传感器与无线传感网络.pdf

职业教育物联网应用技术专业系列规划教材 传感器与无线传感网络 乔海晔 王 毅 黄 润 主 编 黄 燕 周鹏梅 宋相慧 副主编 余明辉 主 审 内 容 简 介 本书适应物联网技术发展、行业企业的人才需求，紧贴职业岗位需求和物联网应用技术专业教学标准，从知识、能力、素质等方面满足学生的学习需求。本书的内容包括两大部分，第一部分为常用传感器类型知识的介绍，第二部分是无线传感网络的项目案例。教学内容均按照项目化的形式组织，每一章按照任务要求、任务涉及的知识、任务实现、拓展训练四大环节组织，并且配备完善的习题和案例供学习者使用。本书共有 7 章，内容包括传感器和无线传感网络技术简介、常用传感器类型及数据读取、蓝牙 4.0 无线通信应用、Wi-Fi 无线通信应用、ZigBee 无线通信应用、其他无线技术在无线传感网中的应用、无线传感网综合案例开发等。本书适合作为各类职业院校物联网应用技术专业、移动互联技术专业、嵌入式系统应用专业、大数据专业、人工智能专业等的传感器技术、无线传感网络课程的教材，也可以作为物联网、电子工程技术人员的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目（CIP）数据 传感器与无线传感网络/乔海晔，王毅，黄润主编北京：电子工业出版社，2019.6 ISBN 978-7-121-36332-0.传.乔 王 黄.无线电通信传感器职业教育教材.TP212 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2019）第 069072 号 责任编辑：白 楠 特约编辑：王 纲 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编 100036 开 本：7871092 1/16 印张：14.25 字数：364.8 千字 版 次：2019 年 6 月第 1 版 印 次：2019 年 6 月第 1 次印刷 定 价：34.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：（010）88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：（010）88254592，。前 言 物联网就是“物物相连”，是通过 RFID、传感器、GPRS 等信息感知设备和互联网连接起来的网络系统。典型的物联网系统一般分为三层：感知层、网络层、应用层，感知层和网络层承担着数据感知、数据传输的作用，是为物联网应用层提供数据来源和可靠传输的通道和“关隘”。正确掌握传感器技术和无线传感网络技术就是掌握了物联网的关键技术之一。物联网技术是国家新兴战略产业技术，目前是物联网产业发展的黄金时期，物联网技术领域的人才缺口非常大。为了更好地培养物联网技术领域的人才，本着职业教育的培养目标，佛山职业技术学院物联网技术团队联合多所兄弟院校撰写了物联网应用技术专业核心课程系列教材，共包括 6 本，分别为 单片机及接口技术 物联网工程技术 传感器与无线传感网络RFID 与二维码技术 移动物联网开发 移动智能终端应用开发。传感器与无线传感网络共 7 章，建议教学为 72 学时，教学时间为二年级第一学期。先修课程为单片机及接口技术 C#程序设计 计算机网络基础。各院校可以根据自身的人才培养方案实际安排情况进行适当的删减。建议教学学时分配如下：章 节 内 容 建 议 学 时 第 1 章 概述 6 第 2 章 常用传感器 14 第 3 章 蓝牙 4.0 无线通信应用 8 第 4 章 Wi-Fi 无线通信应用 10 第 5 章 ZigBee 无线通信应用 16 第 6 章 其他无线技术在无线传感网中的应用 8 第 7 章 无线传感网综合案例开发 10 合计 72 本书的特点如下：1教、学、做相结合。