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Cypress WICED 物联网开发指南:从传感器、无线接入到云端的设计与实现


Cypress WICED 物联网开发指南:从传感器、无线接入到云端的设计与实现 Cypress WICED 物联网开发指南:从传感器、无线接入到云端的设计与实现

目录

内容简介编辑本段

        本书以Cypress公司的WICED Studio软件集成开发工具、Wi-Fi和蓝牙单芯片,以及PSoC6 MCU为基础,详细介绍了物联网中实现基于Wi-Fi和蓝牙技术的无线接入与应用方法。本书分为3篇,共12章,主要内容包括物联网基础、WICED Studio集成开发环境、驱动和控制外设的设计与实现、实时操作系统原理及应用、使用WICED-SDK库文件、Wi-Fi接入原理及实现、TCP/IP套接字原理及实现方法、HTTP1.1协议的分析及应用、亚马逊云端连接和应用实现、蓝牙接入技术原理、蓝牙连接的实现和基本应用,以及蓝牙连接的实现和高级应用。 本书反映了基于Cypress公司软件和硬件产品开发物联网应用的新成果,系统化、模块化地介绍了在WICED Studio集成开发环境下将设备通过Wi-Fi和蓝牙技术接入物联网的实现方法。 本书在介绍这些内容时,注意理论和实践相结合,同时给出了大量的设计实例,使读者能够掌握这一新的设计技术,以便推动新物联网开发技术在国内的普及与推广。

