物联网及ZigBee（共9篇）
物联网及ZigBee 篇1
0 引言
物联网可以说是在计算机、互联网、移动通讯之后的第三次信息化革新。互联网的快速发展在很大的程度上改变了人们的生活方式, Zig Bee协议以及互联网TCP/IP思维协议族在很大的程度上还并不能有效的兼容, 不过网关是链接异构网络的设备, 这也正吸引着更多的研究者。
1 分析网关的基础需求
最典型的物联网运用系统构造是从下到上的排列层次, 依次是感知层、传送层、应用层。感知层的主要用途就是采集数据与无线传送。传送层使用目前的Wi Fi、2G/3G以及宽带等通讯技术, 拓宽感知层数据传送的距离, 呈现感知网络及通讯网络的有效融合。使用层主要就是负责数据加工处理, 给用户提供丰富的服务, 这也是物联网最大的目的。中间的传送层就是物联网网关的所在处, 链接传感网络以及传统通讯网络, 它的功能有协议转换、数据收发以及传感网络管理。
1.1 协议转换的功能
网关的基本功能就是呈现不同的协议间转换。在收到Zig Bee节点处传送过来的数据后, 网关依照Zig Bee协议规则进行PHY层、MAC层以及网络层包头的剔除, 并对应用层的数据进行合理化处理, 再依照TCP/IP协议的标准进行重新数据封装, 并利用太网将其发出。反方向的数据传送也与这样的过程相同。所以, 网关要同时具备Zig Bee与TCP/IP这两类协议栈。协议转换过程, 如图1所示。
1.2 数据收发的功能
网关是交流传感网络及通讯网络的桥梁, 可以将众多的数据进行有效的中转。网关会将Zig Bee上传的数据进行有效的处理并送达IP网络主机, 一样的IP网络数据以及控制指令也能利用网关到达相关的Zig Bee节点处。
1.3 传感器网络管理功能
Zig Bee网关也应该呈现Zig Bee网络相应的管理, 保持网络的拓扑构造, 在节点离开的时候对地址进行回收。
2 网关的相关设计
2.1 需要的硬件分析
(1) 网关硬件整体设计是利用双COU的构造, 也包括Zig Bee模块及CC2530芯片与主控模块中的龙芯1号芯片。设计中两个模块利用了Zig Bee的开发套件以及龙芯1B的开发板, 调节器以及龙芯1B的开发板进行连接, 同时呈现网关的功能。硬件整体设计, 如图2所示。
(2) 在TI单位CC2530利用单片集成SOC的设计方案, 把射频收发器、工业加强型51单片机核以及Zstack协议栈融合在一个芯片上。Zstack协议栈比某些开源协议栈更完善稳定。TI单位目前已经将Zstack的下载与使用呈现免费的状态, 这很大程度上降低了成本。
(3) 以MIPS精简命令集龙芯1号芯片为基准, 主频在200~233MHz, 能配置到266MHz, 也可以满足网关对处理器性能的要求, 比主流的ARM系列芯片更具性价比。1B的开发板外设相对来说比较丰富, 以便于调节与开发。
(4) 该设计中利用UART串口进行CC2530与龙芯1B的链接。物联网中的节点采集最多的就是某些温度、电压等传感器数据, 对传输的效率没有过高的要求, 利用串口就能满足基本上的要求。
2.2 需要的软件分析
(1) 软件设计是以嵌入式Linux操作体系以及Zstack协议栈为基准, 依照需求分析来确定网关的各类功能模块。网关软件的构造以及跟IP网络主机、Zig Bee网络的节点间的交换, 如图3所示。
(2) Linux操作体系的开放源码、模块设计, 可以支撑各类硬件, 内核能依照需求进行相对的裁剪, 十分适合处理器性能、储存空间有限的嵌入式设施。Linux内核自身对TCP/IP协议栈就提供相应的支持, 还供给多线程、进程之间通讯等体制, 能呈现比较复杂的功能。
(3) 嵌入式Linux体系以及Zstack也都提供串口的驱动, 并调用相对的串口API就能呈现对串口读写操作, 以便于开发利用。
3 软件不同模块的分析
3.1 内部通讯模块
Zig Bee网络内部有一定的终端节点、路由器、协调器这三类节点。跟网关的主控模块链接的Zig Bee模块呈现总体的Zig Bee网络调节器, 主要是Zig Bee网络管理, 它包括网络的构建、入网申请处理等功能以及数据的收发, 它包括Zig Bee网络数据的接收, 并解封装将数据传送至网关的主控位置, 还对网关的主控模块相应数据, 依照Zig Bee协议准则进行相对的封装, 再传发到Zig Bee网络。
3.2 网关主控模块
3.2.1 Zig Bee模块之间的交互
