作者：廖建尚
出版社：电子工业出版社
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物联网短距离无线通信技术应用与开发试读：
前言
近年来，物联网、移动互联网、大数据和云计算的迅猛发展，逐步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。工业和信息化部发布的《物联网发展规划（2016—2020年）》总结了“十二五”规划中物联网发展所获得的成就，并分析了“十三五”期间面临的形势，明确了物联网的发展思路和目标，提出了物联网发展的6大任务，分别是强化产业生态布局、完善技术创新体系、推动物联网规模应用、构建完善标准体系、完善公共服务体系、提升安全保障能力；提出了4大关键技术，分别是传感器技术、体系架构共性技术、操作系统，以及物联网与移动互联网、大数据融合关键技术；提出了6大重点领域应用示范工程，分别是智能制造、智慧农业、智能家居、智能交通和车联网、智慧医疗和健康养老，以及智慧节能环保；指出要健全多层次多类型的物联网人才培养和服务体系，支持高校、科研院所加强跨学科交叉整合，加强物联网学科建设，培养物联网复合型专业人才。该发展规划为物联网发展指出了一条鲜明的道路，同时也表明了我国在推动物联网应用方面的坚定决心，相信物联网规模会越来越大。本书详细阐述了ZigBee、BLE和Wi-Fi物联网短距离无线通信技术，提出了案例式和任务式驱动的开发方法，旨在大力推动物联网人才的培养。
物联网系统涉及的短距离无线通信技术有很多，包括ZigBee、BLE和Wi-Fi短距离无线通信技术。本书将详细分析这三种短距离无线通信技术，理论知识点清晰，每个知识点都附上一个开发案例，利用贴近社会和生活的案例，由浅入深地介绍各种短距离无线通信技术。每个案例均有完整的理论知识和开发过程实践，分别是深入浅出的原理学习、详细的软/硬件设计和功能实现过程，以及总结拓展。每个案例均附上完整的开发代码，读者可在代码的基础上进行快速二次开发，能方便将其转化为各种比赛和创新创业的案例，不仅为高等院校相关专业师生提供教学案例，也可以为工程项目开发提供较好的参考资料。
第1章引导读者初步认识物联网和短距离无线通信技术，了解物联网的概念和常用技术，分析物联网重点发展领域，概述物联网短距离无线通信技术，并进一步了解ZigBee、BLE和Wi-Fi短距离无线通信技术的应用和基本特征。
第2章学习ZigBee短距离无线通信技术，先学习ZigBee无线通信技术开发基础，分析了ZigBee的特点、应用、架构，并且学习ZigBee开发平台和开发工具，掌握各种协议工具及调试工具的使用，接着学习ZigBee协议栈解析与应用开发，通过分析源代码学习物联网开发框架，最后通过三个开发案例：ZigBee农业光照度采集系统、ZigBee农业遮阳系统和ZigBee农业报警系统，掌握ZigBee采集类程序开发接口、控制类程序开发接口和安防类程序开发接口。
第3章学习BLE短距离无线通信技术，先学习BLE无线通信技术开发基础，分析了BLE的特点、应用、架构，并且学习BLE开发平台和开发工具，掌握各种协议工具及调试工具的使用，接着学习BLE协议栈解析与应用开发，通过分析源代码学习物联网开发框架，最后通过三个开发案例：BLE智能家居湿度采集系统、BLE智能家居灯光控制系统和BLE智能家居门磁报警系统，掌握BLE采集类程序开发接口、控制类程序开发接口和安防类程序开发接口。
第4章学习Wi-Fi短距离无线通信技术，先学习Wi-Fi无线通信技术开发基础，分析了Wi-Fi的特点、应用、架构，并且学习Wi-Fi开发平台和开发工具，掌握各种协议工具及调试工具的使用，接着学习Wi-Fi协议栈解析与应用开发，通过分析源代码学习物联网开发框架，最后通过三个开发案例：Wi-Fi智能家居环境信息采集系统、Wi-Fi智能家居饮水机控制系统和Wi-Fi智能家居安防系统，掌握Wi-Fi采集类程序开发接口、控制类程序开发接口和安防类程序开发接口。
第5章进行物联网综合应用开发，先学习物联网综合项目开发平台，介绍物联网开发平台架构、物联网虚拟化技术、物联网平台线上应用项目的发布，接着学习物联网通信协议，掌握基础通信协议的使用与分析，最后学习物联网应用开发接口，分析物联网平台应用程序编程接口，了解传感器的硬件SensorHAL层、Android库、Web JavaScript库等应用程序接口，并且通过仓库环境管理系统实现物联网的驱动程序开发、Android应用开发和Web应用开发。
本书特色有：（1）理论知识和案例实践相结合。将常见的短距离无线通信技术和生活中实际案例结合起来，边学习理论知识边开发，快速深刻掌握物联网短距离无线通信技术。（2）案例开发。抛去传统的理论学习方法，选取生动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，提供配套PPT，由浅入深掌握物联网短距离无线通信技术。（3）提供综合性项目。综合性项目为读者提供软/硬件系统的开发方法，有需求分析、项目架构、软/硬件设计等方法，在提供案例的基础上可以快速进行二次开发，并可很方便地将其转化为各种比赛和创新创业的案例，也可以为工程项目开发提供较好的参考资料。
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，如有疏漏，请及时通过出版社与我们联系。
本书的出版得到了广东省自然科学基金项目（2018A030313195）、广东省高校省级重大科研项目（2017GKTSCX021）、广东省科技计划项目（2017ZC0358）和广州市科技计划项目（201804010262）的资助。感谢中智讯（武汉）科技有限公司在本书编写过程中提供的帮助，特别感谢电子工业出版社的编辑在本书出版过程中给予的大力支持。
本书涉及的知识面较广，限于时间仓促，以及作者的水平和经验，疏漏之处在所难免，恳请专家和读者批评指正。作 者2019年8月第1章 物联网短距离无线通信技术开发基础