目录编辑本段

第 1 篇
WICED集成开发环境介绍和基本应用
第1章  物联网基础    3
1.1  物联网的定义    3
1.2  物联网中的技术    5
1.3  物联网架构    6
1.3.1  高级视图    7
1.3.2  功能结构    7
1.3.3  分层模型    8
1.4  物联网面临的挑战    8
1.5  Cypress提供的IoT开发平台    9
第2章  WICED Studio集成开发环境    11
2.1  WICED Studio的下载和安装    11
2.1.1  WICED Studio的下载    11
2.1.2  WICED Studio的安装    13
2.1.3  WICED SDK架构    14
2.2  WICED Studio软件主设计界面    16
2.2.1 “Project Explorer”窗口    18
2.2.2  文档系统    20
2.3  WICED Studio支持的Wi-Fi芯片    22
2.4  运行第一个WICED设计    23
2.4.1  查找演示设计案例    23
2.4.2  项目的命名规则    24
2.4.3  生成新的Make Target    24
2.4.4  运行新生成的Make Target    26
第3章  驱动和控制外设的设计与实现    29
3.1  设计所使用硬件平台的特性与功能    29
3.2  设计并实现第一个WICED应用    30
3.2.1  复制设计模板    31
3.2.2  修改control_gpio.c文件    33
3.2.3  修改control_gpio.mk文件    36
3.2.4  生成新的Make Target    37
3.2.5  运行新生成的Make Target    37
3.3  中断程序的设计与实现    37
3.3.1  复制设计文件    37
3.3.2  生成新的Make Target    40
3.3.3  运行新生成的Make Target    40
3.4  脉冲宽度程序的设计与实现    41
3.4.1  复制设计文件    41
3.4.2  生成新的Make Target    42
3.4.3  运行新生成的Make Target    42
3.5  串口发送程序的设计与实现    43
3.5.1  复制设计文件    43
3.5.2  生成新的Make Target    46
3.5.3  运行新生成的Make Target    46
3.6  串口接收程序的设计与实现    47
3.6.1  复制设计文件    48
3.6.2  生成新的Make Target    50
3.6.3  运行新生成的Make Target    50
3.7  模拟-数字转换程序的设计与实现    51
3.7.1  复制设计文件    51
3.7.2  生成新的Make Target    52
3.7.3  运行新生成的Make Target    53
第4章  实时操作系统原理及应用    54
4.1  实时操作系统的功能    54
4.2  WICED RTOS抽象层    55
4.3  线程的原理及实现    55
4.3.1  线程的原理    56
4.3.2  线程的实现    57
4.4  信号量的原理及应用    60
4.4.1  信号量的原理    60
4.4.2  信号量的应用    61
4.5  互斥的原理及应用    65
4.5.1  互斥的原理    65
4.5.2  互斥的应用    65
4.6  队列的原理及应用    69
4.6.1  队列的原理    69
4.6.2  队列的应用    70
4.7  定时器的原理及应用    73
4.7.1  定时器的基本原理    73
4.7.2  定时器的应用    74
第5章  使用WICED-SDK库文件    77
5.1  WICED-SDK库文件架构    77
5.2  WICED-SDK库文件应用实例-网络测试    78
5.2.1  生成新的Make Target    78
5.2.2  运行新生成的Make Target    78
5.2.3  运行Iperf工具    80
5.3  WICED-SDK库文件应用实例-TFT显示    81
5.3.1  TFT显示模块硬件设计原理    81
5.3.2  复制设计文件    82
5.3.3  生成新的Make Target    83
5.3.4  运行新生成的Make Target    83
第 2 篇
Wi-Fi接入技术和物联网应用
第6章  Wi-Fi接入原理及实现    87
6.1  TCP/IP网络协议栈    87
6.2  Wi-Fi接入技术中的基本术语    89
6.3  Wi-Fi/BT模组结构和功能    92
6.3.1  硬件连接原理    92
6.3.2  CYW4343W支持的标准和协议    93
6.3.3  CYW4343W WLAN MAC特性    93
6.3.4  CYW4343W WLAN PHY特性    95
6.3.5  CYW4343W WLAN射频子系统    96
6.4  WICED中提供的接入资源    96
6.4.1  设备配置表    97
6.4.2  WICED Wi-Fi SDK    100
6.4.3  返回值状态    101
6.4.4  文档    102
6.4.5  导引器    103
6.5  WICED设备连接到网络的实现    104
6.5.1  复制设计文件    104
6.5.2  生成新的Make Target    106
6.5.3  运行新生成的Make Target    107
6.6  打印WICED设备网络信息的实现    108
6.6.1  复制设计文件    108
6.6.2  生成新的Make Target    110
6.6.3  运行新生成的Make Target    111
6.7  在两个SSID之间切换的应用实现    112
6.7.1  复制设计文件    112
6.7.2  生成新的Make Target    115
6.7.3  运行新生成的Make Target    115
第7章  TCP/IP套接字原理及实现方法    117
7.1  使用TCP/IP套接字建立通信    117
7.1.1  TCP通信基本原理——套接字    117
7.1.2  使用套接字的WICED TCP服务器和客户端    118
7.1.3  使用流发送和接收数据    120
7.1.4  使用WICED以TCP客户端形式用数据包传输数据    121
7.1.5  使用WICED以TCP服务器形式接收数据包    123
7.2  WICED套接字文档-非安全连接    124
7.3  安全性    124
7.4  X.509证书    128
7.4.1  基础知识    128
7.4.2  下载证书    129
7.4.3  创建自己的证书    133
7.4.4  在WICED中使用证书    133
7.5  带有TLS的TCP/IP套接字    135
第8章  HTTP1.1协议的分析及应用    139
8.1  云的基本概念    139
8.2  应用层协议    139
8.2.1  超文本传输协议    140
8.2.2  消息队列遥测传输协议    141
8.2.3  约束应用协议    142
8.2.4  高级消息队列协议    142
8.2.5  JS对象标记    143
8.3  HTTP1.1协议详解    143
8.3.1  客户端请求    144
8.3.2  服务器响应    147
8.3.3  CURL工具    148
8.3.4  REST和RESTful API    153
8.3.5  WCIED HTTP1.1客服端库    154
8.3.6  Httpbin.org    156
8.4  非安全的HTTP连接    157
8.4.1  复制设计文件    157