(1) 主控模块以及Zig Bee模块利用串口链接, 对嵌入式Linux体系内核裁剪时, 把串口的驱动模块融入内核中。Linux对串口的相应操作能利用操作相对的设施文件进行, 并对open () 、read () 、write () 这类函数会对串口设施文件实行一定的操作, 从而完成串口的设置与数据通讯。 (2) 最开始的标志是0x FE, 帧长度是目的地址、命令ID、数据长度、节点数据等frame的长度, 节点数据包含了节点的温度、电压、父节点地址。命令类以及命令ID是依照运用的需求进行定义的, 且节点数据的内容可以依照需求进行相对的变化, 长度是由数据的长度字段来确定的。
3.2.2 IP网络的交互
(1) TCP/IP的socket可以区分为流式、数据报式、原始scoket这三种。设计利用TCP协议流式socket为基准, 利用C/S模型呈现网关以及IP网络用户端的指令与数据之间的交互。 (2) 网关的主控模块各自用一个线程来呈现以上陈述的两方面工作, 以提升体系的并发性。多线程程序的实现过程中一定要重视对线程同步以及互斥等问题的解决。
4 结语
Zig Bee网络以及IP网络的有效结合关系到物联网以后的进展, 在无线传感器网络中各类传感设施能在很大的程度上将人们的感知领域以及范围进行合理化的延伸和拓展。在未来的社会中, 网络不止是人与人之间的信息交流通道, 更是人与物、物与物之间进行一定程度上联络的平台, 促使人们生活逐步地趋向智能化与便利化。
摘要：随着传感器、无线通信、嵌入式体系等技术的发展, 物联网已被广泛地应用于如仓库物流、智能电网、公共安防等多个领域中, 它拥有着极大的应用前景, 被视为计算机网络以及移动通讯网络之后的第三次信息化革新。
关键词：物联网,无线传感器,ZigBee,网关
参考文献
[1]杜强, 罗铭, 胡方明.基于FPGA的嵌入式ZigBee网关的设计与实现[J].物联网技术, 2013 (7) .
[2]吴庆光, 邱国超, 潘维松.基于ARM9的物联网网关设计与实现[J].科技广场, 2014 (4) .
[3]胡国珍, 王泉, 魏旻.基于ZigBee的工业无线网关研究[J].单片机与嵌入式系统应用, 2009 (05) .
物联网及ZigBee 篇2
物联网的出现极大地改善了目前的生活方式，其发展前景广阔。物联网把生活拟人化了，万物成了人的同类。在这个物物相联的世界中，物品能够彼此进行交流，而无需人的干预。它的出现，成为了一场科技革命。物联网使物品和服务功能都发生了质的飞跃，强大的功能给使用者带来进一步的效率、便利和安全，由此形成的新兴产业。下面就我对物联网技术的发展与现状浅谈以下几点。
一、什么是物联网技术
物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of things”。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体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网技术的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
二、物联网技术的发展背景及历史
1：物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售——Networked Coke Machine。
2：1999年 在美国召开的移动计算和网络国际会议首先提出物联网(Internet of Things)这个概念；是1999年MIT Auto-ID中心的Ashton教授在研究RFID时最早提出来的。提出了结合物品编码、RFID和互联网技术的解决方案。当时基于互联网、RFID技术、EPC标准，在计算机互联网的基础上，利用射频识别技术、无线数据通信技术等，构造了一个实现全球物品信息实时共享的实物互联网“Internet of things”（简称物联网），这也是在2003年掀起第一轮华夏物联网热潮的基础。
传感网是基于感知技术建立起来的网络。中科院早在1999年就启动了传感网的研究，并已取得了一些科研成果，建立了一些适用的传感网。1999年，在美国召开的移动计算和网络国际会议提出了，“传感网是下一个世纪人类面临的又一个发展机遇”。
