单片机与物联网技术应用实战教程

本书是以单片机和物联网相结合的学习理念为知识主体，使用C语言和Java语言分别对底层单片机进行电子系统设计和上位机端控制界面进行APP开发。全书总共分为三部分：*部分：单片机与物联网基础知识篇；第二部分：单片机与物联网基础案例实践篇；第三部分：单片机与物联网综合案例实践篇。单片机与物联网基础知识篇包括底层单片机应用和上位机Android知识的学习。单片机与物联网基础案例实践篇包括一些简单的单片机应用系统和基于APP控制的单片机应用案例。单片机与物联网综合案例实践篇的内容是在掌握单片机与物联网知识的基础上，具有一定的案例开发技能，能够深层次地对单片机与物联网进行综合系统设计。全书内容编排由浅入深，通过案例将理论与实践相互融合，引导读者循序渐进地完成单片机与物联网知识的学习。实例丰富、图文并茂、通俗易懂，即使读者没有任何单片机和物联网知识的基础，也可以通过本书的学习跨入单片机与物联网知识的大门。

前言
部分　单片机与物联网基础知识篇
第１章　绪论３
　１.１　单片机技术概论３
　　１.１.１　单片机技术发展趋势３
　　１.１.２　单片机技术定义及应用４
　　１.１.３　单片机开发板简介５
　１.２　物联网技术概论５
　　１.２.１　物联网技术的发展趋势５
　　１.２.２　物联网技术的定义及应用５
　１.３　单片机和物联网技术的开发案例６
　１.４　本章小结７
第２章　软件开发环境８
　２.１　ＫｅｉｌＣ５１软件开发环境８
　　２.１.１　ＫｅｉｌＣ５１软件开发概述８
　　２.１.２　ＫｅｉｌＣ５１μＶｉｓｉｏｎ４软件的安装与
卸载８
　　２.１.３　ＫｅｉｌＣ５１μＶｉｓｉｏｎ４软件的操作
流程１３
　２.２　ＡｎｄｒｏｉｄＳＤＫ开发环境２６
　　２.２.１　Ａｎｄｒｏｉｄ基本简介２６
　　２.２.２　搭建Ａｎｄｒｏｉｄ应用开发环境２７
　　２.２.３　创建一个简单的应用程序３６
　２.３　本章小结４１
第３章　单片机的体系结构４２
　３.１　单片机的基本结构４２
　３.２　单片机的中断４５
　３.３　定时器和计数器４８
　３.４　单片机的串行通信５１
　３.５　本章小结５３
第４章　物联网ＩＯＴ的应用５４
　４.１　无线传感网络的起源与发展５４
　４.２　短距离无线通信技术性能的比较５４
　４.３　智能硬件的无线技术格局５５
　　４.３.１　ＷｉＦｉ技术５６
　　４.３.２　Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（蓝牙）技术５７
　　４.３.３　ＺｉｇＢｅｅ技术５８
　　４.３.４　Ｚ－Ｗａｖｅ技术６０
　４.４　智能硬件ＷｉＦｉ模块的开发６０
　　４.４.１　ＷｉＦｉ功能特点６１
　　４.４.２　ＷｉＦｉ模块硬件参数的描述６１
　　４.４.３　ＷｉＦｉ－ＬＰＴ１００引脚定义６２
　　４.４.４　ＷｉＦｉ－ＬＰＢ１００引脚定义６３
　　４.４.５　ＷｉＦｉ－ＬＰＢ１００电气特性６５
　　４.４.６　ＷｉＦｉ－ＬＰＴ１００／ＷｉＦｉ－ＬＰＢ１００机械
尺寸和天线６６
　　４.４.７　ＷｉＦｉ－ＬＰＢ１００工作模式６６
