智能物联网通信技术实验教程 课件 第6章 典型通信系统实验

第6章

典型通信系统实验CATALOGUE目录串口和ModbusZigbee蓝牙和星闪Wi-FiLoRa和5GNB-IoT4GCat.1串口与Modbus协议学习深入学习串口通信技术与Modbus协议的调试与应用，掌握工业自动化中的串口编程与Modbus通信技巧。风速值读取实现利用RS485串口与Modbus协议，实现从风速变送器中读取实时的风速值，应用于风能监测与控制系统开发。6.1串口和Modbus-实验内容RS485通信原理RS485采用差分信号传输，支持多点通信，通过测量两条线间的电压差确定传输的是“0”还是“1”，实现高效稳定的数据通信。Modbus协议Modbus是工业自动化常用的应用层协议，支持RS232、RS485和TCP/IP等多种通信方式，定义了设备地址、功能码、数据和校验等消息结构。Modbus在RS485上的应用在实验中，采用RS485接口实现ModbusRTU通信，RS-FS-N01风速变送器通过16位CRC校验确保数据完整。6.1串口和Modbus-实验原理USB转TTL模块实现USB接口与使用TTL电平信号的设备进行通信，将USB信号转换为TTL电平信号，适用于与微控制器或传感器等设备进行串行通信。USB转TTL模块发送方构建ModbusRTU请求帧，通过UART发送到TTL转RS485模块。模块转换信号后发送至风速变送器，变送器响应并构建帧通过RS485返回。通信流程将TTL电平信号转为RS485电平信号，连接USB转TTL模块、ESP32-C3核心板，实现上位机与ESP32-C3的TTL电平信号转化为RS485电平信号发送至风速变送器。TTL转RS485模块接收方解析返回的RS485信号，转换为TTL信号后通过UART接口获取风速数据，实现风速变送器与上位机之间的稳定可靠通信。风速数据获取6.1串口和Modbus-实验原理环境准备准备ESP32-C3核心板、磁吸扩展底板、TTL转485模块等硬件，以及VSCode+PlatformIO+Arduino开发环境，配置RS485参数工具。嵌入式终端软硬件设置设置RS-FS-N01风速变送器的地址与波特率，使用USB转TTL模块测试；查看ESP32-C3引脚配置，编写UART串口驱动，实现风速数据读取。烧录程序打开Arduino文件，选择对应开发板与端口，点击确定。点击工具，改变烧录配置，点击烧录，完成程序烧录。软硬件功能调试打开QCOM串口调试助手,设置波特率115200，监听串口。重启开发板，观察Zigbee连接成功。发送“ON”和“OFF”指令，观察灯的开关状态。6.1串口和Modbus-实验步骤串口调试测试使用USB转TTL模块通过RS485接口和ModbusRTU协议对RS-FS-N01风速变送器进行串口调试测试，实现数据通信。风速数据读取成功实现使用ESP32-C3核心板通过RS485接口和ModbusRTU协议读取RS-FS-N01风速变送器的风速数据，应用于风能监测。6.1串口和Modbus-实验结果6.2Zigbee协议-实验内容通过Zigbee技术建立一个无线通信网络，展示Zigbee在物联网中的高效组网能力，为物联网设备提供稳定可靠的无线连接。构建Zigbee网络使用Zigbee网络中的协调器节点以广播的形式向终端节点发送开关灯的指令，实现远程控制照明设备，提升生活便捷性。Zigbee灯控指令0102ESP32-C6性能概览ESP32-C6搭载160MHz的高性能RISC-V32位处理器，支持Wi-Fi6、Bluetooth5、Zigbee3.0、Thread1.3通讯协议，可接入多种通讯协议的物联网网络。