物联网实验箱智能家居(DOC 101页).docx

物联网教程改版记录表版本改版日期经手人修改记录0.0.02015.03.04胡文龙建立文档第一章 物联网概述1.1 物联网的诞生人类自诞生之日起，就在不断地认识世界和改造世界，而工具的使用是其发展水平的显著标志。随着社会生产力的发展，人类不断通过提升科学技术的水平来拓展自己的视野，这集中表现为创造出越来越多的工具，并有效地利用这些工具为人类社会服务。随着近几十年来信息技术，特别是网络技术的飞速发展，人类获取、保存、处理及传播信息的能力获得了迅猛的提升，从此我们目光变远了、耳朵变灵了，触觉更灵敏了，地球也变小了。人类的生理功能获得了大幅度延伸，我们开始更从容地去面对自然。以计算机为代表的计算世界（Cyber World）在物理世界（Physical World）和人类社会（Human Society）当中扮演着重要角色，它们已经被合称为三元世界（Ternary Universe）。第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）诞生时，计算机是一个庞然大物，是极少数人才能享用的奢侈品。随着CMOS半导体电路技术按摩尔定律的速度发展，计算机系统正在朝着功能不断增强，可靠性、集成度、能源效率、信息密度不断提高，用户界面更加友好的方向演进。一方面出现了具有超强计算能力和存储能力的超级计算机，另一方面也开始出现体积小、成本低、便于人机交互的各种便捷计算设备，信息技术开始进入社会生产和日常生活，开始为传统产业提供更方便快捷的强大支撑。借助计算机这一有力工具，人类对客观物理世界的认知和利用大概经历以下几个阶段：l 数字化阶段，随着传感器的规模化应用，物理世界的信息通过采样、量化、编码，可以变成在计算机中表示、存储和处理的数据，传感器拉近了人们和物理世界的距离；l 信息化阶段，随着处理和存储能力的增强，人们所积累的原始数据及加工数据逐步增多、种类更加丰富、数据更加实时，信息开始逐步脱离客观的物理世界，并成为人们生产和生活中的重要资料，计算世界开始独立于物理世界而形成；l 网络化阶段，随着大量信息日复一日被创造出来，信息也开始成为人们交互的不可或缺的物质资料，甚至开始成为重要的商品，网络化不但为人们相互交换信息、实现信息共享提供了便利，更通过大量分布式的信息采集和处理，进一步扩展了信息获取的途径，网络化让更多人加入到信息的交互中，与信息相关的产品和服务也越来越多；l 泛在化阶段，随着信息和网络不断发展成人类社会生活中必不可少的物质基础，人们随时随地都需要和大量数字化信息打交道，网络化达到无时无处不在的程度，人们再也无法回避信息化的生活方式，人类社会也将迈入知识信息的泛在化阶段，而海量的信息也为计算世界的智能化提供了可能，智能化让人类社会和物理世界融为一体。无线传感器网络和物联网在网络化和智能化的背景下应运而生！无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）简称传感网，它在人类与自然界之间架起了一座桥梁，是人类借助信息化工具认知物理世界的新式武器。传感网综合了信息感知、信息处理、信息传输等功能的分布式自组织的计算系统，传感网节点自组织地以多跳的方式完成互联与协同传输处理，并通过网关节点与互联网、移动通信网等公网联接，从而实现远程信息的获取和计算。传感网的出现，使信息获取的能力得到大幅度提高，多传感器协同感知和传感数据的信息融合则帮助人们克服了传统传感器感知区域小等缺陷，可视为人类感官的延伸，因而被称为“神经末梢”。2009年8月7日，温总理在江苏无锡谈到太湖水质监测时，首次提出了“感知中国”的概念，从此“物联网”开始为普通百姓所熟知。“物联网”通过物与物之间的智能互联，将人们认识自然界的水平提升到一个崭新的阶段。传统的互联网和移动通信网均是以信息为中心，仍然是信息网络；而物联网是直接以人的需求为中心的网络，通过各种“神经末梢”与物理世界相联，从而达到了无时无处不在的感知，是一种更为体贴、更为友好的网络。物联网并不仅仅是一项技术，也是人类自身认识世界的需要，它不但拥有RFID（射频标签）、传感器以及传感网等载体的感知触角，而且拥有互联网、移动通信网等传输中枢，还拥有海量信息存储与处理的云计算及智能信息处理等系统支撑，通过综合使用各种信息技术手段，完成对物理世界真正意义上的智能感知，从而最大限度地丰富和提高了人类通过技术手段对于自然界的认知能力、分析综合判断能力和决策支持能力。物联网是人类认识世界理想化的新境界。这与IBM公司在2009年初提出的“智慧的地球（Smart Planet）”以及Nokia所提出的“情境感知计算（Context-aware Computing）”等概念有着异曲同工之妙。虽然是从不同的角度出发提出的，但殊途同归，都是将简单的信息处理提升到人类社会与物理世界的融合上，而不再是纯粹的以具体技术升级为背景。