　　４.４.８　无线组网方式６７
　　４.４.９　Ｓｏｃｋｅｔ通信６７
　　４.４.１０　网页配置模块参数６８
　　４.４.１１　串口ＡＴ命令配置参数７１
　　４.４.１２　ＷｉＦｉ－ＬＰＢ１００快速入门７４
　４.５　本章小结７６
第５章　５１单片机Ｃ语言的程序设计７７
　５.１　数据类型７７
　５.２　运算符与表达式７８
　　５.２.１　算术运算符７９
　　５.２.２　赋值运算符７９
　　５.２.３　关系运算符７９
　　５.２.４　逻辑运算符７９
　　５.２.５　位操作运算符８０
　　５.２.６　指针运算符８０
　５.３　数组８１
　　５.３.１　一维数组８１
　　５.３.２　二维数组８２
　５.４　指针８２
　　５.４.１　指针定义８２
　　５.４.２　指针运算符和地址运算符８３
　５.５　程序设计语句８３
　５.６　本章小结８５
第６章　Ｊａｖａ程序设计８６
　６.１　Ｊａｖａ语言概述８６
　　６.１.１　Ｊａｖａ语言特点８６
　　６.１.２　Ｊａｖａ语言的基本语法８７
　　６.１.３　Ｊａｖａ数组９１
　　６.１.４　面向对象的定义９２
　６.２　Ｊａｖａ面向对象９６
　　６.２.１　类９６
　　６.２.２　对象９８
　　６.２.３　方法１００
　　６.２.４　继承１０３
　　６.２.５　多态１０６
　　６.２.６　修饰符１０７
　　６.２.７　接口１０９
　　６.２.８　抽象类１１１
　　６.２.９　内部类１１２
　　６.２.１０　多线程的编程１１３
　６.３　Ｊａｖａ提高１１７
　　６.３.１　文件编程１１７
　　６.３.２　Ｊａｖａ文件Ｉ／Ｏ编程１１９
　　６.３.３　ＪａｖａＴＣＰ编程１２３
　　６.３.４　ＪａｖａＵＤＰ编程１２６
　　６.３.５　ＪａｖａＳｗｉｎｇ编程１２８
　６.４　本章小结１３０
第７章　Ａｎｄｒｏｉｄ编程基础１３１
　７.１　Ａｎｄｒｏｉｄ基础１３１
　　７.１.１　Ａｎｄｒｏｉｄ系统背景１３１
　　７.１.２　Ａｎｄｒｏｉｄ开发环境１３１
　　７.１.３　Ａｎｄｒｏｉｄ虚拟机的搭建１３８
　７.２　ＡｎｄｒｏｉｄＵＩ布局１４０
　　７.２.１　视图（Ｖｉｅｗ） １４０
　　７.２.２　视图组（ＶｉｅｗＧｒｏｕｐ） １４１
　　７.２.３　线性布局（Ｉｉｎｅａｒｌａｙｏｕｔ） １４１
　　７.２.４　相对布局（Ｒｅｌａｔｉｖｅｌａｙｏｕｔ） １４２
　　７.２.５　框架布局（Ｆｒａｍｅｌａｙｏｕｔ） １４３
　　７.２.６　表单布局（Ｔａｂｌｅｌａｙｏｕｔ） １４４
　　７.２.７　网格布局（Ｇｒｉｄｌａｙｏｕｔ） １４６
　７.３　Ａｎｄｒｏｉｄ组件１４９
　　７.３.１　Ａｃｔｉｖｉｔｙ组件１４９
　　７.３.２　ＢｒｏａｄｃａｓｔＲｅｃｅｉｖｅｒ组件１５４
　　７.３.３　Ｓｅｒｖｉｃｅ组件１６１
　　７.３.４　ＣｏｎｔｅｎｔＰｒｏ

前　　言近几年，ＩＴ市场对ＡＰＰ开发人才的需求紧缺，特别是既有ＡＰＰ前端软件开发经验，又能够对底层驱动控制电路联合设计与调试的专业技能人才，缺口巨大。这类电子工程师要有实践经验，既要懂Ｊａｖａ语言和安卓系统的开发，又要懂Ｃ语言和单片机的开发，其中单片机技术作为嵌入式项目开发的技术之一，应用性极强，作为底层驱动电路的控制系统，Ａｎｄｒｏｉｄ物联网技术作为上位机端ＡＰＰ开发的主流技术，可以远距离控制底层驱动电路，拓展了原有控制系统空间距离的限制。