3：2003年，美国《技术评论》提出传感网络技术将是未来改变人们生活的十大技术之首。4：2005年11月17日，在突尼斯举行的信息社会世界峰会（WSIS）上，国际电信联盟（ITU）发布《ITU互联网报告2005：物联网》，引用了“物联网”的概念。物联网的定义和范围已经发生了变化，覆盖范围有了较大的拓展，不再只是指基于RFID技术的物联网。报告指出，无所不在的“物联网”通信时代即将来临，世界上所有的物体从轮胎到牙刷、从房屋到纸巾都可以通过因特网主动进行交换。射频识别技术（RFID）、传感器技术、纳米技术、智能嵌入技术将到更加广泛的应用。
根据ITU的描述，在物联网时代，通过在各种各样的日常用品上嵌入一种短距离的移动收发器，人类在信息与通信世界里将获得一个新的沟通维度，从任何时间任何地点的人与人之间的沟通连接扩展到人与物和物与物之间的沟通连接。物联网概念的兴起，很大程度上得益于国际电信联盟2005 年以物联网为标题的互联网报告。然而，ITU的报告对物联网缺乏一个清晰的定义。
虽然目前国内对物联网也还没有一个统一的标准定义，但从物联网本质上看，物联网是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。物联网技术被称为是信息产业的第三次革命性创新。物联网的本质概括起来主要体现在三个方面：一是互联网特征，即对需要联网的物一定要能够实现互联互通的互联网络；二是识别与通信特征，即纳入物联网的“物”一定要具备自动识别与物物通信（M2M）的功能；三是智能化特征，即网络系统应具有自动化、自我反馈与智能控制的特点。
5：2008年后，为了促进科技发展，寻找经济新的增长点，各国政府开始重视下一代的技术规划，将目光放在了物联网上。在中国，同年11月在北京大学举行的第二届中国移动政务研讨会“知识社会与创新2.0”提出移动技术、物联网技术的发展代表着新一代信息技术的形成，并带动了经济社会形态、创新形态的变革，推动了面向知识社会的以用户体验为核心的下一代创新（创新2.0）形态的形成，创新与发展更加关注用户、注重以人为本[3]。而创新2.0形态的形成又进一步推动新一代信息技术的健康发展。
6：2009年１月２８日，奥巴马就任美国总统后，与美国工商业领袖举行了一次“圆桌会议”，作为仅有的两名代表之一，ＩＢＭ首席执行官彭明盛首次提出“智慧地球”这一概念，建议新政府投资新一代的智慧型基础设施。当年，美国将新能源和物联网列为振兴经济的两大重点；
2009年2月24日2009 IBM论坛上，IBM大中华区首席执行官钱大群.公布了名为“智慧的地球”的最新策略。此概念一经提出，即得到美国各界的高度关注，甚至有分析认为ＩＢＭ公司的这一构想极有可能上升至美国的国家战略，并在世界范围内引起轰动。ＩＢＭ认为，ＩＴ产业下一阶段的任务是把新一代ＩＴ技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成物联网。在策略发布会上，IBM还提出，如果在基础建设的执行中，植入“智慧”的理念，不仅仅能够在短期内有力的刺激经济、促进就业，而且能够在短时间内为中国打造一个成熟的智慧基础设施平台。IBM希望“智慧的地球”策略能掀起“互联网”浪潮之后的又一次科技产业革命。IBM前首席执行官郭士纳曾提出一个重要的观点，认为计算模式每隔15年发生一次变革。这一判断像摩尔定律一样准确，人们把它称为“十五年周期定律”。1965年前后发生的变革以大型机为标志，1980年前后以个人计算机的普及为标志，而1995年前后则发生了互联网革命。每一次这样的技术变革都引起企业间、产业间甚至国家间竞争格局的重大动荡和变化。而互联网革命一定程度上是由美国“信息高速公路”战略所催熟。20世纪90年代，美国克林顿政府计划用20年时间,耗资2000亿-4000亿美元,建设美国国家信息基础结构，创造了巨大的经济和社会效益。
而今天，“智慧的地球”战略被不少美国人认为与当年的“信息高速公路”有 许多相似之处，同样被他们认为是振兴经济、确立竞争优势的关键战略。该战略能否掀起如当年互联网革命一样的科技和经济浪潮，不仅为美国关注，更为世界所关注。
2009年8月温家宝总理在视察中科院无锡物联网产业研究所时，对于物联网应用也提出了一些看法和要求。自温总理提出“感知中国”以来,物联网被正式列为国家五大新兴战略性产业之一，写入“政府工作报告”，物联网在中国受到了全社会极大的关注，其受关注程度是在美国、欧盟、以及其他各国不可比拟的。物联网的概念与其说是一个外来概念，不如说它已经是一个“中国制造”的概念，他的覆盖范围与时俱进，已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围，物联网已被贴上“中国式”标签。