“物联网”的提出给我们一个重要的信号，技术水平的提升最终是为人类自身服务，其最高境界是让人不再察觉到信息技术手段的介入过程，信息技术“潜移默化”地融入人们的生活中，在丝毫不被察觉的情况下完成使命，从而真正意义上实现了人类对自然界丰富信息的随心所欲的感知，从最大程度上消除了人与自然的距离，达到人与自然的和谐共生。1.2 物联网的内涵物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”(IoT)。由此，顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。关于物联网的定义，在学术界和产业界都没有统一的定义。目前关于物联网的定义也是五花八门，总体来说，主要包括狭义和广义两种。狭义的物联网是指依托射频识别（RFID）技术的物流网络，随着技术和应用的发展，特别是随着传感器网络的出现，很多学者认为物联网就是无线传感器网络，或者是传感器网络和RFID的合称。但随着物联网在国内外被更多行业所关注，其内涵也获得了更大范围的扩展。广义的物联网是指在物理世界的客观实体中部署具有一定感知能力、计算能力和执行能力的各种信息传感设备，通过网络设施实现信息传输、协同和处理，实现广域或大范围的人与物、物与物之间信息交换需求的互联、互通、互操作。物联网依托多种信息获取技术，包括传感器、传感器网络、RFID、条形码、多媒体采集技术等。虽然物联网的定义还存在很多争议，但其三个重要层次-“感知(交互)、网络（传输）、应用（处理）”已经获得了广泛共识。物联网白皮书（2011）认为：物联网是通信网和互联网的扩展应用和网络延伸，它利用感知技术与智能装置对物理世界进行感知识别，通过网络传输互连，进行计算，处理和知识挖掘，实现人与物、物与物的信息交互和无缝连接，达到对物理世界实时控制、精确管理和科学对策的目的。物联网的概念还在发展之中，具有越来越丰富的内涵，需要用动态、发展的眼光来看待。物联网充分利用了不断创新和发展的计算机技术、网络技术、软件技术、传感技术、通信技术等多种信息技术，广泛开发和利用人类世界与物理世界的各种信息资源，促进人与人、人与物、物与物之间的信息交流，深化全社会的知识共享程度，以信息和知识含量更高的处理方式提高经济社会的发展质量，推动无所不包、无所不在、无所不能的信息化社会的形成。1.3 物联网的架构物联网网络架构由感知（交互）层、网络（传输）层、应用（处理）层组成。如图1-1所示，各层次通过相互协同与配合，协同完成真正意义上的“物物相连”，并提供泛在化的物联网服务。图1-1 物联网网络架构示意下面结合普遍认知，简单说明物联网三个层次的主要内容。l 感知层，也称感知交互层，主要实现智能感知和交互功能，包括信息采集、捕获、物体识别，并对信息进行初步的融合等功能。其关键技术包括传感器、控制器、RFID、自组织网络、短距离无线通信、低功耗路由、数据融合等，它是物联网的智能前端，也是神经末梢；l 网络层，也称网络传输层，主要实现信息的接入、传输和交换，包括接入层和核心层。网络层可依托公众电信网和互联网，也可以依托行业专用网络，或者同时依托公众网和专用网，如接入层依托公众网、核心层依托专用网，或者接入层依托专用网、核心层依托公众网。通过网络层的信息交换与传输，可以使物联网实现更大范围的覆盖和信息共享；l 应用层，也称应用处理层，主要实现信息的处理与决策，通过中间件实现网络层与物联网应用服务间的接口和功能调用，包括对业务的分析整合、共享、智能处理、管理等，具体体现为一系列业务支撑平台、管理平台、信息处理平台、智能计算平台、中间件平台等。应用层则主要包含各类应用服务，如监控服务、智能电网、工业监控、绿色农业、智能家居、环境监控、公共安全等。物联网应用层既包括局部区域的独立应用，又包括广域范围的统一应用。部分以局部区域的独立应用为主，如楼宇内的控制系统、特定区域的环境监测系统。部分则是广域范围的统一应用，如手机支付、全球性的RFID物流和供应链系统等。12/101第二章无线传感器网络概述2.1 无线传感器网络的内涵无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）是由多个节点组成的面向任务的无线自组织网络，由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。通过各类微型传感器对目标信息进行实时监测，由嵌入式计算元件对信息进行处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户。这一技术具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都有重要的科研价值和实用价值。传感器网络的节点间距离很短，一般采用多跳（multi-hop）的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到计算机网络，使用户可以远程访问，如图2-1为无线传感器网络示意图。