(入门篇) (NRF9E5 /NRF24E1)
作者：无线龙
2005 年六月(第一稿)
成都无线龙通讯科技有限公司
(版权所有)
目录
代序驾驭无线- 电子工程师们的必修课
第一章无线通讯和无线网络基础
1.11 无线通讯和无线网络广阔的应用前景
1.22 无线通讯的频谱和ISM 开放频带
1.33 典型的无线通讯系统
1.44 典型的无线网络结构和原理
1.55 练习题和答案
第二章8051 无线片上系统(SoC)简介
2.11 8051 内核微控制器
2.22 最新的无线收发芯片介绍
2.33 8051+无线收发芯片的无线片上系统(SoC)
2.33.1 CC1010 ( 300-1000MHz) 无线单片机
2.33.2 NRF9E5 ( 433/868/915MHZ) 无线单片机
2.33.3 NRF24E1( 2400MHZ) 无线单片机
2.33.4 其它8051 内核的无线单片机
2.44 练习题和答案
第三章建立你自己的无线开发平台
3.11 安装C51RF-4N 无线(SoC)开发系统
3.22 安装KEIL C51 软件编译/调试平台软件
3.33 安装无线龙通讯公司开发调试软件
3.44 设置无线单片机在线DEBUG 环境和参数
3.55 熟悉编译- 下载- C51 源水平在线调试执行/调试全过程
3.66 练习题和答案
第四章动手实现24e1/9e5 无线点对点通讯
4.11 模块和软件的准备
4.22 NRF24E1/NRF9E5 无线收发初始化设置
4.33 发送/接收数据包装格式
4.44 理解点对点通讯(无线龙样板程序)C51 源代码
4.55 修改代码，实际观察无线通讯的实际效果
4.66 应用：双向无线遥控器
4.77 练习题和答案
第五章动手实现24e1/9e5 点对多点通讯(一)
5.11 频率分割(FDMA)的原理
5.22 模块和软件的准备
5.33 发送/接收数据包装格式
5.44 理解点对多点通讯(无线龙FDMA 样板程序)C51 源代码
5.55 修改代码实际观察无线通讯的实际效果
5.66 应用：双向无线温度传感器
5.77 练习题和答案
第六章动手实现24e1/9e5 点对多点通讯(二)
6.11 时间分割(TDMA)的原理
6.22 模块和软件的准备
6.33 发送/接收数据包装格式
6.44 理解点对多点通讯(无线龙TDMA 样板程序)C51 源代码
6.55 修改代码实际观察无线通讯的实际效果
6.66 应用：长距离RFID 系统
6.77 练习题和答案
第七章动手实现24e1/9e5 点对多点通讯(三)
7.11 载波监视(CSMA)的原理
7.22 模块和软件的准备
7.33 发送/接收数据包装格式
7.44 理解点对多点通讯(无线龙CSMA 样板程序)C51 源代码
7.55 修改代码实际观察无线通讯的实际效果
7.66 应用：双向家庭安全监控系统
7.77 练习题和答案
第八章动手实现24e1/9e5 高抗干扰跳频无线通讯
8.11 跳频无线通讯(FHSS)的原理
8.22 实现无线跳频通讯的技术关键
8.33 无线跳频的软件实现
8.44 理解点对多点通讯(无线龙FHSS 样板程序)C51 源代码
8.55 修改代码实际观察无线跳频通讯的实际效果
8.66 应用：工业控制开关量传送系统
8.77 练习题和答案
第九章动手实现24e1/9e5 网状网络通讯(本章内容第三季度提供)
9.11 网状网络通讯的原理
9.22 无线节点模块网络邻居的概念
9.33 网络节点分类和路由的算法
9.44 理解网状网络通讯(无线龙网状网络样板程序)C51 源代码
9.55 运行代码实际观察无线网状网络通讯的实际效果
9.66 应用：病区无线监控系统
9.77 练习题和答案
本章内容和C51 源代码在无线龙通信科技公司完成开发后，以免费升级的方式提供给所有购买C51RF-4N 开发系统客户。
附录：一、相关技术资料的网页连接
二、相关无线技术名词中英文对照说明
代序 驾驭无线- 电子工程师们的必修课
成都无线龙通讯科技有限公司编辑的新书《无线通讯和无线网络的入门与实战》是为中国的无线电爱好者，电子工程师，单片机工程师，相关电子/计算机相关专业的学生、研究生们提供的一本无线通讯方面的入门的通俗教材。
《无线通讯和无线网络的入门与实战》分为入门篇和提高篇，分别以目前世界上主流的8051 内核无线片上系统(SoC) NRF905/NRF24E1/CC1010 为中心，介绍了无线通讯和无线网络的原理和实战。
该书的重点不是讲无线通讯的原理，因为任何对无线技术感兴趣的电子工程师都可以非常方便的通过INTERNET ，浏览/阅读的这方面的知识，而且有大量国内外的教材可以参考。
《无线通讯和无线网络的入门与实战》的重点是实战，即自己动手进行无线通讯和无线网络项目的试验，通过亲自动手，自己体验什么是无线通讯，什么是无线网络；如何进行无线通讯，如何自己动手组建一个自己需要的低成本、高效率无线网络。
这本教材从自己动手搭建一个无线开发系统开始，从点对点，点对多点，到对等IP 无线网络/网状无线网络/自组织无线网络(中间穿插介绍相关无线通讯和无线网络的关键技术FDMA(频率分割)/TDMA(时间分割)/CSMA(载波监视)/FHSS(频率跳跃)/无线通信加密等)。循环渐进，让对无线通讯和无线网络完全不熟悉的电子工程师， 能够轻松上路，体验无线通讯的原理，了解无线网络的奥秘。当你全部完成这些试验后，你也许会轻松说“无线通讯和无线网络原来如此简单容易”。
本书的另一个主要特点是，成功的将复杂的无线通讯原理和无线网络原理，转变为一个纯粹的软件开发过程，一切都变成了一段段用C51 编写的源程序，你只有改变相关程序代码，就可以轻松熟悉你需要的无线通讯和无线网络功能；成都无线龙通讯科技公司的工程师们开发了本书全部实验用的C51 源代码，并在相关无线模块上经过全面实现无线通讯和网络测试，读者可以在这些源代码上进行自己喜欢的任何修改和建立自己的任何可能的应用。
将复杂的无线通讯和无线网络的开发，转变为C 语言的软件开发，这正是初学者快速进入无线通讯的关键，也是未来无线通讯和无线网络技术发展的关键；其实，当你完全理解本书的各个试验后，你所掌握的无线通讯和无线网络方面的实际能力，已经达到了很高的标准；从这个基础出发，你应该可以在你的工作中，轻松的使用相关无线技术。
成都无线龙通讯科技和该书配套的经济型C51RF-4N/C51RF-4C 无线单片机开发系统，包括了本书全部试验所需要的开发环境。(KEILC51 需要读者自己准备)，全套包括，两个基本无线模块(建议读者选择另购一个模块，使模块总数达到三个)/一个仿真器/一个直流电源/232 电缆/软件/手册。读者仅仅采用这套经济型开发装置，连接家里的电脑，就可以完成本书全部的试验。
由于无线8051 单片机，其实也是一个标准的8051 单片机，一个标准的8051低功耗微控制器。所以C51RF-4N/C51RF-4C 其实也可以用来学习8051 的C 语言编程，兼做8051 单片机学习系统。
该书的其它特点还有：
该书每个章节后面附有练习题，读者可以使用开发系统和模块，完成相关习题，并对照附有的答案。
学习的目的在于应用，所以，该书每章最后一节，是一个相关的无线应用实际项目实例，包括的无线项目有：无线双向遥控器，长距离RFID 系统；家庭安全监视系统；无线传感器，工业控制开关量控制；病区监视系统，温度远程监控；无线RF232；网络聊天室；无线网络水表，无线数字语音通信系统等等。让读者将学习的相关无线知识和实际无线应用系统相结合，了解实际无线应用系统设计的原理和技术关键。
自己动手，体验无线，是目前国内嵌入式无线技术学习的弱项，无线龙通讯科技公司推出的这本教材和配套的开发工具，是希望能提供广大读者一个低价格的无线技术学习的解决方案。而只有动手实践，才能真正理解无线通讯和无线网络的基本原理，快速学会无线通讯和无线网络技术。
今天的世界，已经是无线的世界，未来的世界，更是无线的天下，而掌握无线通讯和无线网络技术，已经是每个电子工程师的必修课，刻不容缓。但对许多电子工程师而言，无线网络和无线通讯好象总有一层厚厚的神秘面纱，那么多复杂的公式，那么多复杂的电路，而高频的无线电波看不见，摸不着等等。《》和配套的无线开发工具，正如一把利剑，通过你自己的动手实践，带你刺穿这层神秘的面纱，让你一窥无线通讯和无线网络的真实面目，教你驾驭无线通讯的规律，在无线网络上自由翱翔。
一本书再好，也只是一个入门，一个基础，一个起点。但从这本出发，你可以容易发继续攀登无线开发设计的高峰，学习蓝牙技术，802.11 电脑无线网络，802.15.4 低功耗网络，HOMERF 技术等等。这是因为，这些无线通讯和无线网络基本技术的基本原理，都已经在包括这本教材的文字和实验