本章是物联网短距离无线通信技术的前导内容，引导读者初步认识物联网和短距离无线通信技术，了解物联网的概念和常用技术，分析物联网重点发展领域，概述物联网短距离无线通信技术，了解ZigBee、BLE和Wi-Fi三种短距离无线通信技术的应用和基本特征，同时结合物联网学习平台介绍学习路线、开发环境、应用场景，最后进行开发实践，构建了一个简单的智能家居系统。1.1 物联网概述
物联网是多学科高度交叉的、知识高度集成的前沿热点研究领域。无线传感器网络涉及纳米与微电子技术、新型微型传感器技术、微机电系统技术、片上系统技术、移动互联网技术、微功耗嵌入式技术、云计算、大数据、人工智能等多个领域，它融合了无线通信技术、计算机技术和自动控制技术，共同构成物联网的技术基础。通过无线传感器网络的部署和采集，可以扩展人们获取信息的能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，改变了人类自古以来仅仅依靠自身的感觉等来感知信息的现状，极大地提高了人类获取数据和信息的准确性、灵敏度。通过网络技术对获取的信息进行汇总与运用，通过云计算、大数据、人工智能等对数据进行分析，最终为人们提供服务。
物联网在众多领域都有广泛的应用，物联网的技术分散性和特殊性使得物联网无处不在。例如，智能家居物联网系统、自动开关的窗帘、智能报警的家居安防传感器、智能的门禁锁和远程的室内监视等。智能家居（见图1.1）可以让家居变得更加智能，也更加便利人们对家居的管理。图1.1 智能家居
本节主要讲述物联网和无线通信技术概念，了解物联网无线通信技术主流架构。同时介绍各种主流的无线传感器网络，及相关学习路线、学习平台、综合体验等，并以简单的智能家居为例对物联网进行分析。1.1.1 物联网的基本概念
物联网（Internet of Things，IoT）的概念最早于1999年由美国麻省理工学院首次提出，2009年年初，IBM提出了“智慧地球”的概念，使得物联网成为时下热门话题。2009年8月，我国启动“感知中国”建设，随后物联网在我国进一步升温，得到了政府、科研院所、高等院校、电信运营商以及设备提供商等的高度重视。
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，对现有物体信息进行感知、采集，通过网络支撑下的可靠传输技术，将各种物体的信息汇入互联网，并基于海量信息资源进行智能决策、安全保障，以及管理与服务的全球公共的信息综合服务平台。物联网如图1.2所示。图1.2 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，并在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，使信息传感设备可以感知任何需要的信息，按照约定的协议，通过可能的网络（如Wi-Fi、3G、4G）接入方式，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换通信，在进行物与物、物与人泛在连接的基础上，实现对物体的智能识别、定位、跟踪、控制和管理。物联网的应用结构如图1.3所示。
以控制和采集设备为主的设备或网络，统称为感知层；以数据汇总和将数据通过网络上传至服务器的这一类设备或网络，统称为网络层；服务器在系统中虽然没有展现，但在系统中承担着重要的工作，服务器主要承担数据管理和服务的功能，这一层统称为平台层；最终接入网络的方式就是使用移动终端，移动终端完成对整个物联网的接入，这一层称为应用层。传统的物联网结构也是由这四层构成的，物联网架构如图1.4所示。图1.3 物联网应用结构图1.4 物联网的架构1.1.2 物联网的重点发展领域《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、智能电网和智能家居，如图1.5所示。物联网已经深入社会生活的方方面面。图1.5 物联网的九大重点领域（1）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。（2）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，即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。（3）智能物流：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。智能物流能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的发展方向。（4）智能交通：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。（5）智能电网：电网的智能化，也被称为电网2.0，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、激励和包括用户、抵御攻击、提供满足21世纪用户需求的电能质量、允许各种不同发电形式的接入、启动电力市场以及资产的优化高效运行。（6）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”，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。（7）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。（8）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能、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。在我国新医改的大背景下，智能医疗正在走进寻常百姓的生活。（9）智能家居：以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、自动控制技术、音/视频技术将与家居生活有关的设施集成，构建高效的住宅设施与家庭日常事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。1.1.3 物联网中常用的技术