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端，从而真正实现“无处不在的计算”理念。图2-1 无线传感器网络示意图2.2 无线传感器网络特点1) 大规模为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在面积较小的空间内，密集部署了大量的传感器节点。传感器网络的大规模性具有如下优点：通过不同空间视角获得的信息具有更大的信噪比；通过分布式处理大量的采集信息能够提高监测的精确度，降低对单个节点传感器的精度要求；大量冗余节点的存在，使得系统具有很强的容错性能；大量节点能够增大覆盖的监测区域，减少洞穴或者盲区。1) 自组织在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。2) 动态性传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：环境因素或电能耗尽造成的传感器节点故障或失效；环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。3) 可靠性WSN特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，节点可能工作在露天环境中，遭受日晒、风吹、雨淋，甚至遭到人或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。4) 以数据为中心互联网是先有计算机终端系统，然后再互联成为网络，终端系统可以脱离网络独立存在。在互联网中，网络设备用网络中惟一的IP地址标识，资源定位和信息传输依赖于终端、路由器、服务器等网络设备的IP地址。如果想访问互联网中的资源，首先要知道存放资源的服务器IP地址。可以说现有的互联网是一个以地址为中心的网络。传感器网络是任务型的网络，脱离传感器网络谈论传感器节点没有任何意义。传感器网络中的节点采用节点编号标识，节点编号是否需要全网惟一取决于网络通信协议的设计。由于传感器节点随机部署，构成的传感器网络与节点编号之间的关系是完全动态的，表现为节点编号与节点位置没有必然联系。用户使用传感器网络查询事件时，直接将所关心的事件通告给网络，而不是通告给某个确定编号的节点。网络在获得指定事件的信息后汇报给用户。这种以数据本身作为查询或传输线索的思想更接近于自然语言交流的习惯。所以通常说传感器网络是一个以数据为中心的网络。例如，在应用于目标跟踪的传感器网络中，跟踪目标可能出现在任何地方，对目标感兴趣的用户只关心目标出现的位置和时间，并不关心哪个节点监测到目标。事实上，在目标移动的过程中，必然是由不同的节点提供目标的位置消息。5) 集成化传感器节点的功耗低，体积小，价格便宜，实现了集成化。其中，微机电系统技术的快速发展为无线传感器网络接点实现上述功能提供了相应的技术条件，在未来，类似“灰尘”的传感器节点也将会被研发出来。6) 具有密集的节点布置在安置传感器节点的监测区域内，布置有数量庞大的传感器节点。通过这种布置方式可以对空间抽样信息或者多维信息进行捕获，通过相应的分布式处理，即可实现高精度的目标检测和识别。另外，也可以降低单个传感器的精度要求。密集布设节点之后，将会存在大多的冗余节点，这一特性能够提高系统的容错性能，对单个传感器的要求得到了大大降低。最后，适当将其中的某些节点进行休眠调整，还可以延长网络的使用寿命。7) 协作方式执行任务这种方式通常包括协作式采集、处理、存储以及传输信息。通过协作的方式，传感器的节点可以共同实现对对象的感知，得到完整的信息。这种方式可以有效克服处理和存储能力不足的缺点，共同完成复杂任务的执行。在协作方式下，传感器之间的节点实现远距离通信，可以通过多跳中继转发，也可以通过多节点协作发射的方式进行.8) 自组织方式之所以采用这种工作方式，是由无线传感器自身的特点决定的。由于事先无法确定无线传感器节点的位置，也不能明确它与周围节点的位置关系，同时，有的节点在工作中有可能会因为能量不足而失去效用，则另外的节点将会补充进来弥补这些失效的节点，还有一些节点被调整为休眠状态，这些因素共同决定了网络拓扑的动态性。这种自组织工作方式主要包括：自组织通信，自调度网络功能以及自管理网络等。无线传感器网络的主要特点是资源受限，每个传感器节点的能量，处理能力，存储能力都是非常有限的，而且由于对传感器节点的成本要求，导致节点的可靠性也不是很高，这些都给无线传感器网络的设计带来了很大的挑战。