第一章无线通讯和无线网络基础
1.11 嵌入式无线通讯和无线网络广阔的应用前景
我们今天的时代，已经进入了一个无线无处不在的时代。出门：我们使用手机打电话，发短信；在家：我们使用无绳电话；开车：我们使用GPS 导航找路；上班：我们使用无线网卡上网，办公等等。
随着技术进步，无线通讯和无线网络将迅速向我们日常生活中的各个方面扩展，嵌入式的无线通讯和无线网络正在向我走来，以无线片上系统(SoC)为核心的低功耗，小体积，低价格嵌入式无线通讯和无线网络系统近年来得到了迅速发展，已经产生无数的新应用和新的市场，这种新的嵌入式无线通讯和无线网络，
也正是本书所讨论的重点，试举以下几个实际例子：
1.11.1 家庭安全系统
有一个舒适/美好/安全的住宅环境，是每个人的愿望，一套家庭安全系统，可由若干个无线节点系统组成一个无线网络，所有节点均采用电池供电，安装在屋顶的自动烟雾传感器节点，安装在厨房的煤气泄漏监视传感器节点，安装在门窗上的防盗监视传感器节点, 每各节点都是一个智能的系统，并通过无线网络保持双向联系。所有节点无线汇集到家庭中心无线服务器，中心服务器连接电话线和INTERNET。
如果无线节点发现火灾/气体泄漏/盗贼入侵等情况会立即报警，如果主人不在家，系统会直接通过电话和INTERNET 自动报警， 更为神奇的是，如果盗贼切断电源，切断电话/网络电缆， 该系统的各个节点会聪明的自动将报警信号用无线传输到邻里的家中(如果邻居家中安装类似的无线节点)，通过邻居家中电话和网络发出警报。
这样的无线节点系统优点是：
完全无线化， 每各节点间无需有如任何连线，安装非常方便。
节点微型化， 每各节点非常小， 小到只有纽扣大小，盗贼不容易发现。
微功率消耗，节点所有微型电池可以工作1 年以上无需更换电池，单片机对电池使用进行有效的节电管理。
通讯双向/ 实时化， 节点和服务器间/节点间保持多路由双向通讯，大大提高通讯可靠性， 并能确保报警信号发送。
由于无线节点很容易实现单芯片化，包括传感器，单片机等，使成本会快速降低，两三年内，每个节点成本会低于在1-2 美元。

