Cypress WICED 物聯網開發指南：從傳感器、無線接入到雲端的設計與實現（簡體書）

本書以Cypress公司的WICED Studio軟件集成開發工具、Wi-Fi和藍牙單芯片，以及PSoC6 MCU為基礎，詳細介紹了物聯網中實現基於Wi-Fi和藍牙技術的無線接入與應用方法。本書分為3篇，共12章，主要內容包括物聯網基礎、WICED Studio集成開發環境、驅動和控制外設的設計與實現、實時操作系統原理及應用、使用WICED-SDK庫文件、Wi-Fi接入原理及實現、TCP/IP套接字原理及實現方法、HTTP1.1協議的分析及應用、亞馬遜雲端連接和應用實現、藍牙接入技術原理、藍牙連接的實現和基本應用，以及藍牙連接的實現和高級應用。 本書反映了基於Cypress公司軟件和硬件產品開發物聯網應用的新成果，系統化、模塊化地介紹了在WICED Studio集成開發環境下將設備通過Wi-Fi和藍牙技術接入物聯網的實現方法。 本書在介紹這些內容時，注意理論和實踐相結合，同時給出了大量的設計實例，使讀者能夠掌握這一新的設計技術，以便推動新物聯網開發技術在國內的普及與推廣。

何賓 著名的嵌入式技術和EDA技術專家，長期從事電子信息技術方面的教學和科研工作，與全球多家知名的半導體廠商和EDA工具廠商大學計劃保持緊密合作。目前已經出版電子信息技術方面的著作40餘部，內容涵蓋電路仿真、電路設計、可編程邏輯器件、數字信號處理、單片機、嵌入式系統、片上可編程系統等。典型的代表作有《模擬電子系統設計指南（基礎篇）：從半導體、分立元件到TI集成電路的分析與實現》、《模擬電子系統設計指南（實踐篇）：從半導體、分立元件到TI集成電路的分析與實現》、《Xilinx Zynq-7000嵌入式系統設計與實現-基於ARM Cortex-A9雙核處理器和Vivado的設計方法》、《Altium Designer17一體化設計標準教程-從仿真原理和PCB設計到單片機系統》、《STC8系列單片機開發指南：面向處理器、程序設計和操作系統的分析與應用》、《Xilinx FPGA數字信號處理系統設計指南-基於HDL、Simulink和HLS的實現》等。
原著者簡介

前言
近些年來，隨著信息技術的不斷發展，物聯網技術也蓬勃發展，它越來越多地出現在人們的日常生活中（如移動支付、滴滴打車等），改變了人們的傳統生活方式，使得人們的生活更加便捷高效。作為全球知名的半導體公司Cypress（中文名為塞普拉斯），也敏銳地意識到物聯網技術在未來將會越來越普及，各種新的應用需求會越來越多。
在2016年，賽普拉斯以5.5億美元現金收購了博通的無線物聯網業務，包括Wi-Fi、藍牙和ZigBee物聯網產品線，以及相關知識產權，其中還包括WICED軟件開發平臺及其開發者生態系統。眾所周知，博通是蘋果手機無線方案的供應商，因此當塞普拉斯完成對博通無線物聯網業務的收購以後，它在物聯網方面為用戶提供解決方案的實力顯著提高，再加上塞普拉斯原來一些具有特色的物聯網產品，使其在物聯網市場上將佔有更大的市場份額。
在2017年7月，受Cypress公司委託，作者決定編寫一本基於Cypress軟件和硬件產品線的物聯網書籍，以滿足國內越來越多的物聯網開發需求，同時也滿足國內高等院校物聯網等相關專業開設物聯網課程的迫切要求。物聯網技術主要涉及物的信息感知和處理、物的無線網絡接入和數據的無線傳輸，以及雲端應用三大部分。而Cypress公司的MCU，尤其是PSoC產品線，具有高度智能的信息感知和處理能力，其Wi-Fi+藍牙單芯片方案具有實現無線網絡接入和數據傳輸能力，通過其WICED Studio集成開發環境，用戶可以完整地實現信息的感知和處理、無線接入、數據傳輸，以及雲端應用，因此能夠滿足物聯網開發人員和學生學習物聯網開發技術的要求。
本書內容涵蓋了信息感知、無線接入和雲端應用三大部分，全書分為3篇，共12章，主要內容包括物聯網基礎、WICED Studio集成開發環境、驅動和控制外設的設計與實現、實時操作系統原理及應用、使用WICED-SDK庫文件、Wi-Fi接入原理及實現、TCP/IP套接字原理及實現方法、HTTP1.1協議的分析及應用、亞馬遜雲端連接和應用實現、藍牙接入技術原理、藍牙連接的實現和基本應用，以及藍牙連接的實現和高級應用。
注：Cypress也提供ZigBee無線接入產品，但是由於目前在國內尚未大量應用，所以在本書中並沒有涉及相關內容。
編寫一本高質量的物聯網書籍必須要參考廠商第一手的技術資料和培訓資料，在編寫本書的過程中參考了Cypress公司培訓小組所編寫的WICED Wi-Fi培訓資料和設計實例，這些資料能夠全面反映物聯網技術的發展和應用方法，基本涵蓋了物聯網應用中所涉及的主要技術。
在本書編寫完成的時候，才真正體會到什麼叫IoT設計的“一氣呵成”，這也就是為什麼作者強烈推薦Cypress物聯網軟件和硬件開發平臺的原因，不僅解決物聯網的應用要求，而且還很清楚地說明了物聯網物物相連的本質原理。
在編寫本書的過程中，Cypress公司的李石磊先生為作者申請了免費的硬件開發平臺CY8CKIT-062-Wi-Fi-BT，潘宇峰先生解答了在編寫本書過程中所遇到的技術問題，魏榮女士幫助作者聯繫了Cypress的物聯網應用夥伴。Cypress公司的全球技術支持工程師也通過電子郵件和網絡解答了作者提出的各種技術問題。這是教育界和工業界又一次密切的產學研合作，通過這種合作，保證了書中所編寫的內容能夠全面地、客觀地、正確地反映Cypress產品在物聯網應用方面的最新成果與最新的設計方法。此外，在編寫本書的過程中，張豔輝、湯宗美和王中正參與了本書所用例子的移植和驗證，並編寫了部分章節的內容。在此，特別向給予作者支持的Cypress公司的各位人士表示衷心的感謝。
由於編者水平有限，編寫時間倉促，書中難免有疏漏之處，敬請讀者批評指正。