将蓝牙 4.0、Basic RF、ZigBee、GPRS 等技术嵌入教学、训练任务中，通过项目化教学、任务驱动的方式，在任务实施过程中穿插新知识点的讲授，让学生在任务实施过程中理解、掌握理论知识点。2本书为校企合作教材，教学案例全部采用企业的真实案例，知识点和实训任务紧贴物联网技术相关企业的主流技术和产品，缩短学校教学和企业工程的距离，提高学习针对性。3无线传感网络作为物联网技术的灵魂，在职业技能大赛“物联网技术应用”赛项中涉及广泛，本书将竞赛考点作为新知识讲授的主要内容。本书由广州番禺职业技术学院余明辉院长主审，由乔海晔、王毅、黄润担任主编，负责对本书的编写思路、目录、内容选取等进行总体策划，完成对全书的统稿工作。本书第 1 章由黄燕编写，第 2 章由周鹏梅编写，第 3 章由宋相慧编写，第 4 章由乔海晔编写，第 5 章由王毅编写，第 6、7 章由黄润编写。本书还得到了广东职业技术学院、私立华联学院（广东理工职业学院、广州城市职业学院）、合作企业（北京新大陆时代教育科技有限公司）相关人员的大力帮助和支持，在此感谢参与本书编写、审核、出版的全体人员。由于时间仓促，编者水平有限，书中难免有不妥之处，恳请广大读者提出批评和建议，以便今后修订时进一步完善。阅读本书过程中遇到的问题、发现的错误、对本书内容和结构方面的任何意见和建议，请发送至 ，致谢！编 者 V 目 录 第 1 章 概述.1 1.1 智慧家庭监测系统演示.1 1.2 传感器技术认知.13 1.3 无线传感网络的应用实例.21 第 2 章 常用传感器.28 2.1 获取温度传感器数据任务.28 2.2 获取红外传感器数据任务.38 2.3 获取霍尔传感器数据任务.44 2.4 获取压电传感器数据任务.51 2.5 获取声音传感器数据任务.60 第 3 章 蓝牙 4.0 无线通信应用.67 3.1 IAR 开发环境介绍.67 3.2 蓝牙和蓝牙协议栈.72 3.3 通过蓝牙采集心率数据任务.76 3.4 通过蓝牙采集红外数据任务.85 第 4 章 Wi-Fi 无线通信应用.101 4.1 Wi-Fi 介绍.101 4.2 通过 Wi-Fi 模块采集空气质量传感数据.103 4.3 通过 Wi-Fi 控制 LED 灯工作.114 第 5 章 ZigBee 无线通信应用.121 5.1 ZigBee.121 5.2 利用传感器数据变化控制 LED 的亮灭.126 5.3 基于 BasicRF 实现人体状态采集.138 5.4 基于 BasicRF 实现光照值采集.145 5.5 基于 ZStack 协议栈采集数字量传感器实验.151 5.6 基于 ZStack 协议栈组网实验.167 第 6 章 其他无线技术在无线传感网络中的应用.172 6.1 什么是无线通信技术.172 6.2 无线通信技术的发展影响.175 6.3 其他无线技术介绍.178 6.4 基于 GPRS 技术实现数据通信任务.186 VI 第 7 章 无线传感网络综合案例开发.192 7.1 案例场景介绍.192 7.2 无线 ZigBee 传感网开发.196 7.3 蓝牙系统开发.207 7.4 综合场景实现.216 第 1 章 概述 本章简介 本章主要以一个智慧家庭监测系统为例，让读者能够初步了解传感器和无线网络技术的结合，其中包含我们生活中最常见的温湿度、光照度的监测，在检测前要掌握设备的连接、模块的烧写、Wi-Fi 程序的下载和 M3 核心程序的下载。本章还介绍了传感器的定义、传感器的组成和分类、传感器的基本特性，以及传感网络在生态环境监测、交通管理、医疗系统和农业领域的应用。章节目标 了解搭建智慧家庭监测系统的基本方法。熟悉传感器的概念。掌握传感器的基本特性。了解无线传感网络在各行各业的应用。章节任务 1.1 智慧家庭监测系统演示 本节任务主要是完成智慧家庭检测系统的整体演示，要求完成设备连接、程序下载和效果的演示。系统共包含四部分：第一部分是 ZigBee 数据采集，共有 3 个 ZigBee 节点，组成一个ZigBee 网络，分别采集人体红外传感器与温湿度传感器，并将数据发送给 PC。