目前关于WSN的研究主要集中在下面几个方向：l MAC(Medium Access Control)协议l 时钟同步l 定位技术l 拓扑控制与网络的连通性(Topology Control &Connectivity)l 路由协议(Routing protocols)l 数据融合(Data Aggregation)l 网络安全l QOSWSN网络协议的设计中需要考虑许多问题，是一个很具有挑战性的领域，一般来说设计WSN网络协议需要关注下面一些要素：l 能量的效率问题l 网络的覆盖和连通性问题l 网络的自组织问题l 数据传输的效率问题l 网络安全问题l 故障冗余问题（这主要是针对无线传感器节点的低可靠性来说的）l 网络移动性问题无线传感器网络的初期，很多人认为它和Ad Hoc网络没有什么太大的区别，可以使用Ad Hoc网络的一些研究成果解决WSN的一些问题，但事实却证明无线传感器网络和现在的Ad Hoc网络有很多不同：l 传感器节点的处理能力，通信能力，存储能力和所携带的能源都要比Ad Hoc网络节点的低很多。l 无线传感器网络的节点的移动性没有Ad Hoc网络节点那么强。l 无线传感器网络拓扑的改变主要是由于节点的失效，而Ad Hoc网络拓扑结构的改变主要是由于节点的移动。l 无线传感器网络的协议要比Ad Hoc网络的简单，在无线传感器网络中没有IP地址的概念。无线传感器网络相关的一些协议只能使用有限的存储空间，对节点的处理能力也不能要求过高。l 无线传感器网络的功能主要是收集数据，收集到的数据可以都传给一个最终节点（单Sink模式），也可以传给多个最终节点（多Sink结构），而Ad Hoc网络更多的是考虑点到点的通信。无线传感器由于自身的特点和一些应用的需求，其网络协议的设计是一件很有挑战性的工作，是一个跨学科的研究领域，相关的一些技术难题还有待于我们的进一步研究和认识。2.3 无线传感器网络结构传感器网络系统通常包括传感器节点EndDevice、汇聚节点Router和管理节点Coordinator。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。1) 传感器节点处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过小容量电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点除了进行本地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合，并与其他节点协作完成一些特定任务。2) 汇聚节点汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它是连接传感器网络与Internet 等外部网络的网关，实现两种协议间的转换，同时向传感器节点发布来自管理节点的监测任务，并把WSN收集到的数据转发到外部网络上。汇聚节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的、Flash和SRAM中的所有信息传输到计算机中，通过汇编软件，可很方便地把获取的信息转换成汇编文件格式，从而分析出传感节点所存储的程序代码、路由协议及密钥等机密信息，同时还可以修改程序代码，并加载到传感节点中。3) 管理节点管理节点用于动态地管理整个无线传感器网络。传感器网络的所有者通过管理节点访问无线传感器网络的资源。深联致远（北京）科技有限公司 第三章IEEE 802.15.4和ZigBee简介3.1 IEEE 802.15.4协议在IEEE 802.15工作组内有四个任务组（Task Group, TG），分别制定适合不同应用的标准。这些标准在传输速率、功耗和支持的服务等方面存在差异，其中TG4负责针对低速无线个人区域网络（low-rate wireless personal area network, LR-WPAN）制定标准IEEE 802.15.4标准。该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间的低速互连提供统一标准。其规定的特征与无线传感器网络有很多相似之处，因此，许多研究机构将IEEE 802.15.4当作事实上的无线传感器网络国际标准。LR-WPAN网络是一种结构简单、成本低廉的无线通信网络，它使得在低电能和低吞吐量的应用环境中使用无线连接成为可能。与WLAN相比，LR-WPAN网络只需很少的基础设施，甚至不需要基础设施。IEEE 802.15.4标准为LR-WPAN网络制定了物理层和MAC子层协议。在IEEE 802.15.4中定义了两种器件：全功能器件(Full-Function Device，FFD)和简化功能器件(Reduced-function Device，RFD)。对于FFD，要求它支持所有的49个基本参数，而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。但无论如何，一个IEEE 802.15.4网络中必定存在一个网络协调器（PAN Coordinator），是网络的主控制器，它负责建立网络、网络成员管理、分组转发等任务。根据应用的需要LR-WPAN可以工作于如图3-1所示的两种拓扑结构。在星型网络中，设备均与网络协调器完成简单的关联操作以及接收和发送等，网络协调器还可以与其他网络进行通信以完成诸如路由之类的功能。