图、1.11.1 家庭安全系统
1.11.2 街头停车收费系统
目前大城市汽车越来越多，市区内停车场不够，所以，在马路边停车成了应急的选择。于是，马路边林立的收费表成为都市一道风景线，如果你漫步在美国纽约等繁华中心区，你会看到成千上万的各种汽车，停泊在马路两边。几辆车中间，有一个自动停车收费系统，你需要投入硬币或刷卡，收费系统会打印出一张发票，你将发票放到车窗前，作为你存车依据。这样的自动收费系统有一个弊病就是查验困难，如果你不交费或少交费很难查处，因为查验人员很难对成千上万车辆上的发票进行检查。
但如果采用智能的无线节点改造这些街头停车收费系统，只需要很低等成本，每街头停车收费表，变成了一个无线智能节点，这些节点记录停车收费的情况，并通过每个停车表的无线网络路由，建立起和其他附近收费表的无线双向网络通讯。
这种新的街头无线收费表和其他传感器配合，可以提供更聪明亲切的服务，如果驾驶人希望找到附近的停车位，只有看一下任何一个停车表的屏幕，或按几下键，停车表通过无线网络搜索，便会很快告诉驾驶人，那里有最近空置的停车位置。
对于管理当局，查验停车收费的工作变成非常简单和高效率，只需要驾驶查验警车，以一定速度通过路边的车辆，单片机无线节点会自动通过无线，将当前收费情况告诉查验警车，同时，还会通过加密通讯，告知硬币储存量，以便及时取出；如果警车发现某停泊的汽车没有交费或少交费，马上就可以开出罚单。
同时，由于这些林立街头的收费表，在大都市中心建立了一个分布广泛的无线网络，这些聪明的收费表，还可以增加一个醒目的红色按钮，如果有人突然发病或遇到打劫，可以按这个红色按钮，收费表会通过无线网络，自动报警中心和救急中心发出信号。
1.11.3 无线读表系统

在我们日常生活中，家里的各种电表/水表/煤气表/热量表都需要按时查表收费。如果每个表都采用智能无线系统，自动完成水/电/煤气/热量计量，自动储存在系统储存器中。那么，在需要查表时，查表员不用进入家门，无线电波穿墙而过，查表人员就可以在瞬间轻松完成读表。更为令人吃惊的时，由于每个家庭中等无线智能表已经和邻居家的无线智能表自动连接成为无线网络，就像接力赛跑一样，一个无线节点双向通过另一个无线节点组成网状数据链，将整个大楼的无线智能表都连接在同一个无线网络上。所以查表人员可以不用上楼下楼，仅仅通过大楼入口处的任何一个无线节点，便可以通过无线网络迅速完成整栋大楼查表工作。
图1.11.2 无线读表系统由许多聪明无线节点构成的双向无线网络系统，不仅可以方便查表，而且进一步改造，还可以由能源部门在任何时候对每个单独的节点各种电表/水表/煤气表/热量表等进行实时监测和控制，达到节约能源的目的。
1.11.4 轮胎压力监视系统 有汽车驾驶经验的人都知道保持汽车轮胎压力的重要性，如果在高速驾驶中，轮胎突然失去压力或车轮胎破裂，处理不当会造成重大事故。所以，实时监视轮胎压力对安全驾驶非常重要。但是，轮胎在高速旋转，如果安装任何有线的传感器，那将非常困难的。
采用无线轮胎压力监视系统，由单片机/无线收发电路/压力传感器，电池组成无线节点，无线节点被放置在汽车每个轮胎中，靠电池为能源工作。
当轮胎高速旋转时，每个节点的单片机控制传感器定时监测轮胎内的压力，并通过无线网络，以无线方式将监测到的轮胎压力信息传输到驾驶台上的轮胎压力显示系统，如果轮胎压力异常，将会发出报警信号。
在轮胎压力监视系统中，单片机，传感器，无线系统，天线，电池可以、做成一个很小的模块，固定在轮胎内部，电池可以工作一到两年，每个无线节点价格可以低于3-5 美元。目前，已经有些高档汽车开始安装无线轮胎压力监视系统。
无线轮胎压力监视系统只是智能无线系统在汽车工业中应用得一例，从长远看，智能无线系统将会有更大量的应用。