作 者
2018年12月於北京

第 1 篇
WICED集成開發環境介紹和基本應用
第1章 物聯網基礎 3
1.1 物聯網的定義 3
1.2 物聯網中的技術 5
1.3 物聯網架構 6
1.3.1 高級視圖 7
1.3.2 功能結構 7
1.3.3 分層模型 8
1.4 物聯網面臨的挑戰 8
1.5 Cypress提供的IoT開發平臺 9
第2章 WICED Studio集成開發環境 11
2.1 WICED Studio的下載和安裝 11
2.1.1 WICED Studio的下載 11
2.1.2 WICED Studio的安裝 13
2.1.3 WICED SDK架構 14
2.2 WICED Studio軟件主設計界面 16
2.2.1 “Project Explorer”窗口 18
2.2.2 文檔系統 20
2.3 WICED Studio支持的Wi-Fi芯片 22
2.4 運行第一個WICED設計 23
2.4.1 查找演示設計案例 23
2.4.2 項目的命名規則 24
2.4.3 生成新的Make Target 24
2.4.4 運行新生成的Make Target 26
第3章 驅動和控制外設的設計與實現 29
3.1 設計所使用硬件平臺的特性與功能 29
3.2 設計並實現第一個WICED應用 30
3.2.1 複製設計模板 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 運行新生成的Make Target 37
3.3 中斷程序的設計與實現 37
3.3.1 複製設計文件 37
3.3.2 生成新的Make Target 40
3.3.3 運行新生成的Make Target 40
3.4 脈衝寬度程序的設計與實現 41
3.4.1 複製設計文件 41
3.4.2 生成新的Make Target 42
3.4.3 運行新生成的Make Target 42
3.5 串口發送程序的設計與實現 43
3.5.1 複製設計文件 43
3.5.2 生成新的Make Target 46
3.5.3 運行新生成的Make Target 46
3.6 串口接收程序的設計與實現 47
3.6.1 複製設計文件 48
3.6.2 生成新的Make Target 50
3.6.3 運行新生成的Make Target 50
3.7 模擬-數字轉換程序的設計與實現 51
3.7.1 複製設計文件 51
3.7.2 生成新的Make Target 52
3.7.3 運行新生成的Make Target 53
第4章 實時操作系統原理及應用 54
4.1 實時操作系統的功能 54
4.2 WICED RTOS抽象層 55
4.3 線程的原理及實現 55
4.3.1 線程的原理 56
4.3.2 線程的實現 57
4.4 信號量的原理及應用 60
4.4.1 信號量的原理 60
4.4.2 信號量的應用 61
4.5 互斥的原理及應用 65
4.5.1 互斥的原理 65
4.5.2 互斥的應用 65
4.6 隊列的原理及應用 69
4.6.1 隊列的原理 69
4.6.2 隊列的應用 70
4.7 定時器的原理及應用 73
4.7.1 定時器的基本原理 73
4.7.2 定時器的應用 74
第5章 使用WICED-SDK庫文件 77
5.1 WICED-SDK庫文件架構 77
5.2 WICED-SDK庫文件應用實例-網絡測試 78
5.2.1 生成新的Make Target 78
5.2.2 運行新生成的Make Target 78
5.2.3 運行Iperf工具 80
5.3 WICED-SDK庫文件應用實例-TFT顯示 81
5.3.1 TFT顯示模塊硬件設計原理 81
5.3.2 複製設計文件 82
5.3.3 生成新的Make Target 83
5.3.4 運行新生成的Make Target 83
第 2 篇
Wi-Fi接入技術和物聯網應用
第6章 Wi-Fi接入原理及實現 87
6.1 TCP/IP網絡協議棧 87
6.2 Wi-Fi接入技術中的基本術語 89
6.3 Wi-Fi/BT模組結構和功能 92
6.3.1 硬件連接原理 92
6.3.2 CYW4343W支持的標準和協議 93
6.3.3 CYW4343W WLAN MAC特性 93
6.3.4 CYW4343W WLAN PHY特性 95
6.3.5 CYW4343W WLAN射頻子系統 96
6.4 WICED中提供的接入資源 96
6.4.1 設備配置表 97