网络中的设备可以采用64位地址直接进行通信，也可以通过关联操作由网络协调器分配16位地址。网络协调器可以采用稳压直流供电或电池供电，但是网络中的其它设备一般采用电池供电。星型网络一般适合应用于家居自动化、个人计算机的外围设备、玩具以及个人健康护理等。图3-1 LR-WPAN支持的拓扑结构点到点网络中也存在一个网络协调器，但与星型网络不同的是，网络中的所有设备可以和在信号辐射范围之内的所有其它设备通信，这就使得点到点网络拓扑可以形成更为复杂的网络形式如Mesh网络等，因此它更适合应用于工业控制及监测、无线传感器网络、货物存储及跟踪、智能农业及安全相关方面。点到点网络也支持ad hoc模式，具有自组网和自我修复网络的功能，它还可以与网络中的所有设备以多跳的方式实现数据的路由，不过实现这些功能是网络层的职责所在而不在IEEE 802.15.4的讨论范围之内，本书将在随后的ZigBee部分对其进行探讨。IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC子层，符合开放系统互连模型（OSI），物理层包括射频收发器和底层控制模块，MAC子层为高层提供了访问物理信道的服务接口。图3-2表明了层与层之间的关系。图3-2 IEEE 802.15.4协议栈架构在MAC子层之上的高层包括网络层和应用层，对于不同的高层协议，也可以通过逻辑链路控制子层（Logical Link Control，LLC）以及特定服务聚合子层（Service Specific Convergence Sublayer，SSCS）来访问MAC子层。3.2 ZigBee协议ZigBee名称来源于蜂群在寻找食物源时所使用的通信方式，即蜜蜂通过跳ZigZag形状的八字舞来分享新发现的花朵的位置、距离和方向等信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。在工业监测、自动化控制等领域，传统蓝牙技术存在包括使用复杂、功耗高、传输距离近、组网规模小等局限性。ZigBee的应用目标是无线控制和监控应用，如：工业远程控制、家庭自动控制等，这类应用一般不要求高的数据传输效率，但须具有低功耗、低成本、实时性和使用方便等特点。ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准之上，ZigBee联盟对网络层协议和API进行了标准化。ZigBee协议栈架构基于OSI七层模型，但只定义了与其应用息息相关的几个层，如图3-3所示。IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC子层，ZigBee标准在这个基础之上扩展了网络层（network layer，NWK）和应用层框架，其中包括应用支持子层（application support sub-layer，APS）、ZigBee设备对象（ZigBee device object，ZDO）以及设备商自定义的应用组件。图3-3 ZigBee协议栈模型ZigBee标准确定了三种设备：ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。每个网络都必须包括一台ZigBee协调器。协调器的主要功能是为建立和启动网络这一过程设置参数，其中包括选择一个射频信道、唯一的网络标识符以及一系列操作参数。ZigBee路由器作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围。ZigBee终端设备不参与路由选择。ZigBee所制定的网络层主要负责网络拓扑的搭建和维护，以及设备寻址、路由等，属于通用的网络层功能范畴，应用层负责业务数据流的汇聚、设备发现、服务发现、安全与鉴权等。深联科技-内部文档文档编号：typ-0000第四章 IOT-SYX-005 综合实验箱4.1 实验箱介绍IOT-SYX-005实验箱由五个CC2530节点，一个多媒体网关，一个RFID节点组成实验箱。内置有一部支持WIFI的以太网路由器，实验箱启动后，所有节点都会接入这个网络，PC可以通过有线或者WIFI连接实验箱，控制完成各种实验。CC2530之间可以使用Zigbee完成信息交互。下图为实验箱内面板照片与模块介绍：4.2 实验箱软件安装1) 实验箱运行环境安装依次打开光盘资料内开发调试工具Zigbee节点-开发调试工具文件目录，对SYX_SHOW.zip进行解压，解压后运行dotNetFx40_Full_x86_x64.exe，点击“下一步”，执行默认安装即可完成实验箱运行环境的安装。net 4.0安装过程2) 实验箱软件安装安装SYX-SHOW实验箱演示软件，只需运行SYX_SHOW.zip解压目录下的setup.exe，点击“下一步”，执行默认安装即可。SYX-SHOW软件安装过程4.3 实验箱演示软件介绍实验箱演示软件分为网关版与PC版，网关版实现实验箱基本实验功能，PC版实现实验箱全部实验功能。下面主要讲解PC版实验箱软件。