物联网的应用有众多的关键技术，综合起来包括以下几种。（1）传感器技术：这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来，就需要把传感器的模拟信号转换成数字信号后计算机才能处理。传感器的应用示意如图1.6所示。图1.6 传感器的应用示意（2）射频识别技术：射频标签是产品电子源代码（EPC）的物理载体，附着于可跟踪的物品上，可全球流通，并对其进行识别和读写。RFID（Radio Frequency Identification）技术作为构建物联网的关键技术近年来受到人们的关注。RFID应用示意如图1.7所示。（3）无线传感器网络：无线传感器网络是集无线射频技术和嵌入式技术于一体的综合技术，无线传感器网络应用示意如图1.8所示。图1.7 RFID应用示意图1.8 无线传感器网络应用示意（4）嵌入式系统技术：是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见，小到人们身边的MP3，大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。嵌入式系统应用示意如图1.9所示。图1.9 嵌入式系统应用示意（5）物联网云平台：物联网云平台基于云计算、大数据技术，承载物联网项目大数据的存储、检索、管理、实时分析处理等功能，同时为各种不同的物联网应用提供统一的应用服务交付接口。物联网云平台应用示意如图1.10所示。图1.10 物联网云平台应用示意1.1.4 无线通信技术概述
物联网技术广泛应用了无线通信技术，即无线传感器网络技术。无线传感器网络最初是由美国国防部高级研究计划署于1978年提出的，其雏形是卡内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、无线电技术以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。
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无线传感器网络的重要应用领域。另外，无线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有潜在的巨大的应用价值。
无线传感器网络一般包括汇聚节点、管理节点和传感器节点。无线传感器网络中的传感器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传感器网络。这样，当网络中某一个传感器节点监测到需上报数据时，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织多跳的方式传输。因此，数据在无线传感器网络内部的传输过程中，可能会由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。
在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。传感器的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。在一个无线传感器网络的节点中，传感器模块的作用是对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就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传感器网络中的数据传输以及通信协议；处理器模块处于核心地位，其主要作用是对传感器、无线通信模块、能量供应模块进行统一、有效的控制，另外，还将传感器节点所采集的数据以及其他节点发来的数据进行前期处理。
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，网络中的每一个传感器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点在网络协议协调下共同完成某些特定的任务。无线传感器网络特点如下：（1）具有自组织性。一般情况下，在构成无线传感器网络之前无法预先精确设定，也无法预先确定各传感器节点的地理位置或节点之间的相对位置。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，有时能达到上万个，甚至更多。（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。具体情形如下：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；传感器节点、感知对象和观察者三要素地理位置产生移动变化等。所以，无线传感器网络要能够根据实际情况的变化，动态地改变网络结构，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。这些外在的恶劣条件，要求无线传感器网络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。1.2 短距离无线通信技术1.2.1 常用的短距离无线通信技术及应用场景
一般地，短距离无线通信的主要特点是通信距离短，覆盖范围一般在几十米或上百米之内，发射器的发射功率较低，一般小于100 mW，短距离无线通信技术的范围很广。低成本、低功耗和对等通信是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。下面介绍三种主流的短距离无线通信技术。
1．ZigBee网络
