《单片机与物联网技术应用实战教程》课件-第4章　物联网IOT的应用

1-5主编1-5第4章物联网IOT的应用4.1无线传感网络的起源与发展4.2短距离无线通信技术性能的比较4.3智能硬件的无线技术格局4.4智能硬件WiFi模块的开发4.5本章小结1-5第4章物联网IOT的应用4.1无线传感网络的起源与发展WSN起源于20世纪70~80年代,美国国防部高级

研究计划局(DARPA)大力发展军事领域中低功

耗、低成本、分布式的现代化无线传感网络技

术,如早期著名的声音监测系统SOSUS(Sound

SurveillanceSystem)、空中预警与控制系统1-5第4章物联网IOT的应用AWACS(Air-borneWarningandControlSystem)

等。军事领域的诸多项目推动了无线传感网络

在操作系统、采集感知、逻辑判断、无线通

信、容错性能等技术瓶颈方面的突破,逐渐从军

事向工业民用领域转型。21世纪,电系统

MEMS、片上系统SOC、低功耗微电子和无线

通信等技术决定了WSN的自组织、低成本、低1-5第4章物联网IOT的应用功耗等独特优势,在智能建筑、自然灾害、环境

监测、现代农业、石油勘探、医疗护理、智能

交通等领域都有着广阔的应用前景,也推动了家

庭自动化的发展。4.2短距离无线通信技术性能的比较无线通信(WirelessCommunication)是利用空间1-5第4章物联网IOT的应用中的电磁波信号实现数据信息的交互方式,按传

输媒介分为光通信、微波通信、声波通信等;按

频段分为卫星频段、ISM频带、陆地频段、航

空频带等;按协议标准分为ZigBee、WiFi、

WLAN、Bluetooth、Z-Wave、WiMAX、

UWB、WUSB、GPRS等。无线传感网络具体如

何选择协议标准,需从应用场合、应用目的等多1-5第4章物联网IOT的应用角度考虑,综合比较它们的性能、成本、功耗等

各方面的优劣势。短距离无线通信技术性能比

较见表4-1。1-5第4章物联网IOT的应用表4-1短距离无线通信技术性能比较1-5第4章物联网IOT的应用图4-1无线通信技术的信噪比抗干扰性能测试1-5第4章物联网IOT的应用4.3智能硬件的无线技术格局随着智能终端的普及,产业、技术与市场的成熟,

加之国际品牌大厂的推动,物联网(IOT)、智能家

居、智能安防已经开始走进人们的生活,它已经

不再是一个炙手可热的概念,而是一批批不1-5第4章物联网IOT的应用图4-2无线智能安防控制系统架构1-5第4章物联网IOT的应用1.WiFi基础设施2.ZigBee连接手段用于低速率、低功耗场合,比如无线传感器网络,适用于工业控

制、环境监测、智能家居控制等领域。现有的主要问题:推广难

度大(需要网关连接网络,安装调试等综合成本高),产品成本高,网

络延时不可控。3.蓝牙(Bluetooth)移动设备1-5第4章物联网IOT的应用目前,全球有超过30亿个蓝牙设备,其总数远远超过了WiFi和Zig-

bee设备的总量,蓝牙的领延伸到手机、游戏机、耳机、笔记本、

汽车等很多领域,蓝牙4.0的推出,让蓝牙的应用领域更为拓广,现有

的主要问题是组网能力差。4.3.1WiFi技术WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终

端以无线方式互相连接的技术。WiFi是一个无线网路通信1-5第4章物联网IOT的应用技术的品牌,由WiFi联盟(WiFiAlliance)所持有。目的是改善

基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性。与蓝

牙一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术,但

在电波的覆盖范围方面要略胜一筹。WiFi的覆盖范围则可

达300英尺左右(约合90m),1-5第4章物联网IOT的应用图4-3WiFi无线技术渗透图1-5第4章物联网IOT的应用4.3.2Bluetooth(蓝牙)技术蓝牙(Bluetooth)使用2.4~2.485GHz的ISM波段无线电波,实现

固定设备、移动设备和楼宇个人局域网之间的短距离数据

交换。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制,

当时是作为RS232数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设

备,克服了数据同步的难题。1-5第4章物联网IOT的应用图4-4WiFi、USB、Bluetooth之间的传输速率比较1-5第4章物联网IOT的应用1.蓝牙4.0技术解析蓝牙4.0是2012年最新蓝牙版本,是3.0的升级版本;较3.0版本更省

电、成本低、3ms低延迟、超长有效连接距离、AES-128加密等;

通常用在蓝牙耳机、蓝牙音箱等设备。2.蓝牙4.1技术解析传输速率更快。1-5第4章物联网IOT的应用3.蓝牙系统组成蓝牙系统一般由以下4个功能单元组成:天线单元、链路控制(固

件)单元、链路管理(软件)单元和蓝牙软件(协议)单元。4.3.3ZigBee技术ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速

率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术,是一组基

于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用1-5第4章物联网IOT的应用软件方面的通信技术。ZigBee联盟于2005年公布了第一份