截至2010年，发改委、工信部等部委正在会同有关部门，在新一代信息技术方面开展研究，以形成支持新一代信息技术的一些新政策措施，从而推动我国经济的发展
三、物联网技术的特征
和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不断更新数据。其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量及其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。
还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。
三、物联网技术的用途
物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。
国际电信联盟于曾描绘“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等。物联网在物流领域内的应用则比如：一家物流公司应用了物联网系统的货车，当装载超重时，汽车会自动告诉你超载了，并且超载多少，但空间还有剩余，告诉你轻重货怎样搭配；当搬运人员卸货时，一只货物包装可能会大叫“你扔疼我了”，或者说“亲爱的，请你不要太野蛮，可以吗？”；当司机在和别人扯闲话，货车会装作老板的声音怒吼“笨蛋，该发车了！” 物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群，能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。
毫无疑问，如果“物联网”时代来临，人们的日常生活将发生翻天覆地的变化。然而，不谈什么隐私权和辐射问题，单把所有物品都植入识别芯片这一点现在看来还不太现实。人们正走向“物联网”时代，但这个过程可能需要很长的时间。
四、物联网技术在中国的发展
物联网在中国迅速崛起得益于我国在物联网方面的几大优势： 第一，我国早在1999年就启动了物联网核心传感网技术研究，研发水平处于世界前列；第二，在世界传感网领域，我国是标准主导国之一，专利拥有量高；第三，我国是目前能够实现物联网完整产业链的国家之一；第四，我国无线通信网络和宽带覆盖率高，为物联网的发展提供了坚实的基础设施支持；第五，我国已经成为世界第三大经济体，有较为雄厚的经济实力支持物联网发展。
2009年10月24日，在中国第四届中国民营科技企业博览会上，西安优势微电子公司宣布：中国的第一颗物联网的中国芯——“唐芯一号”芯片研制成功，中国已经攻克了物联网的核心技术。唐芯一号芯片是一颗2.4G超低功耗射频可编程片上系统PSoC，可以满足各种条件下无线传感网、无线局域网、有源RFID等物联网应用的特殊需要，为我国的物联网产业的发展奠定了基础。目前物联网已在国内开始了实际的应用。1：物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用。
系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。而就在不久之前，上海世博会也与无锡传感网中心签下订单，购买防入侵微纳传感网1500万元产品。
2：ZigBee路灯控制系统点亮济南园博园。ZigBee无线路灯照明节能环保技术的应用是此次园博园中的一大亮点。园区所有的功能性照明都采用了ZigBee无线技术达成的无线路灯控制
3：智能交通系统(ITS)是利用现代信息技术为核心，利用先进的通讯、计算机、自动控制、传感器技术，实现对交通的实时控制与指挥管理。交通信息采集被认为是ITS的关键子系统，是发展ITS的基础，成为交通智能化的前提。无论是交通控制还是交通违章管理系统，都涉及交通动态信息的采集，交通动态信息采集也就成为交通智能化的首要任务。
4、首家高铁物联网技术应用中心在苏州投用
我国首家高铁物联网技术应用中心2010年6月１８日在苏州科技城投用，该中心将为高铁物联网产业发展提供科技支撑。