如果蜜蜂发现食物，会采用类似Zig-Zag形状的舞蹈将具体位置告诉其他蜜蜂，这是一种简单的消息传输方式。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由此而来。可以这样理解，ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词，是根据这个协议实现的一种短距离、低功耗的无线通信技术。
ZigBee网络是近些年才兴起的近距离无线通信技术，是无线传感器网络的核心技术之一。使用该技术的节点设备能耗特别低，无须人工干预，成本低廉，设备复杂度低且网络容量大。（1）低功耗。这是ZigBee网络最具代表性的特点，低速率和低发射功率，以及休眠功能使其设备的功耗进一步降低。（2）低成本。ZigBee协议对相关设备要求不是很高，除此之外，该协议是免费公开的，使用的是免申请执照频段，也减少了其使用成本。（3）短时延。ZigBee网络的响应速度非常快，当有事件触发时，只需要15 ms的反应时间，而设备加入网络所需要的时间也仅有30 ms，同时功耗也得到降低，因此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网络采用载波侦听多点接入/冲突避免（CSMA/CA）的机制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输过程中的竞争与冲突。
ZigBee网络是针对低数据量、低成本、低功耗、高可靠性的无线数据包通信的需求而产生的，在很多领域，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有着广泛的应用。
2．低功耗蓝牙（BLE）
BLE网络是一种短距离无线通信技术，最初是由爱立信公司于1994年提出的，用于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）2.4 GHz频段，频率范围为2400～2483.5 MHz，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2.4 GHz频段划分为79个通信信道，信道带宽为1 MHz，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2402 MHz，最后一条信道起始于2480 MHz。通过自适应跳频技术进行信道的切换，信道切换频率为1600次/秒。
与传统蓝牙协议相比，BLE技术协议在继承传统蓝牙射频技术的基础之上，对传统蓝牙协议栈进行了进一步简化，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，即单模形式和双模形式。双模形式的蓝牙芯片将BLE协议标准集成到传统蓝牙控制器中，实现了两种协议共用。而单模蓝牙芯片采用独立的蓝牙协议栈，它是对传统蓝牙协议栈的简化，从而降低了功耗，提高了数据传输速率。BLE应用示意图如图1.11所示。图1.11 BLE应用示意图
BLE从一开始就被设计为超低功耗无线技术，利用许多智能手段最大限度地降低功耗。BLE技术采用可变连接时间间隔，这个时间间隔可以根据具体应用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微型无线传感器（每半秒交换一次数据）或使用完全异步通信的遥控器等其他外设传输数据，这些设备发送的数据量非常少（通常几字节），而且发送次数也很少（例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网络可以采用点对点或者点对多点的方式，一个BLE主机可以连接多个BLE从机，组成星状网络；另外还有一种由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。
3．Wi-Fi网络
Wi-Fi是无线以太网IEEE 802.11b标准的别名，它是一种本地局域无线网络技术，可使电子设备连接到网络，其工作频率为2.4～2.48 GHz。许多终端设备，如笔记本电脑、视频游戏机、智能手机、数码相机、平板电脑等都配有Wi-Fi模块，通过Wi-Fi模块这些终端设备可连接到特定网络资源，如Internet。Wi-Fi技术可使用户获得方便快捷的无线上网体验，同时也使用户摆脱了传统的有线上网的束缚。与许多无线传输技术如ZigBee、BLE一样，Wi-Fi也被视为一种短距离无线通信技术，它支持移动设备在近100 m范围内接入互联网。随着无线通信技术不断发展，IEEE 802.11b标准日臻成熟与完善，它们被统称为Wi-Fi。Wi-Fi应用示意图如图1.12所示。图1.12 Wi-Fi应用示意图
Wi-Fi主要依据IEEE 802.11b标准并在2.4 GHz开放的免申请执照ISM（Industrial Scientific and Medical）频段工作。Wi-Fi网络采用补码键控（CCK）调制方式，其频率范围为2.4～2.4835 GHz，共83.5 MHz，被划分为14个子信道，每个子信道宽度为22 MHz，相邻信道的中心频点间隔5 MHz。
4．短距离无线通信技术应用场景
无线传感器网络应用系统中大量采用具有智能感测和无线传输的微型传感器，通过这些微型传感器监测周遭环境，如温度、湿度、光照、气体浓度、PM2.5、PM10、甲醛、电磁辐射、振动幅度等物理信息，并由无线传感器网络将收集到的信息传送给监测者。监测者解读信息后，便可掌握现场状况，进而维护、调整相关系统。由于监测物理世界的重要性从来没有像今天这么突出，所以无线传感器网络已成为军事侦察、环境保护、建筑监测、安全作业、工业控制、家庭、船舶和运输系统自动化等应用中的重要技术手段，如图1.13所示。图1.13 无线传感器网络的应用领域1.2.2 短距离无线通信技术的学习路线、开发平台和开发环境
1．短距离无线通信技术的学习路线
短距离无线通信技术的学习包括微处理器技术和射频技术的学习。微处理器技术的学习主要是对射频承载的芯片接口技术进行学习，射频技术的学习则是对网络特性和网络协议的学习。通过使用射频芯片实现数据收发，短距离无线通信技术的学习目的也就基本上达到了。