图1.11.3 无线智能系统在汽车上的应用
在近年推出的新型汽车上，我们可以看到越来越多的无线系统的应用，例如丰田公司的一款新车上，装备新的高性能无线遥控器，该系统当持该遥控器的驾驶员接近车门时，自动打开车门，自动发动汽车等。
1.11.5 货物跟踪管理系统
集装箱运输目前非常流行， 每天有成千上万的集装箱在卡车上，轮船上。监视这些移动中的货物，是货主和运输公司共同的需要。
像信用卡大小的无线节点，作为电子标签，粘贴在每个集装箱上，每个无线节点都有一个独特的电子编码，这个电子编码可以是全球统一标准的EPC编码。同时，无线节点还可以储存更具体运输信息，货物信息，客户信息等。
当卡车/火车/轮船到达，收到调度中心查询要求，便可以迅速通过车上/无线网络，向这个电子标签的无线节点进行查询，得到相关信息。加上车船上现有的卫星定位信息，调度中心可以立即了解到该货物的具体位置。同时，通过统一系统，客户也可以通过INTERNET/卫星通讯，快速方便的查询货物的位置，得知收到货物的准确时间。
在最近的美国和伊拉克的战争中，美国军队的后勤供应，就采用了类似的货物跟踪管理系统，有效的保证美军的后勤供应。
采用智能无线节点构成的货物跟踪管理系统，其实就是个典型长距离RFID 系统，该系统还可以在超级市场存货管理，大型仓库管理等方面广泛应用。
像这样的系统， 还被应用于高速公路的收费管理， 一个智能无线节点(包括电池) 被固定在汽车档风玻璃上，节点包括了客户的信息，号码， 当汽车接近高速管理收费站时， 收费站的电脑通过无线和该无线节点通讯，完成客户号码校对，并自动收费，然后绿灯放行。由于这样的系统大大提高了收费效率，可以实现不停车自动收费，所以现在在美国，很多高速公路都采用这样的自动收费系统。

1.11.6 农作物环境监测系统
由8 位单片机构成的无线农作物环境监测节点，在每个节点配置不同的传感器，包括温度/湿度/光照等。每个节点可以相互间距离百米，上千米的，然后以成百上千个这样的无线节点组成的无线网络，覆盖几十几百亩的土地。每个节点既是一个传感器节点，可以实时监视该点附近的温度/湿度/光照情况。而且每个节点也是以个无线路由器，传发器，可以无线双向中转，将信息传输到天线范围内的其他节点。一旦某节点故障，聪明的节点会通过其他节点，建立另外的通讯链路，确保通讯畅通。
这样的一套智能无线网络系统，不仅可以为农作物环境监提供连续自动监视，而且能在环境气候发生灾害性气候时，提供即时警报。同时，如果加装其他传感器，还可以为高价值农业产品提供防盗功能。
1.11.7 其它应用
智能化无线通讯和无线网络系统的应用范围还包括：家庭安全和家庭自动统；无线读表系统；汽车工业；仓库和物流管理系统；医院监护，安全管理；高速公里管理收费；国防/军事用途，无线军用机器人；水文监控/工业仪表/无线传感器。

1.22 无线通讯的频谱和ISM 开放频带
无线通讯的频谱在RF(Radio Frequency)这一段包括了我们常见的调频收音机，各种手机，无线电话，无线卫星电视等等：
图1.22.1 无线通讯的频谱范围
由于从几十兆到几千兆的频谱上，集中了各种不同的无线应用，而这而且都使用同一个通讯媒介-空气，所以，为了保证无线通讯不会相互干扰，需要对无线频道的使用，进行必要的管理。

各国的无线电管理机构负责管理RF 频道的使用，最基本的规则是无线发送器的使用需要获得许可。
在美国，这个管理机构是FCC ：(Federal Communications Committee，即美国联邦通讯委员会)
在中国是中国无线电管理委员会。
各国的无线管理部门也规定某些频带不需许可，以满足不同的需要。这些频带通常包括ISM (Industrial Scientific, and Medical 工业、医疗、科学) 频带。
各个国家的无线电管理不尽相同。
在美国，FCC 管理无线电频谱的分配。可用的免许可证的频带包括：27MHz、
260MHz 至470MHz、902MHz 至928MHz 和最常用的2.4GHz 频带。
260MHz 至470MHz 频带对数据传送的类型有所限制，而其它频带则没有这样的限制。
在欧洲ISM 频道在欧洲所分配到的频率为433MHz 以及868 MHz/2.4GHZ；
中国目前可以使用的ISM 频率是：433MHZ/2.4G ；
各国对无线频谱资源的管理，不仅规定了相关的ISM 开放频道的频率，同时也严格规定了在这些频率上所使用的发射功率，你在实际使用这些频率时，需要查阅各国无线频谱管理机构的不同的具体技术要求。
1.33 典型的无线通讯系统
1.33.1 典型的长距离无线通讯系统
典型的长距离无线通讯系统如下图1.33.1，包括三大部分：发送端，接收端，中继站。发送端向外界发送数据信息，如果传输距离比较远，出现信号衰减就需要安装中继站来提高信号传送的质量，接收端把信息接收下来分析，处理使用。
长距离无线通信系统可以广泛应用于军队、武警、公安、交通运输、石油勘探、森林防火、抗洪抢险、国土勘查、电视台现场直播、海关缉私、港口作业……
等多种领域，实现人员背负、车载、船载、机载等各种条件下的灵活组网及高速实时图像、语音和各种数据信息传输。