本书的编写着眼于“实用、适用” “简单易懂” “快速上手” “举一反三” 的指导思想。全书以理论与实践相结合为主线，通过案例使读者在动手实践的过程中加深理论知识的学习，能够在学习过程中尽量做到反复理解和操作，后能够独立完成技术案例，培养读者的技术创新能力。
全书共分为三部分内容：单片机与物联网基础知识篇、单片机与物联网基础案例实践篇、单片机与物联网综合案例实践篇。
１）单片机与物联网基础知识为两个方面内容：底层单片机基础知识和上位机Ａｎｄｒｏｉｄ基础知识。
底层单片机基础知识：考虑Ｃ语言易于阅读和理解，主要介绍如何利用Ｃ语言对单片机软件进行设计，包括单片机Ｃ语言仿真环境ＫｅｉｌＣ５１的学习以及ＩＳＰ在线下载功能。为了能够让初学者快速入门单片机的应用，整本书通过理论与实践相结合，以“项目案例” 的方式引导初学者学习单片机的技术知识。单片机基础知识部分主要为读者介绍了单片机的技术发展趋势以及定义及应用、单片机硬件系统及体系结构（包括引脚定义、存储器、定时／计数器、中断、串行通信）等。另外，介绍了单片机采用Ｃ语言编程（包括Ｃ语言的数据类型、运算符与表达式、数组、指针、程序设计语句）等，通过单片机基础知识的学习，使初学者具备单片机一定的理论基础，为后面利用单片机进行案例设计打好基础。
上位机Ａｎｄｒｏｉｄ基础知识：主要介绍了如何利用Ｊａｖａ语言对Ａｎｄｒｏｉｄ手机进行ＡＰＰ开发，包括Ｊａｖａ语言软件开发环境ＡｎｄｒｏｉｄＳＤＫ的学习，对于初学者在学习、了解底层单片机电子控制系统的基础上，进一步学习如何利用安卓移动客户端开发ＡＰＰ控制底层单片机电子系统工作。为了能够让初学者快速步入单片机与物联网知识的大门，在原有单片机案例的基础上，添加了ＡＰＰ控制硬件电路系统案例。上位机Ａｎｄｒｏｉｄ基础知识部分主要为读者介绍了物联网ＩＯＴ的应用（ＷｉＦｉ开发、组网形态、ｓｏｃｋｅｔ数据通信、网络配置、串口ＡＴ指令等）、Ｊａｖａ语言编程（包括类、对象、方法、继承、接口、文件编程、ＴＣＰ编程等） 以及Ａｎｄｒｏｉｄ编程基础（包括ＡｎｄｒｏｉｄＵＩ布局、Ａｃｔｉｖｉｔｙ组件、ＢｒｏａｄｃａｓｔＲｅｃｅｉｖｅｒ组件、Ｓｅｒｖｉｃｅ组件、ＣｏｎｔｅｎｔＰｒｏｖｉｄｅｒ组件等）。通过上位机Ａｎｄｒｏｉｄ基础知识的学习，使初学者具备上位机ＡＰＰ开发的理论基础，为后面利用ＡＰＰ控制底层单片机各类电子应用系统案例的设计打好基础。
２）单片机与物联网基础案例实践篇分为两个方面的内容：单片机的基础案例和基于ＡＰＰ的单片机控制系统的基础案例。
单片机基础案例：经过部分单片机基础理论知识的学习，相信读者对单片机的知识已经有了比较深入的了解，将为读者介绍一些简单、易懂、易操作的基础案例，例如单个ＬＥＤ灯点亮、单片机独立按键控制、外部中断控制、定时控制、串行通信和继电器控制等。在讲解过程中，既介绍了案例的设计原理、同时又对案例的硬件电路进行了阐述，特别是在程序设计思想上，尽可能用简洁的语言清晰阐述，让初学单片机的读者容易理解，以利于初学者举一反三。