检查实验箱硬件配置是否正确，并为实验箱上电。 根据实验箱无线SSID标号（在实验箱红色开关下方的标签），将笔记本加入指定无线网络。例如1号实验箱，则加入名称为SYX6001的无线网络，如下图所示。图 实验箱无线SSID标号下面以第二篇“基本传感实验”中的实验2.1的超声测距实验为例进行说明，介绍实验界面的基本布局、主要功能以及操作、编程等，以对IOT-SYX-005型实验箱的使用有一个初步的认识。1) 将实验箱加电，双击桌面上的SYX_SHOW_V1.0.EXE，进入实验界面。如下图所示。图 SYX-SHOW软件启动界面2) 选择实验内容，点击“第二篇基本传感实验”后，出现下图所示界面。图 实验主界面3) 开始实验可以看到，在实验界面中已经显示出了目前的超声测距距离，用手遮挡超声波模块，此时实验界面中将图形化显示出当前超声波测量出的距离值。动态调整手与超声波模块之间的距离，界面上也将有相应的显示。“开始实验”页分为实验区和注释区，实验区内主要显示当前传感器的可视化数据或者无线通信节点的拓扑结构。注释区内提示学生做实验的注意事项，与实验指导书配套，辅助学生顺利进行实验。图 超声测距开始实验界面4) “源码解析”页，将在节点上运行的关键代码显示在编辑框内，支持行号显示，支持语法高亮。图 超声测距源码解析界面5) 点击IAR SYSTEMS按钮，就可以打开该实验的源代码工程文件。图 超声测距源码工程界面4.4 实验箱传感和控制实验1) 超声波测距实验l 实验目的1.掌握CC2530的定时/计数器、中断等功能的正确使用。2.掌握对HC-SR04超声波测距模块的正确使用。l 实验设备综合实验箱第1号智能节点。l 实验原理超声波测距的原理是根据发射波和反射波接收的时间差来计算出发射点到障碍物的实际距离。超声波测距公式表示为：L=CT，式中L为测量的距离，C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(为发射到接收到发射波的时间差数值的一半)。使用HC-SR04超声波测距模块进行距离测量的过程如图8-1所示：(1)输出触发测距脉冲，脉冲高电平最少持续10us的时间。(2)HC-SR04模块自动发送8个40KHz 的方波，自动检测是否有发射波。(3)当HC-SR04模块检测到发射波后，其Echo输出一个高电平脉冲，且高电平持续的时间与距离成正比。图8-1 超声波测距模块测量过程为了对返回信号Echo的高电平持续时间进行准确计时，采用中断与计数器技术相结合的方法进行测量。具体方法为：采用循环检测引脚电平的方式，当检测到返回信号Echo为高电平时，启动一个16位的计数器进行计时，并配置返回信号引脚为外部中断触发方式（下降沿触发）。从而，当返回信号出现下跳变时，进入相应的中断响应函数，该函数读取相应计数寄存器的值。根据计数寄存器的值和计数周期，计算出信号高电平的持续时间。l 实验步骤1.双击SYX_SHOW_V1.0.EXE图标，打开实验程序，选择实验2.1。2.使用书本等物体在不同距离处对超声节点进行阻挡，并观察图形和传感数据的变化，如图所示。图 超声测距实验效果2) 温湿度、光照观测实验l 实验目的1.掌握用I/O口模拟总线协议的原理。2.掌握对SHT10高精度温湿度模块的正确使用。l 实验设备综合实验箱第1号智能节点。l 实验原理数字高精度温湿度传感器SHT10有4个引脚：GND、DATA、SCK、VDD。下图为SHT10与单片机（即所使用的CC2530 ）的连接方式。图8-4 SHT10与单片机的连接方式对SHT1x传感模块的使用步骤如下：（1）启动传感器首先，选择供电电压后将传感器通电。通电后传感器需要11ms 进入休眠状态，在此之前不允许对传感器发送任何命令。（2）发送命令用一组“启动传输”时序，来完成数据传输的初始化。它包括：当SCK 时钟高电平时DATA 翻转为低电平，紧接着SCK 变为低电平，随后是在SCK 时钟高电平时DATA 翻转为高电平。后续命令包含三个地址位（目前只支持000”），和五个命令位。SHT1x 会以下述方式表示已正确地接收到指令：在第8个SCK 时钟的下降沿之后，将DATA 下拉为低电平（ACK 位）。在第9个SCK 时钟的下降沿之后，释放DATA（恢复高电平）。（3）温湿度测量发布一组测量命令（00000101表示相对湿度RH，00000011表示温度T）后，控制器要等待测量结束，这个过程需要大约20/80/320ms（分别对应8/12/14bit测量）。SHT1x 通过下拉DATA 至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器（uC）在再次触发SCK 时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。接着读取2个字节的测量数据和1 个字节的CRC 奇偶校验（可选择读取）。uC 需要通过下拉DATA 为低电平，以确认每个字节。收到CRC 的确认位之后，表明通讯结束。