高铁物联网作为物联网产业中投资规模最大、市场前景最好的产业之一，正在改变人类的生产和生活方式。据中心工作人员介绍，以往购票、检票的单调方式，将在这里升级为人性化、多样化的新体验。刷卡购票、手机购票、电话购票等新技术的集成使用，让旅客可以摆脱拥挤的车站购票；与地铁类似的检票方式，则可实现持有不同票据旅客的快速通行。清华易程公司工作人员表示，为应对中国巨大的铁路客运量，该中心研发了目前世界上最大的票务系统，每年可处理３０亿人次，而目前全球在用系统的最大极限是５亿人次。会上专家认为，物联网作为一个新兴产业，目前还处在起步阶段。发展物联网突出的障碍，包括技术标准还在制定之中、商业模式不够成熟、产业链尚未形成、配套的法律法规及政策亟待出台。
五、物联网技术的发展现状
当前，中国大力发展物联网产业的环境已经初步形成。在政府层面，在江苏无锡以外，北京、上海、广东、福建、山东、浙江等信息产业较为发达的区域已经着手制定规划，部分大企业也开始进行市场进入研究。物联网产业发展需要应用牵引与技术创新双轮驱动，即物联网产业的突破不仅仅在技术上，更在应用上。未来可能的几个突破口主要有： 首先是政府资金投入的方向。2010年仍将保持积极的财政政策，考虑到物联网应用中有相当多政府公共管理与服务的领域，在交通、电力、环保、城市信息化等领域，物联网应用将有较快发展，将引发市场快速启动。其次公众领域的相对成熟的应用方向。智能家居、感知医护等概念已经获得了长期的市场教育，随着产品与技术的进一步成熟，市场需求将得到进一步的激发。选择适当的细分领域切入将催生出新兴业态。另外传统企业的应用方向。物联网应用的一个重要方向是对传统产业的升级改造。部分传统企业将物联网应用集成至自身的产品中，以实现产品升级，提升附加值与市场竞争力，企业自发的发展将产生更多物联网产业相关的延伸产业。
当然物联网在其发展过程中同样会出现一些不足以及自身问题。下面就以下几个突出问题进行分析
其一观念问题。物联网是未来10-20年战略性新型产业，现在仅仅是起步。而我们的媒体和政府往往会急功近利，有些地方，要5年达到几千亿；有些城市要3-5年过上“物联网生活”。这些宣传不利于物联网技术与产业的顺利发展，甚至会阻碍发展。因此，我们应做到长期、持续的准备，这也许是中国人21世纪初引领世界科技浪潮的一次绝好机会，希望所有专业人士把握好时机。
其二技术问题。物联网的一个基础是传感器，因此传感器是物联网很重要的技术。由于传感技术的多样性和复杂性，物联网一定比互联网和通讯网面临更多的技术难题，因此，物联网的关键技术绝不是几项，而是很多很多和应用相结合的关键技术，共性的技术问题有，更多的是个性的技术。所以各个相关企业应分头解决。
其三执行问题。物联网是一项应用技术，政府项目的示范效应很重要。可是，多个省市都存在着“跟风”现象，“只打雷，不下雨”或“雷声大，雨点小”。轰轰烈烈开会，慢慢悠悠规划，松松垮垮做事。因此我们必须抓住一项或几项具体的应用，进而完善及推而广之。未来五年，真正意义的全球物联网很难实现。但我们要逐步从局域物联网、行业物联网走向全国物联网。近期的关键在于传感器及细分市场的应用软件。
物联网及ZigBee 篇3
ZigBee是一种无线连接技术的商业化命名, 该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输率、近距离的设备互联应用。2002年成立的ZigBee联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前, TI、Freescale等国际巨头都已推出了各自的ZigBee平台。
随着当今生活质量的提高, 生活节奏的加快, 人们希望可以进行远程监视和遥控。本文正是利用ZigBee无线网络与移动GSM网络建立了一个可以远程监控的物联网智能家居平台。
2 物联网智能家居系统概述
基于ZigBee的物联网智能家居系统由ZigBee无线网络模块、GSM模块、主控电路和相应外设构成, 如图1所示。本系统中, 当传感器检测到异常时, 作为终端的ZigBee模块会发送相应信号。作为协调者的ZigBee模块收到信号后, 通过串口把信号传给主控电路。主控电路在收到异常信号后, 会使用GSM网络以短信的方式把报警信息发送到主人移动设备上, 与此同时主控电路启动相应外设, 本设计的外设为摄像头和液晶, 然后把采集到的视频信息存储到SD卡中。
本设计的核心是ZigBee无线网络的应用, 通过ZigBee无线网络技术与传感器技术的结合, 可以实现对任何一个角落的监控。主控电路除了可以使用移动GSM报警以外, 还可以启动相应的外设, 这样就实现了在无人操作情况下的智能控制。
3 ZigBee 无线网络模块
3. 1 ZigBee 简介