第二部分为蓝牙采集人员信息，共使用两个蓝牙通信模块，组成蓝牙通信网络，负责采集人体红外传感器的 2 数据，并将数据发送给 PC。第三部分是 Wi-Fi 通信功能，共有两个 Wi-Fi 通信模块，组成 Wi-Fi通信网络，主要负责将 M3 模块中的数据发送给 PC，同时可以接收 PC 上的数据并发送给 M3模块。第四部分是执行元件，用于接收 PC 发送过来的指令，并控制风扇运转。该系统综合应用了传感器技术、无线传感网络技术、蓝牙、Wi-Fi 等技术，实现环境智能监控、心率监测等功能，智慧家庭监测系统拓扑结构如图 1-1-1 所示。图 1-1-1 智慧家庭监测系统拓扑结构 最终实验结果如图 1-1-2 所示，PC 端通过串口调试助手实时接收各传感器的数据，同时可以通过串口调试助手发送 1（或 0）来控制风扇旋转（或停止）。图 1-1-2 最终实验结果 任务分析 本任务主要围绕智慧家庭监测系统进行实验，该系统结合了 ZigBee 通信组网技术、蓝牙通信组网技术和 Wi-Fi 通信组网技术。通过本节任务的学习，读者可初步了解传感器和无线网络相关技术。3 第 1 章 概述 建议读者带着以下问题进行本项任务的学习和实践：ZigBee 通信模块是如何下载程序的？蓝牙通信模块是如何下载程序的？Wi-Fi 通信模块是如何下载程序的？串口调试助手的使用方式是什么？任务实施 1设备连接 智慧家庭监测系统需要使用一些硬件设备，下面以表 1-1-1 所列设备清单为例讲解实验。表 1-1-1 设备清单表 序 号 设 备 名 称 数 量设 备 说 明 1 温湿度传感器 1 传感器型号为 SHT10 2 光照度传感器 1 传感器型号为 5528 3 人体红外传感器 1 传感器型号为 IMC-S7801 4 ZigBee 通信模块 3 芯片型号为 CC2530 5 Wi-Fi 通信模块 2 芯片型号为 ESP8266 6 蓝牙通信模块 2 芯片型号为 CC2540 7 M3 模块 1 芯片型号为 STM32F103VE 8 继电器模块 1 型号为 SRD-05VDC 9 风扇 1 工作电压为 12V 由于实验设备之间的通信涉及 M3 模块和各种无线通信模块硬件之间的数据传递，所以需要考虑数据的传递方式和设备之间的干扰。温湿度 ZigBee 节点和光照度 ZigBee 节点主要采集传感器数据，然后通过 ZigBee 信号发送给协调器，协调器通过串口通信方式发送给 M3 模块。ZigBee 协调器的数据传送给 M3 模块只能通过有线的方式进行，因为 M3 模块自身没有ZigBee 通信功能，由于 ZigBee 模块本身有两个串口，这里可以使用串口 1（P1.6 和 P1.7 引脚）与 M3 模块（PB10 和 PB11 引脚）进行通信。蓝牙通信模块 A 采集人体红外传感器的数据，并通过蓝牙信号发送给蓝牙通信模块 B，蓝牙通信模块 B 通过串口的方式将数据传送至 M3 模块。由于蓝牙通信模块本身有两个串口，这里可以使用串口 1（P1.0 和 GND 引脚）与 M3 模块（PA4 和 GND 引脚）进行通信。M3 与 Wi-Fi 通信模块可以采用串口的方式进行通信，这里使用 M3 模块的串口（PA2 和PA3 引脚）与 Wi-Fi 通信模块（RX 和 TX 引脚）通信。各模块之间的连线方式见表 1-1-2。表 1-1-2 各模块之间的连线方式 模 块 名 M3 模 块 ZigBee 模块（协调器）ZigBee 通信 PB10 P1.7 PB11 P1.6 模块名 M3 模块 蓝牙通信模块 B 4 续表 模 块 名 M3 模块 ZigBee 模块（协调器）蓝牙通信 PA4 P1.0 GND GND 模块名 M3 模块 Wi-Fi 通信模块 B Wi-Fi 通信模块 PA2 RX PA3 TX 模块名 M3 模块 继电器模块 风扇 PA5 IN 如图 1-1-3 所示，连接各模块的引脚。图 1-1-3 系统连线示意图 2ZigBee 模块烧写 本系统