ZigBee技术概述ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低功耗无线通信技术，专为自动控制和远程控制设计，适合于构建大规模设备网络，支持节点间的相互通信和扩展距离。Zigbee网络架构Zigbee无线传感网络的特点主要有低功耗、低成本、数据传输速率低、网络容量大、工作频段灵活、安全性高，由协调器、路由、终端节点组成。QCOM串口调试助手本实验选择以QCOM为串口调试工具使用USB转UART来实现上位机与ESP32-C6(协调器节点)之间的通信，便于监控通信过程及调试网络配置。Zigbee控制流程ESP32-C6作为主控，使用QCOM串口调试助手通过USB转UART向作为协调器节点的ESP32-C6发送指令，广播向网络中的终端节点发送指令。0304056.2Zigbee协议-实验原理硬件环境准备小灯驱动程序烧录程序至开发板软硬件功能调试E53_SC1与ESP32引脚软件环境配置使用2块ESP32-C6核心板、磁吸扩展底板、E53_SC1扩展板及磁吸扩展板，构建Zigbee实验硬件环境，为复杂网络拓扑提供基础。采用ArduinoIDE与QCOM_V1.6软件环境，为Zigbee实验提供跨平台开发与调试的便利，确保实验顺利进行。查看E53_SC1核心板引脚图以及ESP32-C6核心板引脚图，确定ESP32-C6的核心板的功能引脚定义，IO4->GPIO_OUTPUT(LED_SW)。编写Arduino工程中编写小灯驱动程序，包含对ESP_ZB_CONFIG、ESP_ZB_DEFAULT_RADIO_CONFIG、ESP_ZB_DEFAULT_HOST_CONFIG的设置。打开为协调器编写的Arduino文件，选择对应开发板与端口，点击确定，点击工具，改变其烧录配置，点击烧录。打开QCOM串口调试助手,设置波特率为115200，监听串口，观察串口输出，发送指令“ON”和“OFF”控制灯的开关。6.2Zigbee协议-实验步骤Zigbee网络构建成功成功建立了由ESP32-C6协调器和一个灯控节点组成的Zigbee网络，实现了设备间的稳定连接与数据通信。指令解析与广播通过串口发送的“ON”和“OFF”指令均被协调器正确解析，并通过广播方式发送给了灯控节点，实现远程控制照明设备。LED灯状态控制灯控节点成功接收到了来自协调器的指令，并根据指令控制外接LED灯的开关状态，完成远程控制照明设备的演示。6.2Zigbee协议-实验结果星闪SLE数据收发通过星闪SLE进行数据收发实验，实现高效无线通信，探索星闪技术的实际应用潜力。蓝牙BLE数据收发利用蓝牙BLE技术完成数据收发实验，旨在展示蓝牙的低功耗和高稳定性，推动蓝牙技术在物联网领域的应用。6.3蓝牙和星闪-实验内容星闪SLE模组开启广播，扫描并连接有效范围节点，发送数据实现通信；G节点管理T节点，提供接入层服务。星闪SLE通信流程蓝牙BLE设备通过发射接收信号传输数据，主模式设备可发起连接，从模式设备可接收连接。蓝牙BLE设备通信嵌入式终端通过UART接入星闪SLE模组，G节点发起连接，T节点接入传感器，实现信息收发架构。嵌入式终端接入方式蓝牙BLE设备连接后，可交换数据实现远程控制等功能，广泛应用于短距离无线通信场景中。蓝牙BLE数据传输6.3蓝牙和星闪-实验原理硬件环境STM32L431RCT6核心板、磁吸扩展底板、星闪SLE模组、ESP32-C3核心板。软件环境STM32CubeIDE1.14.1、QCOM_V1.6、VisualStudioCode-PlatformIO。STM32引脚配置PC0、PC1分别连接UART的TX和RX，5V和GND供电；确保引脚正确对应，实现稳定通信。6.3蓝牙和星闪-实验步骤嵌入式软件参数设置01设置时钟、LPUART模式为异步115200Bits/s，数据8Bits；确保设备正确运行。星闪SLE通信调试02使用AT指令集配置模组，实现扫描、连接、发送数据；通过串口事件了解通信状态。