下面以ZigBee网络为例分析短距离无线通信技术的学习路线。ZigBee网络是一种低功耗、高效率、多点自组织、短近距离、可中继的无线传感器网络。承载ZigBee网络的芯片有很多，本书以TI公司研发的CC2530芯片为例。CC2530芯片是一个拥有增强型51内核的单片机，集成了符合ZigBee网络特性的射频组件。
先学习CC2530芯片的工作原理，然后学习CC2530的射频功能。在射频功能方面，很多半导体公司在芯片上开发了ZigBee网络协议栈，网络协议栈能够调用芯片的全部资源，并能够通过协议栈使开发者轻松地使用ZigBee网络。因此使用CC2530的ZigBee功能就是使用CC2530的ZigBee协议栈。
因此学习ZigBee网络，一方面学习芯片的使用，另一方面还在理解协议栈原理的基础上使用封装的ZigBee协议栈。
结合ZigBee网络的学习思路，短距离无线通信技术的学习路线如图1.14所示。图1.14 短距离无线通信技术的学习路线
常见短距离无线通信技术的学习内容如表1.1所示。表1.1 常见短距离无线通信技术的学习内容
表1.1中ZigBee网络、BLE网络、Wi-Fi网络均使用带射频功能的芯片，可直接使用官方提供的协议栈。但半导体公司的协议栈开发人员的程序开发水平远高于初学者，导致初学者对协议栈的学习和理解变得十分困难，因此本书的项目开发框架在原有的半导体公司提供的协议栈的基础上进行了封装和优化，可大大方便初学者的学习。
2．短距离无线通信技术的开发平台
本书的开发平台为xLab未来开发平台，提供两种类型的智能节点，即经典型节点ZXBeeLite-B和增强型节点ZXBeePlus-B，该开发平台集成了锂电池供电接口、调试接口、外设控制电路、RJ45工业接口等。
ZXBeeLite-B经典型节点采用CC2530作为主控微处理器，板载电源、电池信号指示灯和网络、数据两路功能按键，集成了锂电池接口、电源管理芯片，支持电池的充电管理和电量测量；集成了USB串口、TI仿真器接口、ARM仿真器接口；集成了两路RJ45工业接口，提供主芯片P0_0～P0_7输出，硬件包含IO、ADC3.3 V、ADC5 V、UART、RS-485、两路继电器接口等，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。xLab未来开发平台如图1.15所示。图1.15 xLab未来开发平台
本书使用xLab未来开发平台来进行学习和应用开发，xLab未来开发平台支持多种无线传感器网络，包括ZigBee网络、BLE网络、Wi-Fi网络、LoRa网络、NB-IoT网络、LTE网络，其中本书主要使用的无线模组有ZigBee无线模组、BLE无线模组、Wi-Fi无线模组。无线模组功能描述如表1.2所示。表1.2 无线模组功能一览表续表
为深化在无线传感器网络中对节点时使用，书中的项目实例均用到传感器和控制设备。xLab未来开发平台按照传感器类别设计了丰富的传感设备，涉及采集类、控制类、安防类、显示类、识别类、创意类等。本书实例使用采集类开发平台（Sensor-A）、控制类开发平台（Sensor-B）和安防类开发平台（Sensor-C）。
1）采集类开发平台（Sensor-A）
采集类开发平台包括：温湿度传感器、光照度传感器、空气质量传感器、气压海拔传感器、三轴加速度传感器、距离传感器、继电器、语音识别传感器等，如图1.16所示。图1.16 采集类开发平台
● 两路RJ45工业接口，包含I/O、DC 3.3 V、DC 5 V、UART、RS-485、两路继电器输出等功能，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。
● 采用磁吸附设计，可通过磁力吸附并通过RJ45工业接口接入节点进行数据通信。
● 温湿度传感器的型号为HTU21D，采用数字信号输出和IIC总线通信接口，测量范围为-40～125℃，以及5%～95%RH。
● 光照度传感器的型号为BH1750，采用数字信号输出和IIC总线通信接口，对应广泛的输入光范围，相当于1～65535 lx。
● 空气质量传感器的型号为MP503，采用模拟信号输出，可以检测气体酒精、烟雾、异丁烷、甲醛，检测浓度为10～1000 ppm（酒精）。
● 气压海拔传感器的型号为FBM320，采用数字信号输出和IIC总线通信接口，测量范围为300～1100 hPa。
● 三轴加速度传感器的型号为LIS3DH，采用数字信号输出和IIC总线通信接口，量程可设置为±2g、±4g、±8g、±16g（g为重力加速度），16位数据输出。
● 距离传感器的型号为GP2D12，采用模拟信号输出，测量范围为10～80 cm，更新频率为40 ms。
● 采用继电器控制，输出节点有两路继电器接口，支持5 V电源开关控制。
● 语音识别传感器的型号为LD3320，支持非特定人识别，具有50条识别容量，返回形式丰富，采用串口通信。
2）控制类开发平台（Sensor-B）
控制类开发平台包括：排风扇、步进电机、蜂鸣器、LED、RGB灯、继电器接口，如图1.17所示。图1.17 控制类开发平台
● 两路RJ45工业接口，包含I/O、DC 3.3 V、DC 5 V、UART、RS-485、两路继电器输出等功能，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。
● 采用磁吸附设计，可通过磁力吸附并通过RJ45工业接口接入节点进行数据通信。
● 排风扇为小型风扇，采用低电平驱动。
● 步进电机为小型42步进电机，驱动芯片为A3967SLB，逻辑电源电压范围为3.0～5.5 V。
● 使用小型蜂鸣器，采用低电平驱动。
● 两路高亮LED，采用低电平驱动。
● RGB灯采用低电平驱动，可组合出任何颜色。
● 采用继电器控制，输出节点有两路继电器接口，支持5 V电源开关控制。