6.4.2 WICED Wi-Fi SDK 100
6.4.3 返回值狀態 101
6.4.4 文檔 102
6.4.5 導引器 103
6.5 WICED設備連接到網絡的實現 104
6.5.1 複製設計文件 104
6.5.2 生成新的Make Target 106
6.5.3 運行新生成的Make Target 107
6.6 打印WICED設備網絡信息的實現 108
6.6.1 複製設計文件 108
6.6.2 生成新的Make Target 110
6.6.3 運行新生成的Make Target 111
6.7 在兩個SSID之間切換的應用實現 112
6.7.1 複製設計文件 112
6.7.2 生成新的Make Target 115
6.7.3 運行新生成的Make Target 115
第7章 TCP/IP套接字原理及實現方法 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服務器和客戶端 118
7.1.3 使用流發送和接收數據 120
7.1.4 使用WICED以TCP客戶端形式用數據包傳輸數據 121
7.1.5 使用WICED以TCP服務器形式接收數據包 123
7.2 WICED套接字文檔-非安全連接 124
7.3 安全性 124
7.4 X.509證書 128
7.4.1 基礎知識 128
7.4.2 下載證書 129
7.4.3 創建自己的證書 133
7.4.4 在WICED中使用證書 133
7.5 帶有TLS的TCP/IP套接字 135
第8章 HTTP1.1協議的分析及應用 139
8.1 雲的基本概念 139
8.2 應用層協議 139
8.2.1 超文本傳輸協議 140
8.2.2 消息隊列遙測傳輸協議 141
8.2.3 約束應用協議 142
8.2.4 高級消息隊列協議 142
8.2.5 JS對象標記 143
8.3 HTTP1.1協議詳解 143
8.3.1 客戶端請求 144
8.3.2 服務器響應 147
8.3.3 CURL工具 148
8.3.4 REST和RESTful API 153
8.3.5 WCIED HTTP1.1客服端庫 154
8.3.6 Httpbin.org 156
8.4 非安全的HTTP連接 157
8.4.1 複製設計文件 157
8.4.2 生成新的Make Target 163
8.4.3 運行新生成的Make Target 163
8.5 安全的HTTP連接 164
8.5.1 複製設計文件 165
8.5.2 生成新的Make Target 170
8.5.3 運行新生成的Make Target 170
8.6 向網站提交數據-非安全連接 171
8.6.1 複製設計文件 171
8.6.2 生成新的Make Target 175
8.6.3 運行新生成的Make Target 175
8.7 向網站提交數據-安全連接 176
8.7.1 複製設計文件 176
8.7.2 生成新的Make Target 181
8.7.3 運行新生成的Make Target 182
8.8 使用Web API驗證電話信息 183
8.8.1 通過瀏覽器訪問該網站 183
8.8.2 複製設計文件 185
8.8.3 生成新的Make Target 191
8.8.4 運行新生成的Make Target 191
8.9 使用文本串發送請求的實現 193
8.9.1 複製設計文件 193
8.9.2 生成新的Make Target 195
8.9.3 運行新生成的Make Target 195
第9章 亞馬遜雲端連接和應用實現 197
9.1 亞馬遜AWS物聯網雲服務概述 197
9.2 亞馬遜AWS IoT雲服務的資源 198
9.3 亞馬遜AWS MQTT基本操作 199
9.3.1 註冊賬戶 199
9.3.2 登錄賬戶 203
9.3.3 AWS IoT教程 204
9.3.4 配置AWS IoT Thing的流程 205
9.3.5 主題 211
9.3.6 設備影子主題 212
9.3.7 將MQTT與AWS配合使用 212
9.3.8 將HTTPS與AWS配合使用 213
9.3.9 使用AWS MQTT測試客戶端 213
9.4 在AWS雲端發佈消息的實現 215
9.4.1 複製和重命名證書文件 215
9.4.2 複製和修改設計文件 216
9.4.3 生成新的Make Target 224
9.4.4 運行新生成的Make Target 225
9.5 AWS雲端訂閱信