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

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不错应用。 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靠前的普及与推广。

"何宾 有名的嵌入式技术和EDA技术专家，长期从事电子信息技术方面的教学和科研工作，与优选多家知名的半导体厂商和EDA工具厂商大学计划保持紧密合作。目前已经出版电子信息技术方面的著作40余部，内容涵盖电路仿真、电路设计、可编程逻辑器件、数字信号处理、单片机、嵌入式系统、片上可编程系统等。典型的代表作有《模拟电子系统设计指南（基础篇）：从半导体、分立元件到TI集成电路的分析与实现》、《模拟电子系统设计指南（实践篇）：从半导体、分立元件到TI集成电路的分析与实现》、《Xilinx Zynq-7000嵌入式系统设计与实现-基于ARM Cortex-A9双核处理器和Vivado的设计方法》、《Altium Designer17一体化设计标准教程-从仿真原理和PCB设计到单片机系统》、《STC8系列单片机开发指南：面向处理器、程序设计和操作系统的分析与应用》、《Xilinx FPGA数字信号处理系统设计指南-基于HDL、Simulink和HLS的实现》等。 原著者简介 "

第 1 篇 WICED集成开发环境介绍和基本应用 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 0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 1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 2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 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"