3）安防类开发平台（Sensor-C）
安防类开发平台包括：火焰传感器、光栅传感器、人体红外传感器、燃气传感器、触摸传感器、振动传感器、霍尔传感器、继电器接口、语音合成传感器等，如图1.18所示。图1.18 安防类开发平台
● 两路RJ45工业接口，包含I/O、DC 3.3 V、DC 5 V、UART、RS-485、两路继电器输出等功能，提供两路3.3 V、5 V、12 V电源输出。
● 采用磁吸附设计，可通过磁力吸附并通过RJ45工业接口接入节点进行数据通信。
● 火焰传感器采用5 mm的探头，可检测火焰或波长为760～1100 nm的光源，探测温度为60℃左右，采用数字开关量输出。
● 光栅传感器的槽式光耦槽宽为10 mm，工作电压为5 V，采用数字开关量信号输出。
● 人体红外传感器的型号为AS312，电源电压为3 V，感应距离为12 m，采用数字开关量信号输出。
● 燃气传感器的型号为MP-4，采用模拟信号输出，传感器加热电压为5 V，供电电压为5 V，可测量天然气、甲烷、瓦斯气、沼气等。
● 触摸传感器的型号为SOT23-6，采用数字开关量信号输出，当检测到触摸时，输出电平翻转。
● 振动传感器在低电平时有效，采用数字开关量信号输出。
● 霍尔传感器的型号为AH3144，电源电压为5 V，采用数字开关量输出，工作频率宽（0～100 kHz）。
● 采用继电器控制，输出节点有两路继电器接口，支持5 V电源开关控制。
● 语音合成传感器的型号为SYN6288，采用串口通信，支持GB2312、GBK、UNICODE等编码，可设置音量、背景音乐等。
3．短距离无线通信技术的开发环境
学习短距离无线通信技术就是学习无线传感器网络承载的芯片和网络协议栈。对无线传感器网络的学习与开发就是对芯片的程序开发。既然要开发程序，就需要开发环境和相关的开发工具。
为了避免多个开发和编译环境的使用造成初学者对学习无线传感器网络的困扰，本书选用TI开发平台，ZigBee、BLE和Wi-Fi的芯片都使用TI公司研发的芯片。这三种芯片的协议栈开发环境均为IAR集成开发环境。另外三种网络选用的是射频模块加控制芯片的组合，在程序开发上只需要对控制芯片进行操作即可。芯片选用的是意法半导体公司生产的基于ARM内核的STM32芯片，IAR集成开发环境对此款芯片也有很好的支持。因此在无线传感器网络的学习中程序的开发均使用IAR集成开发环境。
除了开发环境，意法半导体公司还为芯片的开发提供了许多可用的工具，如网络调试工具、抓包工具等，为了方便初学者对无线传感器网络的学习，也开发了功能强大的综合调试工具。
无线传感器网络开发环境与调试工具汇总如表1.3所示。表1.3 无线传感器网络开发环境与调试工具汇总续表
由于所有网络均使用IAR集成开发环境，此处将对IAR集成开发环境的使用进行分析，其中CC2530和CC2540采用的是IAR for 8051，CC3200使用的是IAR for ARM，两者界面和调试方法相同。IAR集成开发环境是一个专门用于开发嵌入式设备程序的开发环境，使用方便简单。
1）IAR集成开发环境的主窗口界面
IAR集成开发环境的主窗口界面如图1.19所示。图1.19 IAR集成开发环境的主窗口界面（1）Menu Bar（菜单栏）：包含IAR的所有操作及内容，在编辑模式和调试模式下存在一些不同。（2）Tool Bar（工具栏）：包含一些常见的快捷按钮。（3）Workspace Window（工作空间窗口）：一个工作空间可以包含多个工程，该窗口主要显示工作空间中工程项目的内容。（4）Edit Window（编辑窗口）：代码编辑区域。（5）Message Window（信息窗口）：包括编译信息、调试信息、查找信息等内容。（6）Status Bar（状态栏）：包含错误警告、光标行列等一些状态信息。
2）IAR集成开发环境的工具栏
工具栏上是主菜单部分功能的快捷按钮，这些快捷按钮之所以放置在工具栏上，是因为它们的使用频率较高。例如，编译按钮，这个按钮在编程时使用的频率相当高，这些按钮大部分也有对应的快捷键。
IAR的工具栏共有两个：主工具栏和调试工具栏。编辑（默认）模式下只显示主工具栏，进入调试模式后会显示调试工具栏。
主工具栏可以通过菜单打开，即“View→Toolbars→Main”，如图1.20所示。图1.20 通过菜单打开IAR集成开发环境的主工具栏（1）IAR集成开发环境的主工具栏。在编辑模式下，只显示主工具栏，其中的内容也是编辑模式下常用的快捷按钮，如图1.21所示。图1.21 IAR集成开发环境的主工具栏
● New Document：新建文件，快捷键为Ctrl+N。
● Open：打开文件，快捷键为Ctrl+O。
● Save：保存文件，快捷键为Ctrl+S。
● Save All：保存所有文件。
● Print：打印文件，快捷键为Ctrl+P。
● Cut：剪切，快捷键为Ctrl+X。
● Copy：复制，快捷键为Ctrl+C。
● Paste：粘贴，快捷键为Ctrl+V。
● Undo：撤销编辑，快捷键为Ctrl+Z。
● Redo：恢复编辑，快捷键为Ctrl+Y。
● Quick Search Text Box：快速搜索文本框。
● Find Previous：向前查找，快捷键为Shift+F3。
● Find Next：向后查找，快捷键为F3。
● Find：查找（增强），快捷键为Ctrl+F。
● Replace：替换，快捷键为Ctrl+H。
● Go To：前往行列，快捷键为Ctrl+G。
● Toggle Bookmark：标记/取消书签，快捷键为Ctrl+F2。
● Previous Bookmark：跳转到上一个书签，快捷键为Shift+F2。
● Next Bookmark：跳转到下一个书签，快捷键为F2。
● Navigate Forward：跳转到下一步，快捷键为Alt+右箭头。
● Navigate Backward：跳转到上一步，快捷键为Alt+左箭头。
● Compile：编译，快捷键为Ctrl+F7。