基于ＡＰＰ的单片机控制系统基础案例：经过部分基础理论知识的学习（包括单片机的基础知识和上位机Ａｎｄｒｏｉｄ基础知识），再加上单片机的基础案例设计，相信读者对底层单片机设计会有比较深入的了解。为了实现单片机与物联网技术相互融合，基于ＡＰＰ的单片机控制案例部分将为读者介绍一些易于上手的Ａｎｄｒｏｉｄ物联网案例，例如：基于ＡＰＰ的串行通信控制项目、ＡＰＰ控制灯亮、ＡＰＰ控制继电器、ＡＰＰ控制步进电动机、ＡＰＰ控制蜂鸣器等。在讲解的过程中，主要介绍了案例设计的工作原理、底层硬件电路的设计、ＡＰＰ软件的开发、ＷｉＦｉ配置和底层硬件电路的软件设计等。尽可能用简洁的语言清晰阐述，让初学者掌握ＡＰＰ的开发流程，并能够对底层硬件电路设计完成系统的联合调试，实现系统功能，提高读者动手的技能，使读者在操作的过程中掌握ＡＰＰ控制底层单片机控制系统的知识。
３）单片机与物联网综合案例实践篇：读者在完成阶段单片机与物联网理论知识的学习、第二阶段单片机控制的简单案例以及ＡＰＰ控制的底层单片机控制系统的学习后，希望设计更为复杂的电子系统，结合企业的需求，如节能、参数监测、ＡＰＰ开发、机器人等设计要求，在系统综合案例篇中给出了凸显电子系统创新设计理念，综合案例包括基于压力传感器的硬币鉴伪识别系统的设计、智能太阳能追光系统的研制、基于物联网技术的温湿度监测系统的设计、基于ＡＰＰ技术的电子音乐盒的设计、基于单片机的全自动智能避障小车的设计等。读者通过综合案例篇的学习，具备产品独立研发能力，可以完成基于单片机技术以及基于ＡＰＰ技术的各类电子控制系统的开发，推动物联网与单片机技术的深度融合，促进电子产品智能化水平的提高。
本书可以作为中高职院校、应用型本科院校进行单片机与物联网课程设计、毕业设计的指导教材；也可以作为初学单片机与物联网读者的参考用书，书中所涉及的案例稍加修改均可以应用在自己的工作中或者用来完成自己开发的ＡＰＰ电子控制系统课题，通过本书的学习使读者能够真正掌握单片机与物联网技术，将理论知识与实践相结合，融会贯通、学以致用。
特别感谢各位同事和朋友的热心帮助，使得本书能够顺利完成。衷心盼望本书能够对从事单片机与物联网技术工作的朋友有所帮助。
参与本书编写工作的主要人员有杭州师范大学钱江学院安康、易际钢、毛圣淇、倪莉莉、薛儒冰、王李冬、叶霞、孙亚萍、王玉槐、李静、张慧熙、胡可用、王琦晖；杭州晶控电子有限公司徐玮以及浙江众合科技股份有限公司安宁等，全书由安康统稿并审校。本书的编写工作获得杭州市重点学科建设项目“物联网工程学科” 浙江省实验室工作研究项目、浙江省教育科学规划课题、浙江省课堂教学改革研究项目大力支持，本书的编写工作获得杭州市重点学科建设项目“物联网工程学科”、浙江省实验室工作研究项目、浙江省教育科学规划课题、浙江省课堂教学改革研究项目大力支持，同时本书的编写获得浙江省新兴特色专业、杭州市属高校产学对接特需专业－机械设计制造及其自动化教研室全体教师的大力帮助。
由于作者水平有限，书中内容难免有错误与不妥之处，诚邀广大读者提出意见并不吝赐教。
编者２０１７年１１月