8.4.2  生成新的Make Target    163
8.4.3  运行新生成的Make Target    163
8.5  安全的HTTP连接    164
8.5.1  复制设计文件    165
8.5.2  生成新的Make Target    170
8.5.3  运行新生成的Make Target    170
8.6  向网站提交数据-非安全连接    171
8.6.1  复制设计文件    171
8.6.2  生成新的Make Target    175
8.6.3  运行新生成的Make Target    175
8.7  向网站提交数据-安全连接    176
8.7.1  复制设计文件    176
8.7.2  生成新的Make Target    181
8.7.3  运行新生成的Make Target    182
8.8  使用Web API验证电话信息    183
8.8.1  通过浏览器访问该网站    183
8.8.2  复制设计文件    185
8.8.3  生成新的Make Target    191
8.8.4  运行新生成的Make Target    191
8.9  使用文本串发送请求的实现    193
8.9.1  复制设计文件    193
8.9.2  生成新的Make Target    195
8.9.3  运行新生成的Make Target    195
第9章  亚马逊云端连接和应用实现    197
9.1  亚马逊AWS物联网云服务概述    197
9.2  亚马逊AWS IoT云服务的资源    198
9.3  亚马逊AWS MQTT基本操作    199
9.3.1  注册账户    199
9.3.2  登录账户    203
9.3.3  AWS IoT教程    204
9.3.4  配置AWS IoT Thing的流程    205
9.3.5  主题    211
9.3.6  设备影子主题    212
9.3.7  将MQTT与AWS配合使用    212
9.3.8  将HTTPS与AWS配合使用    213
9.3.9  使用AWS MQTT测试客户端    213
9.4  在AWS云端发布消息的实现    215
9.4.1  复制和重命名证书文件    215
9.4.2  复制和修改设计文件    216
9.4.3  生成新的Make Target    224
9.4.4  运行新生成的Make Target    225
9.5  AWS云端订阅信息控制外设的实现    227
9.5.1  复制和修改设计文件    227
9.5.2  生成新的Make Target    234
9.5.3  运行新生成的Make Target    234
9.6  AWS云端订阅和发布消息的综合实现    236
9.6.1  设计目标    236
9.6.2  复制设计文件    236
9.7  AWS云端事物影子的操作实现    237
9.7.1  设计目标    237
9.7.2  复制设计文件    237
第  3  篇
蓝牙接入技术和物联网应用
第10章  蓝牙接入技术原理    241
10.1  蓝牙技术的起源    241
10.2  蓝牙技术的发展历程    241
10.3  蓝牙版本的演进    242
10.4  低功耗蓝牙模式    246
10.5  低功耗蓝牙协议    246
10.5.1  物理层    247
10.5.2  链路层    248
10.5.3  主机控制接口层    250
10.5.4  逻辑链路控制和自适应协议层    251
10.5.5  属性协议层    251
10.5.6  安全管理协议层    251
10.5.7  通用接入规范层    251
10.5.8  通用属性配置文件层    252
10.5.9  用户应用程序层    253
10.6  CYW4343W蓝牙子系统特性及功能    253
10.6.1  主要特性    253
10.6.2  蓝牙射频    254
10.6.3  蓝牙基带核    256
10.6.4  用于蓝牙的微处理器和存储器单元    257
10.6.5  蓝牙外围传输单元-PCM接口    258
10.6.6  蓝牙外围传输单元-UART接口    259
10.6.7  蓝牙外围传输单元-I2S接口    259
第11章  蓝牙连接的实现和基本应用    260
11.1  WICED BLE系统实现的任务    260
11.1.1  打开WICED蓝牙协议栈    260
11.1.2  开始广播    261
11.1.3  进行连接    262
11.1.4  交换数据    262
11.2  广播包    263
11.3  属性、GAP和GATT数据库    265
11.3.1  属性    265
11.3.2  配置文件-服务-特征    265
11.3.3  在GATT数据库中的服务声明    266
11.3.4  GATT数据库中特征的声明    266
11.4  WICED蓝牙协议栈事件    268
11.4.1  重要的蓝牙管理事件    268
11.4.2  重要的GATT事件    268
11.4.3  重要的GATT子事件    268
11.5  WICED蓝牙固件架构    269
11.5.1  打开协议栈    269
11.5.2  开始广播    270
11.5.3  进行连接    271
11.5.4  交换数据——读(从中心)    271
11.5.5  交换数据——写(从中心)    272
11.6  WICED GATT数据库实现    272
11.6.1  gatt_database[]    273
11.6.2  gatt_db_ext_attr_tbl    274
11.6.3  用于值的uint8_t数组    275
11.6.4  应用程序接口    275
11.7  使用CySmart控制LED灯的设计与实现    276
11.7.1  安装CySmart软件工具    276
11.7.2  复制设计文件    276
11.7.3  生成新的Make Target    277
11.7.4  运行新生成的Make Target    277
第12章  蓝牙连接的实现和高级应用    284
12.1  通知和指示    284
12.2  其他特征描述符    285
12.3  安全性    286
12.3.1  配对    286
12.3.2  绑定    287
12.3.3  配对和绑定过程总结    287
12.3.4  身份验证、授权和GATT数据库    288
12.3.5  隐私    288
12.4  WICED配置    288
12.4.1  wiced_bt_cfg.c文件    288
12.4.2  缓冲池    289
12.5  广播包    290
12.5.1  使用广播包获得连接    290
12.5.2  iBeacon    291
12.5.3  Eddystone    291
12.6  GATT服务发现    292
12.7  WICED蓝牙固件结构    292
12.8  WICED芯片和HCI架构    297
12.8.1  HCI    297
12.8.2  BTSPY    298
12.9  分析iBeacon数据格式的实现    298
12.9.1  生成新的Make Target    298
12.9.2  运行新生成的Make Target    298
12.10  发送通知消息的实现    300
12.10.1  复制设计文件    300
12.10.2  生成新的Make Target    302
12.10.3  运行新生成的Make Target    302
12.11  配对的实现    304
12.11.1  复制设计文件    305
12.11.2  生成新的Make Target    305
12.11.3  运行新生成的Make Target    306