ZigBee规范“ZigBeeSpecificationV1.0”。ZigBee协议规范

使用了IEEE802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问层

(MAC),并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架

构。1-5第4章物联网IOT的应用图4-5ZigBee无线技术应用行业1-5第4章物联网IOT的应用图4-6ZigBee网络节点类型分布图4.3.4Z-Wave技术1-5第4章物联网IOT的应用Z-Wave是由丹麦公司Zensys主导的无线组网规格,Z-wave联

盟(Z-waveAlliance)虽然没有ZigBee联盟强大,但是Z-wave联

盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商,目前

该联盟已经具有160多家国际知名公司,范围基本覆盖全球各

个国家和地区。Z-Wave联盟logo1-5第4章物联网IOT的应用图4-7Z-Wave联盟logo1-5第4章物联网IOT的应用4.4智能硬件WiFi模块的开发WiFi-LPB100系列产品用于实现串口到WiFi数

据包的双向透明转发,用户无需关心具体细节,模

块内部完成协议转换,串口一侧串口数据透明传

输,WiFi网络一侧是TCP/IP数据包,通过简1-5第4章物联网IOT的应用图4-8WiFi-LPT100/LPB100模块示意图a)WiFi-LPT100模块图b)WiFi-LPB100模块1-5第4章物联网IOT的应用4.4.1WiFi功能特点•单流WiFi@2.4GHz,支持WEP、WPA/WPA2安全模式;4.4.2WiFi模块硬件参数的描述WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模块技术参数见表4-2。1-5第4章物联网IOT的应用表4-2WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模块技术参数1-5第4章物联网IOT的应用表4-2WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模块技术参数1-5第4章物联网IOT的应用表4-2WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模块技术参数1-5第4章物联网IOT的应用4.4.3WiFi-LPT100引脚定义WiFi-LPT100外观及引脚如图4-9和图4-10所示,其模块引脚

功能定义见表4-3。1-5第4章物联网IOT的应用图4-9WiFi-LPT100外观图1-5第4章物联网IOT的应用图4-10WiFi-LPT100引脚定义1-5第4章物联网IOT的应用表4-3WiFi-LPT100模块引脚功能定义1-5第4章物联网IOT的应用表4-3WiFi-LPT100模块引脚功能定义1-5第4章物联网IOT的应用图4-11WiFi-LPB100引脚定义1-5第4章物联网IOT的应用4.4.4WiFi-LPB100引脚定义WiFi-LPB100引脚分布如图4-11所示。1-5第4章物联网IOT的应用表4-4WiFi-LPB100模块引脚定义1-5第4章物联网IOT的应用表4-4WiFi-LPB100模块引脚定义1-5第4章物联网IOT的应用表4-4WiFi-LPB100模块引脚定义1-5第4章物联网IOT的应用表4-4WiFi-LPB100模块引脚定义4.4.5WiFi-LPB100电气特性1-5第4章物联网IOT的应用WiFi-LPB100的电气特性见表4-5。1-5第4章物联网IOT的应用表4-5WiFi-LPB100电气特性1-5第4章物联网IOT的应用表4-6WiFi-LPB100供电和功耗4.4.6WiFi-LPT100/WiFi-LPB100机械尺寸和天线WiFi-LPT100机械尺寸(单位:mm)如图4-12所示。1-5第4章物联网IOT的应用图4-12WiFi-LPT100机械尺寸1-5第4章物联网IOT的应用图4-13WiFi-LPT100外置天线接头示意1-5第4章物联网IOT的应用表4-7WiFi-LPT100外置天线参数要求1-5第4章物联网IOT的应用图4-14WiFi-LPB100机械尺寸1-5第4章物联网IOT的应用4.4.7WiFi-LPB100工作模式模块共有三种工作模式:透传模式、命令模式、PWM/GPIO

模式。工作模式的切换方法如下。1.透传模式在该模式下,模块实现串口与网络之间的透明传输,实现通用串口

设备与网络设备之间的数据传递。串口透明传输模式的优势在于

可以实现串口与网络通信的即插即用,从而最大程度地降低用户1-5第4章物联网IOT的应用使用的复杂度。模块工作在透明传输模式时,用户仅需要配置必

要的参数,即可实现串口与网络的通信。上电后,模块自动连接到

已配置的无线网络和服务器。透明传输模式完全兼容用户自己的

软件平台,减少了集成无线数据传输的软件开发工作量。2.命令模式在该模式下,用户可通过AT命令对模块进行串口及网络参数查询

与设置。在命令模式下,模块不再进行透传工作,此时串口用于接

收AT命令,用户可以通过串口发送AT命令给模块,用于查询和设1-5第4章物联网IOT的应用置模块的串口、网络等相关参数。从透传进入命令模式的方法以

及AT命令的详解请见AT命令。3.PWM/GPIO模式在该模式下,用户可通过网络命令实现对PWM/GPIO的控制。4.4.8无线组网方式WiFi-LPT100/WiFi-LPB100无线模块有三种配置模式:1-5第4章物联网IOT的应用STA、AP、AP+STA,如图4-15所示,可以为用户提供十分灵