图1.33.1 无线通讯长距离系统示意图
长距离无线通讯系统，大部分需要申请固定的无线频道，通信距离可以从几十米到几千公里，并可以由许多无线基站组成各种无线网络。
1.33.2 短距离无线通信系统
随着数字通信和计算机技术的发展，许多短距离无线通信的要求被提出，短距离无线通信和长距离无线通信有很多方面的区别，主要的特征如下：
1/无线发射功率在几微瓦到小于100 微瓦；
2/通信距离范围在几厘米到几百米；
3/主要在房间内使用；
4/使用全向天线和线路板天线；
5/不需要申请无线频道；
6/ 高频操作；
7/电池供电的无线发射器和无线接收器。
典型的短距离无线系统的示意图1.33.2 所示；由一个无线发射器(包括数据源，调制器，RF 源，RF 功率放大器，天线，电源组成)，和由一个无线接收器(包括数据接收电路，RF 解调器，译码器，RF 低噪声放大器，天线，电源组成)。
发生器的数据通过无线发射出去，接收器天线接收后，进行处理，得到正确的，经过校验的正确数据。

图1-33-2 短距离无线通信系统示意图
典型的应用包括：
1/ 射频身份识别系统(RFID)系统，工作在100Khz 到2.4GHZ；
2/无线局域网(WLAN)，工作在900MHZ 或2.4GHZ；
3/ 无线条码阅读器，工作在2.4GHZ;
4/ 无线鼠标/无线键盘，工作在27MHZ ，433MHZ，2.4GHZ;
5/ 无线安全系统，工作在300-500MHZ ，800MHZ，900MHZ,2.4GHZ。
1.44 典型的无线网络结构和原理
1.44.1 无线网络结构

无线网络，是由许多独立的无线节点之间，通过空气中的无线电波/光波，构成的无线通信网络。
无线网（Wireless Network）以其无需布线、在一定区域漫游、运行费用低廉等优点，在许多应用场合有其他联网技术不可替代的作用，凡是采用无线传输媒体的网络都可称为无线网络，无线媒体可以是无线电波、红外线或激光等。
无线网络分为"点到点"和"主从"两种配置。"点到点"配置用于连接P C 或便携式计算机， 允许计算机在无线网络覆盖范围内移动并自动建立点到点的连接， 在不同系统之间直接进行数据传输。
在"主从"配置中，所有无线节点都与"访问节点"连接，由访问节点承担无线通信的管理及与有线网络桥接的工作。使用"主从"配置，无线用户在访问节点覆盖范围内工作时，无需为寻找其它节点而耗费电量， 因此节约了资源， 是最理想的低耗电工作方式。
无线网络的传输技术， 则主要分为"射频技术"和"红外线技术"两种。其中，红外线技术仅适用于近距离无线传输（ 一般少于一米），而射频技术的覆盖范围较广， 也是本书主要讨论的无线传输技术。
无线网络的的连接方式有很多种，最基本的有星状连接，超级星状连接和网状连接的方式：
图1.44.1.1 是无线网络星状连接，无线网络节点之间，通过中心节点实现网络连接。
图1.44.1.1 无线网络星状连接
星状连接结构简单，只能连接较少的无线节点。
从星状连接的基础上，发展出了超级星状连接，图1.44.1.2 是超级星状连接的示意图。

图1.44.1.2 超级星状无线网络连接的示意图
从示意图我们看到，该连接的结构是在星状连接的基础上，增加了若干转发节点(红色节点)，这些转接节点之间，可以相互通信，传送信息；一个基本的子节点(兰色节点)，若需要发送信息到另一个星状网络的子节点，可以通过转发节点进行转发。
为了实现每一个无线节点之间都可以相互进行信息传送，目前也广泛采用了新的网状连接无线网络如图1.44.1.3 所示。
图1.44.1.3 状连接的无线网络示意图
无线网状网络又称为：点到点到点(point-to- point-to-point)，和传统的点到多点方式的无线网络最大的不同是，无线网状网络的每一个节点，由于都有无线微处理器，所以无需无线路由器，即可以实现点与另一点之间的无线互连，由于这个新的网络特征，每个无线节点不仅可以接收/发送信息，而且还可以自动转发信息到网络中的其他节点。
由于无线网状网络每个节点的智能化，所以，当网络中某个节点故障时，他附近的无线节点会自动代替该故障的节点，完成相同的任务和实现信息传输和转发；这就大大提高了系统可靠性。
同时，由于每个无线节点之间相互通过无线连接，就如接力赛跑一样，信息可以通过和跨越许多无线节点组成的网络，传输到更远的地方。