前言编辑本段


        近些年来,随着信息技术的不断发展,物联网技术也蓬勃发展,它越来越多地出现在人们的日常生活中(如移动支付、滴滴打车等),改变了人们的传统生活方式,使得人们的生活更加便捷高效。作为全球知名的半导体公司Cypress(中文名为塞普拉斯),也敏锐地意识到物联网技术在未来将会越来越普及,各种新的应用需求会越来越多。
        在2016年,赛普拉斯以5.5亿美元现金收购了博通的无线物联网业务,包括Wi-Fi、蓝牙和ZigBee物联网产品线,以及相关知识产权,其中还包括WICED软件开发平台及其开发者生态系统。众所周知,博通是苹果手机无线方案的供应商,因此当塞普拉斯完成对博通无线物联网业务的收购以后,它在物联网方面为用户提供解决方案的实力显著提高,再加上塞普拉斯原来一些具有特色的物联网产品,使其在物联网市场上将占有更大的市场份额。
        在2017年7月,受Cypress公司委托,作者决定编写一本基于Cypress软件和硬件产品线的物联网书籍,以满足国内越来越多的物联网开发需求,同时也满足国内高等院校物联网等相关专业开设物联网课程的迫切要求。物联网技术主要涉及物的信息感知和处理、物的无线网络接入和数据的无线传输,以及云端应用三大部分。而Cypress公司的MCU,尤其是PSoC产品线,具有高度智能的信息感知和处理能力,其Wi-Fi+蓝牙单芯片方案具有实现无线网络接入和数据传输能力,通过其WICED Studio集成开发环境,用户可以完整地实现信息的感知和处理、无线接入、数据传输,以及云端应用,因此能够满足物联网开发人员和学生学习物联网开发技术的要求。
        本书内容涵盖了信息感知、无线接入和云端应用三大部分,全书分为3篇,共12章,主要内容包括物联网基础、WICED Studio集成开发环境、驱动和控制外设的设计与实现、实时操作系统原理及应用、使用WICED-SDK库文件、Wi-Fi接入原理及实现、TCP/IP套接字原理及实现方法、HTTP1.1协议的分析及应用、亚马逊云端连接和应用实现、蓝牙接入技术原理、蓝牙连接的实现和基本应用,以及蓝牙连接的实现和高级应用。
        注:Cypress也提供ZigBee无线接入产品,但是由于目前在国内尚未大量应用,所以在本书中并没有涉及相关内容。
编写一本高质量的物联网书籍必须要参考厂商第一手的技术资料和培训资料,在编写本书的过程中参考了Cypress公司培训小组所编写的WICED Wi-Fi培训资料和设计实例,这些资料能够全面反映物联网技术的发展和应用方法,基本涵盖了物联网应用中所涉及的主要技术。
        在本书编写完成的时候,才真正体会到什么叫IoT设计的“一气呵成”,这也就是为什么作者强烈推荐Cypress物联网软件和硬件开发平台的原因,不仅解决物联网的应用要求,而且还很清楚地说明了物联网物物相连的本质原理。
        在编写本书的过程中,Cypress公司的李石磊先生为作者申请了免费的硬件开发平台CY8CKIT-062-Wi-Fi-BT,潘宇峰先生解答了在编写本书过程中所遇到的技术问题,魏荣女士帮助作者联系了Cypress的物联网应用伙伴。Cypress公司的全球技术支持工程师也通过电子邮件和网络解答了作者提出的各种技术问题。这是教育界和工业界又一次密切的产学研合作,通过这种合作,保证了书中所编写的内容能够全面地、客观地、正确地反映Cypress产品在物联网应用方面的最新成果与最新的设计方法。此外,在编写本书的过程中,张艳辉、汤宗美和王中正参与了本书所用例子的移植和验证,并编写了部分章节的内容。在此,特别向给予作者支持的Cypress公司的各位人士表示衷心的感谢。
由于编者水平有限,编写时间仓促,书中难免有疏漏之处,敬请读者批评指正。


作  者     
2018年12月于北京

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Cypress WICED 物联网开发指南:从传感器、无线接入到云端的设计与实现

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