嵌入式软件烧录与调试03将程序写入STM32L4核心板，使用QCOM助手查看日志，确保程序正确执行并调试终端。6.3蓝牙和星闪-实验步骤123在PlatformIO中下载NimBLE库，编写ESP32-C3核心板代码以实现蓝牙BLE连接和数据传输。蓝牙BLE通信调试在物联网云平台创建组织、产品及设备，设置物模型和鉴权信息，确保设备数据上传。云平台配置与调试ESP32核心板通过WiFi将数据发送至云平台，更新物模型数据，确保数据实时同步。数据传输与调试6.3蓝牙和星闪-实验步骤星闪SLE传输日志记录STM32L4核心板接入星闪SLE模组传输数据至其他节点的QCOM调试日志。蓝牙BLE调试例程记录ESP36核心板使用蓝牙BLE传输数据的调试例程和发送数据成功案例。6.3蓝牙和星闪-实验结果6.4Wi-Fi-实验内容搭建Wi-Fi连接实验环境，包括路由器、接入点等，确保设备具备Wi-Fi功能，并配置好无线网设置。环境搭建通过Wi-Fi联网，使用MQTT协议实现设备与服务器间的数据收发，完成温度数据采集并上传至云端。数据收发通信模式Wi-Fi连接有STA模式、AP模式和STA+AP模式，嵌入式终端通过Wi-Fi的STA模式接入互联网，实现便捷的无线通信。接入物联网平台通过MQTT协议以直连设备的方式接入Thingskit物联网云平台，并实现温度数据上传。6.4Wi-Fi-实验原理硬件环境ESP32-C3核心板及配套磁吸扩展底板，提供灵活的物联网设备构建能力，适用于各种无线通信应用。软件环境QCOM_V1.6与VisualStudioCode搭配PlatformIO，为ESP32-C3开发提供强大支持，实现高效编程与调试。云平台Thingskit物联网平台，作为物联网解决方案的核心，提供设备连接、数据收集、分析以及远程控制等服务。6.4Wi-Fi-实验步骤Wi-Fi通信调试ESP32-C3核心板直连电脑，通过VSCodePlatformio下载WiFi通信库，编写WiFi+MQTT连云程序，实现稳定通信。上传数据至云平台将温度数据整理为JSON格式，通过MQTT客户端上传至云平台，实现远程监控与物联网云平台配置在物联网云平台创建组织、产品及物模型，添加设备并设置鉴权信息，确保设备能安全稳定地连接并上传数据。6.4Wi-Fi-实验步骤嵌入式软件烧录与调试将程序烧录至ESP32，通过QCOM串口调试助手监控日志，确保设备成功连接WiFi并稳定运行。数据上云验证检查云平台物模型数据更新，确保温度数据能实时同步至云端，验证物联网解决方案的有效性与可靠性。6.4Wi-Fi-实验步骤数据变化图记录详细记录ESP32核心板通过WiFi将数据传输至云平台的过程，并生成数据变化图，以直观展示数据传输的效果与稳定性。云平台数据同步测试设计测试用例，更改云平台数据时验证其是否同步更新，确保数据一致性，提升用户体验与应用可靠性。6.4Wi-Fi-实验结果实现基于LoRa的点对点通信实验，确保数据能够稳定地在两个LoRa模块间发送和接收。LoRa点对点收发设计LoRa温湿度数据传输实验，实时传输温湿度数据至接收端，验证其稳定性和准确性。LoRa温湿度传输基于LoRa技术进行广播实验，验证模块是否能够成功向周围设备广播数据并被接收。LoRa广播实验完成基于NB-IoT的数据传输实验，测试其在大范围物联网应用中的通信性能与效率。NB-IoT数据传输6.5LoRa和5GNB-IoT-实验内容6.5LoRa和5GNB-IoT-实验原理LoRa模块支持透明传输和定向传输，透明传输适用于相同地址和信道间的稳定数据传输；定向传输则实现不同地址和信道间的灵活通信，支持广播和监听模式。LoRa通信原理NB-IoT技术通过窄带调频、单载波调制、混合自动重传请求和快速调度机制，实现低功耗、广覆盖、大连接数的通信，支持独立及带内工作模式。