很像Internet, 网状无线网络提供了一个多路由的网络环境，信息可以在这个网状网络的环境中自由流动，自动通过最佳的途径快速传输。
1.44.2 短距离无线数据通信网络的各种国际标准简介
为了实现各种无线节点/路由器之间的互通，必须要有相应的无线网络通信标准来保证，根据不同的应用需要，目前短距离无线数据通信网络的主要国际标准简单介绍如下：
一、无线局域网IEEE 802.11
无线局域网的组成包括无线网络接口卡（NIC）和无线接点（Access Point，AP）。无线网络接口卡把PC 机或其它设备与无线网络连接起来；接入点就像是无线网络的一个无线基站，将多个无线的接入站聚合到有线的网络上。
无线局域网的传输方式涉及到采用的传输媒体、选择的频段及调制方式。目前无线局域网采用的传输媒体主要有两种，即无线电波与红外线。在采用无线电波为传输媒体的无线局域网移调制方式不同，又可分为扩展频谱方式与窄带调制方式。
IEEE 802.11 标准为"点到点访问"和"主从结构"两种无线局域网
类型规定了标准，并分别制订了2. 4 GH z 跳频、2 . 4 G H z 直序和红外线等无线技术规范。I E E E 公布的无线局域网协议， 在物理层协议规定了三个标准：频率跳变扩频（ FHS S）、直接序列扩频（ DSSS）和红外线， 三个物理层协议可灵活选择。
80 2 .11 标准除了介绍无线局域网的优点及各种不同性能外，还使得各种不同厂商的无线产品得以互联。8 02 .1 1 标准的颁布，使得无线局域网在各种有移动要求的环境中广泛接受，这些应用包括教育、医疗、仓库等不同行业。
二、蓝芽技术IEEE 802.16
Bluetooth（蓝芽）取自十世纪统一了丹麦的国王（哈拉德二世）的名字。用他的名字来命名这种新的技术标准，其目的是不言而喻的，那就是期望统一。所谓蓝芽（Bluetooth）技术，实际上是一种短距离无线通信技术，它是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。蓝芽以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。
蓝芽系统一般由无线单元、链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝芽软件（协议栈）单元四个功能单元组成。
三、HomeRF 是IEEE802.11 与DECT 的结合
使用开放的2.4GHz 频段。采用跳频扩频（FHSS）技术，跳频速率为50 跳/秒，共有75 个带宽为1MHz 的跳频信道。调制方式为恒定包络的FSK 调制，分为2FSK 与4FSK 两种。2FSK 方式下，最大数据的传输速率为1Mbps；4FSK 方式下，速率可达2Mbps。在新的HomeRF 2.x 标准中，采用了WBFH（Wide Band Frequency Hopping，宽带跳频）技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz 跳频信道增加到3MHz、5MHz，跳频的速率也增加到75 跳/秒，数据峰值达到10Mbps。

Home RF 的传输速率原来为2Mb/s。2000 年8 月31 日美国联邦通信委会(FCC)批准了Microsoft、Intel、Motorola 等Home RF 工作组成员的要求，允许Home RF 的传输速率由2Mb/s 提高到8—11Mb/s，而且，Home RF 工作组的成员提出将发射带宽由原来的1MHz 提高到5MHz，如果此付诸实施，数据数率会进一步提高。
四、ZigBee 无线网络IEEE 802.15.4
IEEE 无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4 技术标准是ZigBee技术的基础。802.15.4 标准旨在为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10 米左右的低速连接，可广泛用于交互玩具、库存跟踪监测等消费与商业应用领域。
无线传感器网络是其主要市场对象。
IEEE802.15.4 定义了两个物理层标准，分别是2.4GHz 物理层和868/915MHz 物理层。它们都基于DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列扩频），使用相同的物理层数据包格式，区别在于工作频率、调制技术、扩频码片长度和传输速率。2.4GHz 波段为全球统一的无需申请的ISM 频段，有助于ZigBee 设备的推广和生产成本的降低。
ZigBee 是一组基于IEEE 批准通过的802.15.4 无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。它不仅只是802.15.4 的名字。IEEE仅处理低级MAC 层和物理层协议，ZigBee 联盟对其网络层协议和API 进行了标准化。
IEEE 802.15.4 和ZigBee 被设计用来构建包括恒温装置，安全装置和煤气读数表等设备的无线网络,其主要技术特点是：
1．数据传输速率：10k 字节/秒到250k 字节/秒；
2．功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5 号干电池可使用6 个月到2 年；
3．成本低：ZigBee 数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本；
4．网络容量大：每个ZigBee 网络最多可支持255 个设备。
5．时延短：通常时延都在15 毫秒至30 毫秒之间。
6．提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128 加密算法。
7．有效范围小：有效覆盖范围10～75 米之间；
8．使用频段为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)为免执照频段。
ZigBee 无线网络目标应用：
1．空调系统，温度控制器, 灯光、窗帘等家庭自动系统；
2．手持紧急呼叫器；
3．遥控器, 无线键盘、滑鼠、摇杆，玩具；
4．无线传感器；
5． RFID 智慧型标签。
1.55 练习题和答案

第二章8051 无线片上系统(无线SoC)简介
2.11 8051 内核微控制器
8051 是大家都非常熟悉的微处理器，最早由美国INTEL 公司生产的一种单片机；这一系列单片机包括8031，8051，8751，8032，8052，8752 等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051 基础上进行功能的增、减、改变而来的，因此人们习惯于用8051 来称呼MCS51 系列单片机。INTEL 公司将MCS51 的核心技术授权给了很多其它公司，所以很多公司在做以8051 为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求。89C51 是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL 公司开发生产的。

图2.11.1 是一个典型的8051 微控制器芯片，该典型的芯片采用双列直插式封装（DIP），对外有40 条引脚线，其中2 条专用于主电源的引脚，2 条外接晶体的引脚，4 条控制或其它电源复用的引脚，32 条I/O 引脚。
图2.11.1 典型的8051 微控制器芯片
图2.11.2 是一个典型的8051 微控制器的示意图，一个典型的8051 微控制器中，包括了8051 处理器，定时器，接口等组成。