● Make：编译工程（构建），快捷键为F7。
● Stop Build：停止编译，快捷键为Ctrl+Break。
● Toggle Breakpoint：编辑/取消断点，快捷键为Ctrl+F9。
● Download and Debug：下载并调试，快捷键为Ctrl+D。
● Debug without Downloading：调试（不下载）。（2）IAR集成开发环境的调试工具栏。调试工具栏是在程序调试模式下才显示的快捷按钮，在编辑模式下，这些按钮是不显示的，如图1.22所示，各个图标说明如下。图1.22 IAR集成开发环境的调试工具栏
● Reset：复位。
● Break：停止运行。
● Step Over：逐行运行，快捷键为F10。
● Step Into：跳入运行，快捷键为F11。
● Step Out：跳出运行，快捷键为F11。
● Next Statement：运行到下一语句。
● Run to Cursor：运行到光标行。
● Go：全速运行，快捷键为F5。
● Stop Debugging：停止调试，快捷键为Ctrl+Shift+D。
逐行运行也称为逐步运行，跳入运行也称为单步运行，运行到下一语句和逐行运行类似。1.2.3 小结
本节介绍了物联网的概念、网络架构，以及ZigBee、低功耗蓝牙（BLE）、Wi-Fi无线传感器网络技术及相关开发平台和芯片，并学习了安装部署ZigBee、BLE、Wi-Fi三种开发平台的开发环境和工具。1.2.4 思考与拓展（1）分析无线传感器网络的体系架构。（2）讨论无线传感器网络在实际生活中有哪些潜在的应用。（3）结合开发实践的项目，画出智能家居应用场景的架构示意图。第2章 ZigBee无线通信技术应用开发
ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据传输速率。ZigBee网络已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智慧农业、智能交通、智能家居、金融、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、环境保护、气象、农业、水务等领域。
本章通过对ZigBee网络在智慧农业中的应用进行分析，掌握ZigBee网络开发工具的使用和程序开发，并能够设计智慧农业的一些基本应用场景。基于ZigBee技术的智慧农业就是将物联网技术运用到传统农业中去，运用传感器和软件通过移动终端或者电脑终端对农业生产进行控制。
本章内容共分6个模块：（1）ZigBee无线通信技术开发基础：分析ZigBee网络的特点、应用、架构，并掌握ZigBee智慧农业应用的设备选型、组网、配置及应用展示。（2）ZigBee开发平台和开发工具：分析ZigBee网络的常用芯片CC2530，学习CC2530开发环境的安装使用，以及工程创建、各种协议工具及调试工具的使用。（3）ZigBee协议栈解析与应用开发：分析CC2530协议源代码流程，学习CC2530协议栈与智云物联网开发框架。（4）ZigBee农业光照度采集系统开发与实现：分析基于ZigBee的采集类程序逻辑和采集类程序开发接口，并进行农业光照采集系统的开发。（5）ZigBee农业遮阳系统开发与实现：分析基于ZigBee的控制类程序逻辑和控制类程序开发接口，并进行遮阳系统的开发。（6）ZigBee农业报警系统开发与实现：分析基于ZigBee的安防类程序逻辑和安防类程序开发接口，并进行农业报警系统的开发。2.1 ZigBee无线通信技术开发基础
智慧农业充分应用现代信息技术成果，集成计算机技术、网络技术、物联网技术、音/视频技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变报警等智能管理。通过各种无线传感器实时地对农业生产现场的温湿度、光照度、CO浓度等2参数进行采集，利用视频监控设备获取农作物的生长状况等信息，远程监控农业生产环境，实现智能化的农业生产，有效减少成本，提高农作物产量。
ZigBee网络的通信距离短、功耗低，适合对大面积的土地进行数据采集和传输，可时刻监测土壤的温湿度变化，并随时调节，已经在智慧农业中有着广泛的应用和发展。
本节主要讲述ZigBee网络的概念、架构、组网过程及应用场景，最后通过构建智慧农业系统，实现对ZigBee短距离无线通信技术的学习与开发实践。2.1.1 学习与开发目标（1）知识目标：ZigBee网络特征；ZigBee网络架构。（2）技能目标：了解ZigBee网络特征；了解ZigBee网络的应用场景。（3）开发目标：通过学习和了解ZigBee网络的参数、架构、节点类型以及应用场景，构建智慧农业系统。2.1.2 原理学习：ZigBee网络
1．ZigBee网络特征
ZigBee的设计目标是保证在低电耗的前提下，开发一种易部署、低复杂度、低成本、短距离、低速率的自组织无线网络，在工业控制、家庭智能化、无线传感器网络等领域有广泛的应用前景。简而言之，ZigBee网络是一种便宜的低功耗的近距离无线通信技术，具有以下特点：
● 低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
● 低成本：通过大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，另外，ZigBee协议是免费的。
● 低数据传输速率：ZigBee网络的数据传输速率为250 kbps，满足低速率传输数据的应用需求。
● 近距离：传输范围一般为10～100 m，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km，这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的中继，传输距离将更大。
● 短时延：ZigBee网络的响应速度较快，从睡眠转入工作状态一般只需15 ms，节点连接网络只需30 ms，进一步节省了电能。