活的组网方式和网络拓扑方法。1-5第4章物联网IOT的应用图4-15WiFi-LPB100的STA组网结构(STA)1-5第4章物联网IOT的应用图4-16WiFi-LPB100的AP组网结构1-5第4章物联网IOT的应用4.4.9Socket通信WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模块有两个TCPSocket:Socket

A和SocketB。向模块串口写入的数据,模块会自动向

SocketA和B同时发送;模块通过SocketA或B接收的数

据,都通过串口发送出来。通过对双Socket的不同设定,可以

实现多种网络互连方式。在模块出厂设置时,只打开Socket

A,SocketB默认是不做连接的,如果用户需要使用,请用AT

命令设定。1-5第4章物联网IOT的应用图4-17多TCP链接数据传输图示4.4.10网页配置模块参数1.Web管理页面介绍1-5第4章物联网IOT的应用首次使用WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模块时,需要对该模块进行一

些配置。用户可以通过PC连接WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模块的

AP接口,并用Web管理页面配置。默认情况下,WiFi-LPT100/WiFi-

LPB100的AP接口SSID、IP地址、用户名、密码见表4-8。1-5第4章物联网IOT的应用表4-8WiFi-LPT100/WiFi-LPB100网络默认设置表2.打开管理网页首先用PC的无线网卡连接WiFi-LPT100/WiFi-LPB100,等连接好

后,打开IE浏览器,在地址栏输入54,回车出现登1-5第4章物联网IOT的应用录页面如图4-18所示。在弹出来对话框填入用户名和密码,然后

“OK”。网页会出现WiFi-LPT100/WiFi-LPB100的管理页面。

如图4-19所示,WiFi-LPT100/WiFi-LPB100管理页面支持中文和英

文,可以在右上角选择。菜单分9个页面,分别为“系统信息”

“模式选择”“STA设置”“AP设置”“其他设置”“账号

管理”“软件升级”“重启模组”及“恢复出厂”。1-5第4章物联网IOT的应用图4-18管理登录页面3.系统信息页面1-5第4章物联网IOT的应用管理登录页面单击“OK”后,出现系统信息页面如图4-19所示。1-5第4章物联网IOT的应用图4-19系统信息页面1-5第4章物联网IOT的应用4.模式选择页面WiFi-LPT100/WiFi-LPB100模组即可以作为无线接入点(AP模式)

方便用户对设备进行配置,也可以作为无线信息终端(STA模式)通

过无线路由器连接远程服务器。更可以配置成AP+STA模式,给用

户的使用提供了灵活的组网方式。如图4-20所示。5.STA设置页面在本页面,用户可以单击[搜索]按钮自动搜索附近的无线接入点,并1-5第4章物联网IOT的应用通过网络参数连接上它。这里提供的加密等信息一定要和对应的

无线接入点一致才正确连接,如图4-21所示。1-5第4章物联网IOT的应用图4-20模式选择页面1-5第4章物联网IOT的应用图4-21STA设置页面1-5第4章物联网IOT的应用图4-22AP设置页面1-5第4章物联网IOT的应用6.AP设置页面当用户选择模块工作在AP或AP+STA模式时,需要设置本页无线

和网络参数。大多数系统支持DHCP自动获取IP,建议您设定局域

网参数DHCP类型为“服务器”,否则,相应的STA需手动输入网络

参数。如图4-22所示。7.恢复出厂页面恢复出厂设置后,所有用户的配置都将删除,模块自动恢复到AP模1-5第4章物联网IOT的应用式,用户可以通过54来重新配置,登录用户名和口

令都是admin,如图4-23所示。1-5第4章物联网IOT的应用图4-23AP设置页面1-5第4章物联网IOT的应用4.4.11串口AT命令配置参数AT+指令是指在命令模式下用户通过串口与模块进行命令

传递的指令集,后面将详细地讲解模块各工作模式的切换方

法以及具体AT+指令的使用格式。1-5第4章物联网IOT的应用图4-24WiFi-LPT100/WiFi-LPB100默认UART参数1-5第4章物联网IOT的应用1.工作模式的切换从透传模式切换到命令模式需要以下两个步骤:1-5第4章物联网IOT的应用图4-25串口无回显1-5第4章物联网IOT的应用图4-26+++与a的时序要求1-5第4章物联网IOT的应用图4-27AT+H列出所有指令示意图1-5第4章物联网IOT的应用2.AT+指令集概述AT+指令可以直接通过超级终端等串口调试程序进行输入,也可以

通过编程输入。如图4-27所示,通过SecureCRT工具,AT+H是一条

帮助指令,列出所有的指令及说明。1-5第4章物联网IOT的应用表4-9错误码列表3.AT+指令集详解AT+指令集见表4-10。1-5第4章物联网IOT的应用表4-10AT+指令集1-5第4章物联网IOT的应用表4-10AT+指令集1-5第4章物联网IOT的应用表4-10AT+指令集1-5第4章物联网IOT的应用表4-10AT+指令集1-5第4章物联网IOT的应用4.4.12WiFi-LPB100快速入