图2.11-2 是一个典型的8051 微控制器的示意图
随着集成电路工业的发展，8051 作为一个微控制器的内核，被集成到各种片上系统中，它只需用占用很小的硅片上的面积，成本非常低，然后和其他程序存储器，外围电路等，组合成一个低功耗，低成本的片上系统(英文缩写SoC)；这些采用8051 微处理器内核的片上系统，一方面能继续使用8051微控制器几十年来积累的各种应用软件资源，另一方面具有更多的功能，更快的速度，更小的体积，更低的功耗，所以，具有更广阔的市场和发展空间。
2.22_最新的无线收发芯片介绍
在8051 微控制器内核的片上系统快速发展的同时，短距离无线数据通信使用的无线通信收发集成电路，也在高频/CMOS集成电路技术快速发展的推动下，得到了快速发展，许多国际知名的公司都推出了新一代的短距离无线通讯芯片，这些公司和典型的芯片有：挪威的chipcon公司( www.chipcon.com ) C1000/CC1020/CC2500/CC1100 无线数据通讯收发芯片；挪威Nordic VLSI ASA公司(www.nvlsi.no) NRF401/NRF903/NRF2401/NRF905 无线数据通讯收发芯片；瑞士的xemics (www.xemics.com ) XE1201A/XE1202A/XE1203 等无线数据通讯收发芯片。
另外还有Atmel (www.atmel.com)公司，TI 公司(www.ti.com)，MICREL U.S.A 公司(www.micrel.com) 等等公司也相继推出了各种无线数据通讯收发芯片；8051 兼容的无线单片机目前全世界共有4 种，但主流的是chipcon 公司的cc1010, Nordic 公司的nRF24E1/nRF9E5。

最新的无线收发芯片将全部无线通讯需用的调制/解调芯片，高效率高频放大器/低噪声高频放大器等，全部集成在很小的芯片中，外围零件大幅度减少，非常容易接口个种低价格微控制器，实现高可靠无线通讯。
下面，我们通过NRF905 和NRF2401 简单介绍这些无线数据通讯收发芯片的原理。
2.22.1Nordic NRF905 无线数据通讯收发芯片
图2.22.1.1 是Nordic NRF905 无线数据通讯收发芯片示意图。从图我们看到，该无线收发芯片对高频模拟和数字电路进行了大量集成，外围只需用一个普通晶体，一个电阻，就可以构成一个工作在433MHZ和868-930MHZ ISM 频道的无线数字通讯电路，实现10dB 的无线发射功率，无线工作距离可以达到几百米；
数据传输速度可以达到100Kbit/s。
更重要的是，该芯片实现了自动数据包装传输/自动监听/自动进行收发数据CRC 校验等高级的功能，非常容易使用。
图2.22.1.1 是Nordic NRF905 无线数据通讯收发芯片示意图
如果我们使用一个低价格的微处理器接口该芯片，我们可以很容易的通过开发自己软来实现各种无线
通讯的应用。
2.22.2Nordic NRF2401 无线数据通讯收发芯片
图2.22.2.1 是Nordic NRF2401 无线数据通讯收发芯片示意图。从图我们看到，该无线收发芯片对高频模拟和数字电路进行了大量集成，外围只需用一个普通晶体，一个电阻，就可以构成一个工作在2400MHZ ISM 频道的无线数字通讯电路，实现0dB 的无线发射功率，无线工作距离可以达到几十米；数据传输速度可以达到1Mbit/s。
更重要的是，该芯片实现了自动数据包装传输/自动监听/自动进行收发数据CRC 校验等高级的功能；非常容易使用。
该芯片一个重要的功能，就是能够同时实现对两个RF 频道的监听和数据接收，对于象无线键盘/无线鼠标这样的无线应用，设计上非常方便。

图2.22.2.1 是Nordic NRF2401 无线数据通讯收发芯片示意图
如果我们使用一个低价格的微处理器接口该芯片，我们可以很容易的通过开发自己软来实现在2.4GHZ ISM 频道的各种无线通讯的应用。
2.33 8051+无线收发芯片的无线片上系统(SoC)
上述的无线数据通信芯片，虽然已经进行了很大程度上的集成化设计，但是，要实现各种实际的无线通信和无线网络，还是必需要有一个微控制器来进行控制，而实行无线网络的各种网络通信协议，无线数据接收，发射等，也协议微控制器来具体处理。
为了适应无线通信和无线网络节点的要求，实行较小的体积，极低的功耗，更低的价格，无线片上系统近年来得到了快速发展，这种无线片上系统将微控制器，存储器，A/D 转换器和需要的接口电路和无线数据通讯收发芯片全部集成到一个非常小的芯片上，一个单独的芯片，就可以构成一个独立工作的无线通信和无线网络节点。
无线片上系统(也称无线单片机)的出现，为开发无线通信和无线网络，提供了新的选择，同时也使无线通信和无线网络的设计工作更加简化，更容易开发。
在目前推出的几种以8051 微控制器为内核的无线单片机中，具有代表性的是CHIPCON 公司的CC1010 和Nordic 公司生产的NRF9E5/NRF24E1，下面分别简单介绍这三种无线单片机芯片。