NB-IoT通信原理准备STM32L431RCT6核心板、NB-IoT核心板、LoRa核心板及其配套磁吸扩展底板，并配置QCOM_V1.6和STM32CubeIDE1.14.1开发环境。环境准备通过配置STM32L4核心板与LoRa模组引脚、时钟、串口等参数，完成LoRa通信实验的硬件与软件设置，实现LoRa透传模式下的点对点、广播收发实验。LoRa通信实验编写并下载温湿度数据传输实验代码至STM32核心板，利用LoRa模组实时传输温湿度数据至接收设备，验证数据传输的稳定性和准确性。LoRa温湿度传输配置STM32L4核心板引脚与NB-IoT模组连接，设置嵌入式软件参数，并通过AT指令调试NB-IoT通信，实现模组入网并基于MQTT协议与Thingskit云平台交互。NB-IoT通信实验6.5LoRa和5GNB-IoT-实验步骤LoRa通信测试结果成功实现了LoRa点对点收发实验、广播实验以及温湿度数据传输实验，通过截图验证了LoRa通信的稳定性和数据传输的准确性。NB-IoT传输验证嵌入式终端成功通过5GNB-lOT技术接入互联网，并利用MQTT协议将烟雾浓度值实时传输至Thingskit物联网云平台，实现远程监控与数据交互。6.5LoRa和5GNB-IoT-实验结果理解4GCat.1技术实验首先要求我们了解4GCat.1通信技术的基本原理和特点，帮助掌握其核心概念和应用优势。实现设备云平台连接实验需要学习如何在设备和云平台之间通过4G网络基于MQTT协议的连接，实现数据的传输。6.64GCat.1-实验内容LTECat.1通信原理基于LTE技术，通过LTE网络进行数据传输，使用OFDMA和SC-FDMA技术，实现高效数据传输。将频谱划分成多个小的子载波，每个子载波之间正交且互不干扰，提高频谱的利用效率，减小多径干扰。利用多个天线在发送端和接收端之间传输多个独立的数据流，提高数据传输速度和系统容量，增强信号可靠性。4G使用高阶调制技术，如16QAM或64QAM，以在有限的频谱范围内传输更多的数据，带来更高的数据速率。支持快速切换和调度，使用户设备在移动时可以无缝切换到其他基站，确保在高速移动中的稳定连接。正交频分复用调制和解调软切换和快速调度多输入多输出6.64GCat.1-实验原理0102环境准备硬件环境需准备STM32L431RCT6核心板、4GCat.1核心板及磁吸扩展底板，软件环境需安装QCOM_V1.6和STM32CubeIDE1.14.1。嵌入式终端软硬件设置查看STM32L4核心板引脚图确定功能引脚定义，配置时钟频率、RCC、UART及LPUART总线，保存工程并生成基本代码。LTECat.1通信调试使用AT指令集配置4GLTECat.1模组网络，实现与Thingskit物联网云平台直连，编写函数进行MQTT协议通信。物联网云平台配置登陆物联网云平台，创建组织及产品，将STM32L4嵌入式终端模拟为光照传感器设备，配置物模型并创建对应设备。软件烧录与数据上云将嵌入式软件程序烧录至STM32L4核心板，使用QCOM串口调试助手查看程序执行日志，调试嵌入式终端。0304056.64GCat.1-实验步骤成功接入云传输嵌入式终端成功通过4GLTECat.1技术将设备接入互联网，并通过MQTT协议接入Thingskit物联网云平台且将光照值传输到云平台上。数据传输变化图记录STM32L4核心板通过4GLTECat.1传输数据至云平台的数据变化图，可以直观地展示数据传输的实时性和稳定性。6.64GCat.1-实验结果6.7RedCap-实验内容学习使用5GRedCap技术实现拨号驻网，掌握RedCap在5G网络中的连接与管理。学习拨号驻网利用MQTT协议连接云平台，进行驻网验证，确保5GRedCap设备成功接入并稳定运行。驻网验证连接