● 高容量：ZigBee网络可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点来管理，最多可管理65000个节点。
2．ZigBee网络架构
1）ZigBee网络参数
ZigBee网络作为一种可中继、覆盖范围广泛、接入节点多的无线通信技术，其所构建的网络势必会有众多的节点，这些节点的识别与定位都是ZigBee网络关注的重点。
ZigBee网络采用的区分与识别方法是设置ZigBee的网络CHANNEL（网络信道号），在相同CHANNEL下通过PANID（网络ID）来区别网络。当一个ZigBee网络的节点将CHANNEL和PANID信息与已有的ZigBee网络信息设置相同时，这个ZigBee网络的节点可以接入已有的ZigBee网络。在ZigBee网络内部，Coordinator（协调器）和Router（路由）节点通过分配的ShortAddr（短地址）实现对节点的定位与识别。在ZigBee网络外部，开发者可以通过每个ZigBee芯片所携带的全球唯一的MAC地址对ZigBee网络节点进行识别。下面对这四个参数进行说明：（1）CHANNEL。CHANNEL是ZigBee网络的网络信道号，2.4 GHz的ZigBee协议栈含有16个通信信道，中国地区分配的信道为信道11（0x0b）～信道26（0x1a）。信道的设置是通过32位的数据来进行的，如果需要使能某个信道，将信道对应的数据位置为1即可。比如某个设备使用信道11，则设置为0x00000800，使用信道26则设置为0x04000000。ZigBee网络允许设备使能多个信道，如果需要使能所有信道，则设置CHANNEL为0x7fff800即可。ZigBee网络只有在相同的信道下才能考虑通信的可能性，如果信道不同则无法组网。ZigBee网络信道分配如图2.1所示。图2.1 ZigBee网络信道分配（2）PANID。PANID是ZigBee网络的ID，用于区分同一信道下的其他网络，节点通过PANID判断自身所属的ZigBee网络。PANID的参数可配置，其配置参数范围为0x0000～0xFFFF。可互相通信的节点之间PANID必须相同，且必须保证同一工作区域内的相邻网络的PANID不同。（3）MAC地址。MAC地址是64位的IEEE地址，是一个全球唯一的地址，一经分配就将跟随设备一生。MAC地址通常由制造商或者被安装时设置，它是由IEEE组织来维护和分配的。（4）ShortAddr。ShortAddr是16位的ZigBee网络内部的网络地址，这个16位的网络地址是在设备加入网络后分配的，它在ZigBee网络中是唯一的，用来在网络中鉴别设备和发送数据。ZigBee节点在RFD模式下时可直接使用其内部的网络地址。
2）ZigBee节点类型
ZigBee网络的基础知识主要包括设备类型、拓扑结构和路由方式三个方面的内容。所有的ZigBee节点都可分为Coordinator（协调器）、Router（路由）节点、EndDevice（终端）节点三种类型，节点类型只是网络层的概念，反映了网络的拓扑结构，而ZigBee网络采用任何一种拓扑结构都只是为了实现网络中信息高效稳定的传输，在实际的应用中不必关心ZigBee网络的组织形式，节点类型的定义和节点在应用中的功能并不相关。三种网络节点类型如下。（1）Coordinator（协调器）。不论ZigBee网络采用何种拓扑结构，网络中有一个并且只能有一个协调器，它在网络层的任务是选择网络所使用的通道频率，建立网络并将其他节点加入网络，提供信息路由、安全管理和其他的服务。协调器在系统初始化时起着重要作用，某些应用中网络初始化完成后，即使关闭了协调器，网络仍然可正常工作，但若协调器在应用层提供一些服务，就必须持续的处于工作状态。（2）Router（路由）节点。如果ZigBee网络采用了树状和星状拓扑结构，就需要用到路由节点，它负责数据的路由，路由的建立由ZigBee协议的算法决定，入网后可以加入其他路由节点，也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。此类节点的主要功能是发送和接收节点自身信息；在节点之间转发信息；容许子节点通过它加入网络。（3）EndDevice（终端）节点。终端节点的主要任务就是发送和接收信息，不能够转发信息也不能够让其他节点加入网络。通常一个终端节点不处在数据收发状态时可进入休眠状态，以节省耗电。
3）ZigBee网络架构
ZigBee网络作为一种短距离、低功耗、低数据传输速率的无线网络技术，它是介于无线射频识别（RFID）技术和BLE之间的技术方案，在无线传感器网络领域应用非常广泛，这得益于其强大的组网能力，可以形成星状、树状和网状网三种拓扑结构，在实践中可以根据实际项目需要来选择合适的拓扑结构，三种拓扑结构各有优势。（1）星状拓扑。星状拓扑是最简单的拓扑结构，如图2.2所示，包含一个协调器和一系列的终端节点。每一个终端节点只能和协调器进行通信，在两个终端节点之间进行通信必须通过协调器进行转发。
这种拓扑结构的缺点是节点之间的数据路由只有唯一的一个路径。协调器有可能成为整个网络的瓶颈。实现星状拓扑不需要使用ZigBee网络层协议，因为IEEE 802.15.4的协议层已经实现了星状拓扑结构，但是需要开发者在应用层做更多的工作，包括处理信息的转发。（2）树状拓扑。树状拓扑结构如图2.3所示，协调器可以连接路由节点和终端节点，其子节点中的路由节点也可以连接路由节点和终端节点。在多个层级的树状拓扑中，信息具有唯一路由通道，只可以在父节点与子节点之间进行直接通信，非父子关系的节点需间接通信。
树状拓扑有如下特点：
● 协调器和路由节点可以包含自己的子节点；
● 终端节点不能有自己的子节点；
● 有同一个父节点的节点之间称为兄弟节点；
● 有同一个祖父节点的节点之间称为堂兄弟节点。图2.2 星状拓扑结构
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