如果不使用CRC-8 校验，控制器可以在测量值LSB 后，通过保持ACK高电平终止通讯。在测量和通讯完成后，SHT1x 自动转入休眠模式。l 实验步骤1.双击SYX_SHOW_V1.0.EXE图标，打开实验程序，选择实验2.2。2.观测节点实时反馈的温湿度数据。3.通过特殊方法，尽量改变传感器附近的温湿度环境(例如用手触摸STH1x)，观测数据变化。图 光温湿度传感器实验效果图2) 三维物体姿态运动实验l 实验目的1.掌握用普通I/O管脚模拟IIC时序。2.掌握对ADXL-345加速度传感器和L3G4200D角速度传感器的使用。3.学习利用加速度、角速度传感信息的融合识别物体的姿态和运动。l 实验设备综合实验箱第2号智能节点。l 实验原理1、加速度、角速度采样原理ADXL345是一款3轴加速度测量系统。微控制器可以通过IIC总线与其进行通信。在IIC通信模式下，微控制器按照IIC的时序与ADXL345进行通信，读取DATAX，DATAY，DATAZ寄存器，这三个寄存器存储了器件在X轴，Y轴，Z轴的加速度信息。这个信息可以用于物体的轨迹识别。L3G4200D是一款3轴角速度测量系统。微控制器可以通过IIC与模块进行通信。在IIC通信模式下，微控制器按照IIC的时序与L3G4200D进行通信，读取OUT_X_L，OUT_X_H，OUT_Y_L，OUT_Y_H，OUT_Z_L，OUT_Z_H六个寄存器的值，这六个寄存器存储了器件在X轴，Y轴，Z轴的角速度信息。这个信息可以用于物体的姿态识别。2、IIC总线通信原理参见光盘资料内IIC总线说明书。3、姿态识别原理ADXL345测量物体的X轴，Y轴，Z轴的加速度，L3G4200D测量物体的X轴，Y轴，Z轴的角速度，根据相关物理知识，通过这六个变量按公式计算物体的姿态变化。l 实验步骤1.双击SYX_SHOW_V1.0.EXE图标，打开实验程序，选择实验2.3。2.拿起2号节点所连接的传感器模块进行晃动，观察图形和传感数据的变化。图 三维物体跟踪实验效果图3) 扬声器演奏实验l 实验目的1.掌握CC2530 的定时/计数器、中断等功能的正确使用。2.掌握对扬声器的正确使用。l 实验设备综合实验箱第1号智能节点。l 实验原理我们听到扬声器发出的音乐，实际是电子系统给扬声器接入一定频率的交流电时，使扬声器产生的机械振动。如果用单片机的GPIO产生一定频率的方波，通过三极管放大然后接入扬声器，就可以发出对应频率的声音，表8-1所示为不同音对应的频率。表8-1 音调参数表音高音符频率低音DO262 Hz低音RE294 Hz低音MI330 Hz低音FA349 Hz低音SO392 Hz低音LA440 Hz低音SI494 Hz中音DO523 Hz通过微控制器生成这些频率的方波，并按照一定的规律组合，即可完成扬声器演奏。l 实验步骤1.双击SYX_SHOW_V1.0.EXE图标，打开实验程序，选择实验3.1。2.点击页面的“播放示例音乐”按钮，扬声器会播放一段悦耳的音乐。3.在谱曲区自己谱一段曲子，每个曲子由三个元素组成“音高，音长，音区”。注：如果曲子谱写不完整，则默认音高为0，音长为0，音区为中音。4.点击谱曲区的播放按钮，等待节点响应，可以听到自己刚刚谱写的曲子。图 扬声器演奏实验4) 马达离散变速控制实验l 实验目的1.掌握CC2530 的基本I/O的正确使用。2.掌握对步进电机的正确使用。l 实验设备综合实验箱第3号智能节点。l 实验原理步进电机四相步进电机通过轮流给每个定子线圈通电，使电机转子衔铁旋转一定的角度，通过调节定子线圈轮流通电的频率和脉冲数，便可精确的旋转一定的角度。图8-13 四相步进电机原理如图8-13所示：定子A通电后，转子5和2与A对齐，定子B通电转子0和3与定子B对齐，定子C通电，转子1和4与定子C对齐，定子D通电，转子5和2与定子D对齐，定子A再次通电后，转子3和0与A对齐，如此转子已经转动了30度。不断给四个定子通电，步进电机便可持续旋转，由于这一结构的限制，步进电机的运行非常精确。步进电机的两个定子可以同时通电,这时转子的位置将会介于两个定子单独通电的位置中间,这样,步进电机的控制方法还可以使用双四拍,八拍,两种。图为步进电机使用单四拍,双四拍,八拍时的时序图.单四拍的控制的扭力较小,但是控制简单,功耗低;双四拍的扭力较大,但是功耗更高;八拍的扭力和功耗介于前两者之间,控制精度是前两者的一倍,单控制算法更复杂.本实验使用的控制方法为8拍。l 实验步骤1.双击SYX_SHOW_V1.0.EXE图标，打开实验程序，选择实验3.2。2.马达初始速度为0，可通过点击“加速”，“减速”按钮控制马达转动。图 步进电机电路原理图5) RFID读写实验l 实验目的1.这一节我们将初步了解射频读卡器演示软件的使用方法，阅读HF RFID v2.0读卡器程序，了解读卡系统软硬件的整体架构,理解RFID的基本操作过程。2.对A卡进行电子钱包操作，学习读取卡中的数据的方法，并修改卡中的数据。3.