2.33.1 CC1010 无线单片机
基于内嵌8051 单片机和无线收发器芯片的CC1010 的主要技术参数是：
工作频率范：300MHZ 到1000MHZ；
接收灵敏度：典型-107dBm ;
输出功率： 可以调整，最大+10dBm ;
无线数据传输最大速度：76.8 K bit/s ;
电源：2,7V – 3.6V，可以使用两节AA 或AAA 电池供电；
功耗：非常低等电流消耗，
无线信号强度监测功能RSSI ;
电磁兼容：EN300 220/ FCC CFR47 part 15;
芯片包装：64 脚小型TQFP 包装。
图2.33.1.1 为CC1010 无线单片机示意图。从图我们可以看出：该单片机由一个8051 的内核为核心，由于采用这个有长远应用背景的内核，所以很多市面上流行的8051 开发软件开发工具，都可以用于这个新的无线单片机的软件开发，例如世界著名,深受全世界工程师喜爱的KEIL C51 开发工具和UV2 集成开发环境等；该无线单片机除了包含标准的8051 外围电路如同步/异步串行接口，定时/计数器，输出/输入接口外，还包括32K 字节闪存，2k 字节静态存储器，10 位模拟数字转换器等，构成一个完整微控制器。
同时，在同一晶片上集成了完整的无线收发电路，可以实现300MHz-1000MHz 的无线通讯，同时该无线收发电路和8051 单片机系统有机的整合在一起，开发者只需要象管理寄存器一样，就可以轻松管理这个高频工作的无线收发电路；由于经过特别的设计，所以，最大限度的减少了单片机数字电路对高频模拟线路的干扰，使无线单片机的使用变得更加方便。
考虑到无线通讯加密的需要，该无线单片机机还专门加装了密码加密/解密用得DES 模块。
芯片高频部分接收器部分由低噪声放大器（ＬＮＡ）、混频器（ＭＩＸＥＲ）、中频放大器（ＩＦ）、解调器（ＭＯＤＥＭ）、解码器（ＣＯＤＥＣ）组成。发射器部分由功率放大器（ＰＡ）、ＰＬＬ（ＶＣＯ、充电泵、分频器）等电路组成。
在接收模式中，ＣＣ１０１０被配置成超外差式接收机。ＲＦ输入信号被低噪声放大器放大，并经混频器变换成中频（ＩＦ）。在中频级，经变换的信号在送入解调器之前被放大和滤波，然后将解调器输出的数字数据送入微控制器进行处理。
在发射模式下，芯片内部压控振荡器（ＶＣＯ）的输出信号直接送入功率放大器，ＲＦ输出是由微控制器的数字比特流频移键控形成的。其频率合成器产生的本振信号在接收模式时被送到混频器　ＭＩＸＥＲ　　然后在发射模式时馈送到功率放大器。芯片中的频率合成器由晶体振荡器、相位检波器、充电泵、ＶＣＯ和分频器组成。外接晶体必须连接到芯片的ＸＯＳＣ端，同时ＶＣＯ也需要外接一个外部电感。

图2.33.1.1 为CC1010 无线单片机示意图
2.33.2 NRF9E5 无线单片机
nRF9E5 是Nordic VLSI 公司于2004 年推出的无线单片机芯片，其内置nRF905 433/868/915MHz 收发器、8051 兼容微控制器和4 输入10 位80ksps A/D转换器，是真正的系统级芯片。内置nRF905 收发器与nRF905 芯片的收发器一样，可以工作于ShockBurst(自动处理前缀、地址和CRC)方式。
NRF9E5 无线单片机芯片的8051 内核是一个高性能增强型51 单片机(4clock),内带4 路ADC 12bit 高速采样,单片机全速运行功耗1mA@4M。1.9～3.6V低电压工作，待机功耗2uA。
NRF9E5 无线单片机芯片全部高频元件全部集成。最大发射功率+10dBm，高抗干扰GFSK 调制，速率100kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，就绪输出。内置完整的通信协议和CRC,只需通过SPI 即可完成所有的无线收发传输,

无线通信如同SPI 通信一样方便。所有功能均在一个6x6mm 芯片上实现，真正的片上系统SOC。
图2.33.2.1-1Nordic NRF9E5 无线单片机芯片示意图
从图2.33.22-1 我们看到，nRF9E5 由一个8051 的内核和一个NRF905 的无线收发芯片组成。
nRF9E5 的片内微控制器与标准8051 兼容，指令时序与标准8051 稍有区别。
典型的区别是：nRF9E5 的片内微控制器的指令周期为4 到20 个指令周期。中断控制器支持5 个扩展中断源：ADC 中断、SPI 中断、RADIO1 中断、RADIO2 中断和唤醒定时器中断。片内控制器还有3 个与8052 相同的定时器。1 个和8051 相同的串口，可以用定时器1 和定时器2 来作为异步通信的波特率产生器。此外，还扩展了2 个数据指针，以方便于从XRAM 区读取数据。微处理器中有256B 的数据RAM 和512B 的ROM。上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM 引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从EEROM 加载到1 个4KB 的RAM 中，这个4KB 的RAM 也可作存储数据用。NRF9E5 的大部分寄存器和标准8051 相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON 等。nRF9E5 中的P0、P1 和P2 口寄存器地址和标准8051 中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和标准8051 中的有所不同。