EL-IOT-II实验箱使用说明书V2(3)

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书 11

第三节 物联网无线传感（ZigBee）感知系统

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee在整个协议栈中处于网络层的位置，其下是由IEEE 802.15.4规范实现PHY（物理层）和MAC（媒体访问控制层），对上ZigBee提供了应用层接口。

ZigBee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（WSN）的组网以及其他无线应用。ZigBee工作于2.4 GHz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作6～24个月。除此之外，它还具有很高的可靠性和安全性。这些优点使基于ZigBee的WSN广泛应用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。

ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee联盟还开发了安全层。

节点类型

在Zigbee网络中，节点分为三种类型：协调者、路由器和终端节点。其中ZigBee 协调者（coord）为协调者节点，每个ZigBee网络必须有一个。他的主要作用是初始化网络信息。ZigBee 路由器（router）为路由节点，他的作用是提供路由信息。ZigBee 终端节点（rfd为终端节点），它没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。

层的概念

在Zigbee中有几个层的概念是比较重要的。ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。

每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。 （1）物理层（PHY）

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。

物理层内容：

1)ZigBee的激活；

2)当前信道的能量检测； 3)接收链路服务质量信息； 4)ZigBee信道接入方式； 5)信道频率选择； 6)数据传输和接收。

（2）介质接入控制子层（MAC）

MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。

MAC层功能：

1）网络协调器产生信标；

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2）与信标同步；

3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开； 4）为设备的安全性提供支持；

5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制； 6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；

7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。 （3）网络层

ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、 接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。

网络层功能： 1)网络发现； 2)网络形成； 3)允许设备连接； 4)路由器初始化； 5)设备同网络连接；

6)直接将设备同网络连接； 7)断开网络连接； 8)重新复位设备； 9)接收机同步； 10)信息库维护。 （4）应用层

ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。

应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。

ZigBee设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。

ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

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第四节 物联网RFID射频感知系统

物联网RFID是指把射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物联网RFID通过在物品上嵌入电子标签、条形码等能够存储物体信息的标识，通过无线网络的方式将其即时信息发送到后台信息处理系统，而各大信息系统可互联形成一个庞大的网络。从而可达到对物品进行实施跟踪、监控等智能化管理的目的。通俗来讲，物联网RFID可实现人与物之间的信息沟通。

物联网RFID感知层，主要实现标识、识别功能；其中，采用射频识别（RFID）技术、NFC技术实现物体的标识功能，采用传感器技术实现物体的识别、感知功能。传输层，主要实现信息的传输，采用无线网络技术、互联网技术。其中，感知识别是一个基础，网络传输是一个平台，是一个支撑，智能应用是一个标志和体现。

在物联网中，系统应用流程如下：

(1)对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测；

(2)识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式； (3)将物体的信息通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算。

物联网主要涉及电子标签、传感器、芯片及智能卡等三大领域，而在对传感网技术的开发和市场的拓展中，其中非常关键的技术之一是RFID技术。实质是利用RFID技术结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器Reader和无数移动的标签Tag组成比互联网更为庞大的物联网，因此RFID技术成为物联网发展的排头兵。

RFID技术的工作原理是：电子标签进入读写器产生的磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

美国政府是RFID应用的积极推动者，在其推动下美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。目前，美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的RFID产品，RFID被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车及火车交通监控、高速公路自动收费系统、停车场管理系统、物品管理、流水线生产自动化、安全出入检查、仓储管理、动物管理、车辆防盗等场合。随着RFID技术的发展演进以及成本的迅速降低，RFID技术应用领域不断拓展，产业规模正处于高速增长期。

目前，我国RFID企业总数虽然超过100家，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频RFID方面。从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看，低高频RFID技术门槛较低，国内发展较早，技术较为成熟，产品应用广泛，目前处于完全竞争状况。

在物联网 rfid的概念中，所有物体可以通过Intenet主动进行交互，除了互联网外，主要涉及RFID技术、传感器技术、智能嵌入技术、微波/纳米技术等。预计物联网 rfid是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。物联网rfid技术是物联

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网中关键技术之一。以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。

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第二章 系统组成

一、硬件平台

1、硬件组成

从硬件角度看，系统由4大部分组成：位于最底层的传感器采集节点、中间的路由节点、将数据传送到PC机的协调器节点以及PC机几个平台。系统框图如图2-1所示：

PCUART/USB协调器(LM3S9B96)ZigBee路由1路由2路由3ZigBeeZigBeeZigBee采集节点1采集节点2采集节点3采集节点4采集节点5采集节点6图2-1 系统框图

从上图可以看到，除协调器与PC机的通讯可采用以太网或USB外，其他各个部分之间都采用ZigBee网络。整个系统除了PC机外的其他部分都采用当前最流行的低功耗、小封装的Cortex-M3芯片做主控芯片。其中的终端节点和路由节点采用LM3S811，汇聚节点采用内部集成以太网和USB控制器的LM3S6952或LM3S9B96，终端节点除ZigBee部分进行数据传输外，还有不同的传感器信号处理部分。具体见下面介绍。

2、主要器件介绍 ? Cortex-M3简介

ARM公司于2005年推出了Cortex-M3内核，就在当年ARM公司与其他投资商合伙成立了Luminary（流明诺瑞）公司，由该公司率先设计、生产与销售基于Cortex-M3内核的ARM芯片——Stellaris（群星）系列ARM。

Cortex-M3内核是ARM公司整个Cortex内核系列中的微控制器系列（M）内核，还是其它两个系列分别是应用处理器系列（A）与实时控制处理系列（R），这三个系列又分别简称为A、R、M系列，当然这三个系列的内核分别有各自不同的应用场合。

Cortex-M3内核主要是应用于低成本、小管脚数和低功耗的场合，并且具有极高的运

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