学习RFID卡读写技术，基于此技术即可完成电子钱包功能和许多身份信息的储存。l 实验设备综合实验箱RFID读头节点。l 实验原理RFID标签：被称为电子标签或智能标签，它是内存带有天线的芯片，芯片中存储有能够识别目标的信息。RFID标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等特点。有些RFID标签支持读写功能，目标物体的信息能随时被更新。读卡器分为手持和固定两种，由发送器，接收仪、控制模块和收发器组成。收发器和控制计算机或可编程逻辑控制器(PLC)连接从而实现它的沟通功能。读卡器也有天线接收和传输信息。读卡器通过接收标签发出的无线电波接收读取数据。最常见的是被动射频系统，当解读器遇见RFID标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给读卡器，读卡器把它转换成相关数据。控制计算器就可以处理这些数据从而进行管理控制。在主动射频系统中，标签中装有电池在有效范围内活动。下面对RFID常用的缩写进行介绍：UID（unique identifier）唯一标识符，每个RFID标签或每张RFID智能卡都有全球唯一的标示符。PCD（Proximity coupling device）接近式耦合设备，读卡器就是一种VCD。PICC（Proximity integrated circuit card）接近式卡，可以响应VCD的智能卡或智能标签。 ISO14443标准中的A类非接触型智能卡介绍:ISO14443标准中的非接触式智能卡的类型可以分为A类（Type A）和B类（Type B）。A类智能卡是由Philips(Siemen)等半导体公司最先首次开发和使用。在亚洲等地区，A类卡相关的技术和产品占据了很大的市场份额。A类非接触智能卡卡上芯片主要有：Mifare_Light MF1ICL10系列；Mifare 1 S50系列（内置ASIC)；Mifare2，即MifarePro；MF2ICD8x系列（接触/非接触双接口，内置兼容Intel18051的微处理器）；对应的A类非接触智能卡读写器芯片有：RC150、RC170、RC500、MCM200、MCM500等。总体来说，TypeA技术的确是一个非常优秀的非接触技术，设计简单扼要，应用项目的开发周期可以很短，同时又能起到足够的保密作用，可以适用于非常多的应用场合。本实验用到了Mifare S50作为A卡的样例。Mifare s50智能卡是飞利浦公司的14443A类智能卡产品，其拥有1Kbyte大小的EEprom，共分为16个扇区，每个扇区分为4个块，每个块拥有16Byte大小的储存空间，如图8-15所示。图8-16 Mifare S50智能卡储存结构访问Mifare s50智能卡的存储区时需要输入6Byte长的密码，每个块的密码不同。每个块拥有两个密码，分别是A密码和B密码，AB密码的权限可能不同，用于不同权限的访问。密码权限信息和密码都存储在每个扇区的块3中，改变这个扇区的内容有可能造成扇区锁死，实验时必须慎重。智能卡的序列号储存在卡的0扇区0块，这些信息的长度是16Byte。智能卡的0扇区0块是只读的。读卡器和PC的通信完全通过串口，这样数据和命令都要通过串口发送，为了合理的完成这些操作，这里引入了串口包。表8-2为串口包的结构。图8-2 串口包的结构内容意义长度包头一个包的开始，必须为 AA BB（十六进制）2byte包长度包中数据的长度，不包括包头和包长度，低字节在前2byte冗余位无意义2byte命令标明读卡器要完成的工作2byte数据程序用到的数据可变长校验位用于校验，是除去校验位、包头和包长度的所有数据的异或1Byte读卡器的天线默认是关闭的，如果想启动天线则应通过串口发送下列十六进制数：AA BB 06 00 00 00 0C 01 00 0D 前两个数据AABB为包头；第3、4个数据06 00为包长度，即后面数据00 00 0C 01 00 0D的长度；第5、6个数据00 00为冗余位；第7、8个数据为0C 01命令字，意义为控制天线，第9个数据位00，以为打开天线，最后一个数据是0D，00000C0100=0D，表示异或。发送这些数据后读卡器会回复AA BB 06 00 00 00 0C 01 00 0D，表示天线已经打开。如果数据中出现AA BB，就会使读卡器误以为收到一个包头，为了避免这种情况，数据中如果出现AA 必须在下面添加一个00，必须强调，这个00不计算在数据长度中。 ISO14443标准中的B类非接触型智能卡介绍:B类智能卡协议是一个开放式的非接触式智能卡标准。所有的读写操作可以由应用系统的开发者定义。因此，它已被世界上众多的智能卡厂家接受。正由于B类卡具有开放性，每个厂家在具体设计、生产其本身的智能卡产品时，将会把其本身的一些保密特性融入其产品中，例如加密的算法，认证的方式等等，因此B卡具有很强的灵活性。SRI512智能卡是ST公司的ISO14443 B卡产品，它的天线收发协议满足ISO14443