连接至互联网。（1）把和Wi-Fi相关的驱动代码压缩得非常小，低至7KB的主机代码，实现了与低成本MCU的集成。（2）在软件层提供了业界标准的BSD套接字API，适用于TCP/IP通信。以前要用上百行的代码写命令去控制，现在只需要发一行简单的指令就可快速构建互联网应用，并可重用业界的可用互联网代码。（3）具有硬件加密引擎，用于实现TLS/SSL互联网安全，能在150ms内建立TLS连接，实现快速安全的用户体验。（4）具有低功耗射频和高级低功耗模式。（5）具有最灵活的Wi-Fi配置/预置选项，允许客户以最适合其应用的方式设置无监视器的设备。1.2 任务2 认识物联网开发平台1.2.1 ZXBeeEdu无线节点介绍
ZXBeeEdu无线节点：支持40多种传感器，可选ARM Cortex-M3处理器和1.8寸TFT LCD，主要由嵌入式底板、无线模组、传感器板、LCD屏四部分组成，如图1.10所示。普通型ZXBee节点不含LCD屏，且嵌入式底板不包含ARM芯片。ZXBee无线节点支持CC2530Bee（ZigBee/IPv6_6LoWPAN）、CC1110LF（RF433M）、CC2540BLE（BLE 4.0）、CC3200WF（Wi-Fi）、W108Bee（IPv6_6LoWPAN）、HC05BT（IPv6_BT）、LPAWF（IPv6_WiFi）。图1.10 ZXBee Edu无线节点1.2.2 ZXBee系列无线模组介绍
ZXBee系列无线模组包含10种，覆盖RF433M、ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、BLE 4.0、6LoWPAN等不同无线通信技术，如表1.1所示。表1.1 ZXBee系列模块续表1.2.3 跳线设置及硬件连接
1.硬件实物图
ZXBee系列无线节点及配件实物图如图1.11所示。图1.11 ZXBee几个主要模块实物图
2.硬件结构框图
ZXBee无线节点硬件如图1.12所示。
3.跳线说明
无线节点跳线说明：ZXBee系列无线节点板上提供了两组跳线用于选择调试不同处理器，跳线使用如图1.13所示。图1.12 ZXBee无线节点硬件框图图1.13 ZXBee系列无线节点板的两种跳线方法
4.传感器板的使用
传感器板可以有两种接法，分别通过无线核心板（CC1110/CC2530/CC2540/CC3200）和底板STM32F103驱动，如图1.14所示。图1.14 传感器板的两种接法
5.调试接口板的使用
通过调试接口板的转接，无线节点可以使用仿真器进行调试，还可以使用RS-232串口，连接如图1.15所示。图1.15 调试接口板的连接1.2.4 无线节点硬件资源
1.传感器接口引脚
2.CC1110/CC2530/CC2540无线节点硬件资源分配注：悬空/不使用的引脚没有列出。
3.CC3200无线节点硬件资源分配注：悬空/不使用的引脚没有列出。1.3 任务3 搭建物联网开发环境1.3.1 学习目标
掌握物联网开发常用工具安装。1.3.2 开发环境
硬件：计算机（推荐：主频2GHz+，内存：1GB+），s210x系列开发平台。软件：Windows XP/Windows 7/8/10。1.3.3 原理学习
基于TI CC系列无线处理器的物联网开发主要采用IAR IDE，同时TI也提供了一些免费的物联网调试监测工具，1.3.4节将介绍IAR的安装与相关调试工具的学习。1.3.4 开发步骤
1.IAR的安装
IAR Embedded Workbench IDE是一款流程的嵌入式软件开发IDE环境，ZXBee接口任务及协议栈工程都基于IAR开发，软件安装包位于配套开发资料“04-常用工具\IAR”，其中包含C51版本和ARM版本，分别按照默认安装即可，IAR安装界面如图1.16所示。图1.16 IAR 安装界面
软件安装完成后，即可自动识别eww格式的工程，如图1.17所示。
2.SmartRFProgrammer
SmartRFProgrammer是TI公司提供的一款 Flash烧写工具，ZXBee系列 CC1110/CC2530/CC2540无线节点均可通过该工具烧写固件，软件安装包位于配套开发资料“04-常用工具\SmartRFProgram”，按照默认安装即可，安装完后打开软件界面，如图1.18所示。
SmartRFProgrammer工具需要配合SmartRF04仿真器使用，第一次使用会要求安装驱动，位于安装目录“C:\Program Files (x86)\Texas Instruments\SmartRF Tools\Drivers\Cebal”。图1.17 打开IAR工程图1.18 SmartRFProgrammer工具
3.SmartRF Packet Sniffer
SmartRF Packet Sniffer是TI公司提供的一款用于显示和存储通过射频硬件节点侦听而捕获的射频数据包，支持多种射频协议，数据包嗅探器对数据包进行过滤和解码，最后用一种简洁的方法显示出来。过滤包含几种选项，以二进制文件格式储存。软件安装包位于配套开发资料“04-常用工具\Packet Sniffer”，按照默认安装即可，安装完后打开软件界面，如图1.19所示。图1.19 SmartRF Packet Sniffer工具1.4 任务4 创建第一个IAR应用程序
按照1.3节将IAR等开发环境搭建完毕之后，就可以开始利用IAR来开发嵌入式程序。本节主要介绍如何在IAR中建立第一个基于8051的应用程序（以CC2530处理器为例），然后介绍IAR开发环境的基本使用。1.4.1 创建工程（1）安装IAR后，打开IAR程序，打开方法：在系统桌面单击“开始→所有程序”，然后在程序列表中找到“IAR Systems→IAR Embedded Workbench for 8051”目录，在该目录下找到“IAR Embedded Workbench”应用程序并单击即可运行（建议将该程序的图标放在桌面上），如图1.20所示。图1.20 打开IAR开发工具
IAR打开之后显示如图1.21所示。（2）创建工作空间，在菜单栏单击“File→New→Workspace”，如图1.22所示。（3）保存工作空间，以桌面上的“LED”文件夹为例，将工作空间保存在该目录，然后单击“保存”按钮，如图1.23所示。图1.21 IAR 开发工具显示界面图1.22 新建工作空间图1.23 工作空间保存（4）创建一个新项目，单击“Project→Create New Project”，如图1.24所示。
单击新建项目之后就会弹出一个对话框，在该图中将“Tool chain”选择“8051”，然后单击“OK”按钮，如图1.25所示。图1.24 创建新的项目
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]