ZigBee无线网络协议是基于标准的七层开放式系统互联 ( OSI) 模型, 但仅对那些涉及ZigBee的层予以定义, 如图2所示。IEEE802.15.4标准定义了最下面的两层: 物理层 ( PHY) 和介质接入控制子层 ( MAC) 。ZigBee联盟提供了网络层和应用层 ( APL) 框架的设计。其中应用层的框架包括了应用支持子层 ( APS) 、ZigBee设备对象 ( ZDO) 和由制造商制订的应用对象。
ZigBee可以建立成独立的网络结构, 目前比较主流的网络结构有星型, 网型, 串型。在组成的网络中, 每一个ZigBee节点都有自己的角色, 可以是协调者、路由器和终端节点。其中, 每个ZigBee网络中必须有一个协调者, 用于初始化网络信息; 路由器具有路由的功能; 终端节点没有路由的功能, 但是作为用户直接的使用端, 它具有很低的功耗, 通常2节5号电池可以使用半年。
3. 2 ZigBee 模块
本模块中采用的是TI公司专门为ZigBee通信协议生产的CC2430芯片。CC2430的内核是一个加强版的51, 带有128KB FLASH、8KB RAM, 具有DMA功能, 自带看门狗, 有一个MAC定时器, 支持硬件调试。并且具有丰富的外设, 有CSMA/CA硬件支持, 信号强度可以自动生成, 具有电源、温度管理, 有12位ADC, 128位AES加密处理, 两个全功能串口等。
系统中ZigBee网络是星型网络, 一共用到了4个独立的ZigBee模块。其中三个作为终端节点, 分别与红外传感器、温度传感器和水压传感器相连。红外传感器输入的是高低电平, 直接与CC2430模块I/O口连接, 当I/O检测到输入为到电平时即发送无线报警信号。温度、水压传感器输入的是模拟信号, 通过CC2430片内自带的ADC模块, 把模拟信号转变为数字信号, 然后对最终得到的数据进行处理, 当数值超过预先设计的临界值时, CC2430同样会发送报警信号。另外一个充当协调者的角色, 与主控电路连接, 当收到终端节点发送来的报警信号时, 会通过RS232口把信号传输给主控模块, 最后由主控模块进行相应的处理。
4 主控电路和其他外围模块
4. 1 主控电路
STM32系列处理器基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex M3内核。按性 能分成两 个不同的 系列:STM32F103" 增强型" 系列和STM32F101" 基本型"系列。增强型系列时钟频率可达72MHz, 是同类产品中性能最高的产品。处理器内置有32K到128K的闪存, 可以与大容量的SRAM和丰富的外设进行组合。该处理器同时在片内集成有丰富的高性能外围设备, l us的双12位ADC, 2个4Mbit/s的UART, 18Mbit /s的SPI, 18MHz的I /O翻转速度等。鉴于此, 控制电路主芯片选用STM32增强型处理器STM32F103ve。
控制板主要包含STM32最小单片机系统 ( 包括JTAG下载电路、电源模块、外部时钟模块等) 和外围电路 ( 包括两个串口电路、按键电路等) 。作为整个系统的大脑, 主控电路协调各个部分协调工作。主控芯片信号流程图如图3所示。
4. 2 其他外围模块
系统中, 其他外围模块有GSM网络模块, 摄像头模块, 液晶模块, SD卡存储模块等。
GSM ( Global - System - For - Mobile - Communications) 由欧洲电信标准化协会提出, 后来成为全球性标准的蜂窝无线电通信系统, 是当前应用最为广泛的移动电话标准。中国移动, 中国联通等都有完善的GSM网络, 随着手机的普及, 通过移动服务商提供的GSM服务, 用户可以方便快捷的实现远程报警和操控。
本系统中, GSM采用了西门子公司的TC35。它是一款双频900/1800MHZ高度集成的GSM模块。在GSM网络日臻完善的今天, TC35秉承了西门子一贯的优秀品质, 它易于集成, 使用它可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。TC35模块包含了音频接口 ( 模拟信号, 可以是麦克风、耳麦、免提手柄等) 、RS232接口 ( 指令和数据的双向传输) 。这里只需用到TC35的短信功能, 通过RS232接口对模块进行控制。对TC35进行控制, 需要用到AT指令。AT指令包括一般命令、呼叫控制命令、网络服务命令、安全命令、电话簿命令、短消息命令追加服务命令等, 可以对该模块进行全方面的控制。在主控芯片进行控制时, 可以先定义几个字符串变量, 然后通过串口依次把这几个字符串发送给TC35模块, 即可实现发送短信功能。字符串示例如下:
摄像头模块采用OV7670图像传感器, 它体积小, 工作电压低, 可提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制, 可以输入郑帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。该产品VGA图像最高达到30帧/秒。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、饱和度、色度等都可以通过SCCB接口编程。主控芯片通过I/O口对摄像头进行操作, 当操作成功后, 摄像头可以传输给主控芯片8位的影像信息。主控芯片在采集到影像信息之后, 经过适当的处理把信息送给液晶显示屏显示, 并把视频信息存储到SD卡中。
液晶模块选用ILI9325为主控芯片, 液晶屏分辨率为240×320, 大小为2.4寸。ILI9325有16位数据线, TFT的控制线有: 复位信号RST, 片选CS, 输出使能读信号RD, 写信号WE以及RS信号。我们选用的STM32F103ve有一个片内FSMC ( FlexibleStatic Memory Controller, 可变静态存储控制器) , 是STM32系列中高存储密度微控制器特有的存储控制机制。FSMC是通过对特殊功能寄存器的设置, 能够根据不同的外部存储器类型, 发出相应的数据/地址/控制信号类型以匹配信号的速度, 从而使得STM32系列微控制器不仅能够应用各种不同类型、不同速度的外部静态存储器, 而且能够在不增加外部器件的情况下同时扩展多种不同类型的静态存储器, 满足系统设计对存储容量、产品体积以及成本的综合要求。我们用FSMC对OV7670进行控制, 可以达到良好的效果。
SD卡是一种基于Flash的新一代存储器, 具有体积小、容量大、数据传输快、移动灵活、安全性能好等优点, 是许多便携式电子仪器理想的外部存储介质。SD卡为用户提供两种操作模式: SD模式和SPI模式, 我们这里选用SPI接口。SPI全称为" SeriesPeripheral Interface" , 意为" 串行外设接口" , 是一种全双工、3线同步数据传输的串行总线接口。STM32F103ve同样提供有片内SPI外设, 可以实现对SD卡的读写。
5 结 论
最终系统的实物图如图4所示。经实际测试, 可以达到预期目标, 整个系统工作正常, 实现了远程报警以及监控。
本系统还可以通过与更多的传感器 ( 如GPS定位传感器、声控传感器等) 进行配合, 以达到更好的效果。最终不仅可以通过移动终端对其进行控制, 还可以通过网络进行遥控。更重要的是, 整套系统可以在保证完成预期目标的前提下, 仍然保持较低的开发和应用成本, 因此, 具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]叶兴贵, 缪希仁.基于ZigBee的智能家居物联网系统[J].现代建筑电气, 2009, 9:25-28.
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[3]金纯, 罗祖秋, 罗凤等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京:国防工业出版社, 2008.
物联网及ZigBee 篇4
变形金刚2热映刚毕，如果说利用“能量石”让普通电子产品变成高度智能的机器人．只是科幻电影中的想像，那么“物联网”则是步步逼近的现实。
日前，思科推出“智能互联建筑”，它将成为思科“智能互联城市”战略的关键组成部分。“智能互联建筑”就是通过IP网络整合建筑物内各种电器设备，让他们在统一的调度下协同工作，从而节约电能的新兴方案。这种技术的实现让我们离“物联网时代”又近了一步。“智能互联建筑”能够实现哪些功能？思科新兴技术集团高级副总裁Marthin De Beet近日特地赶来中国，举例说明：有一个员工，他通过刷自己的员工卡进入了智能互联的建筑，通过读取这个卡片。这个建筑物会非常智能地把这个员工所在的办公室的空调打开，照明灯打开。当员工离开这个建筑物时，他办公室的空调和灯又会自动关闭。
或许这个例子有点小儿科，那么，“利用网络技术，在一个统一的平台上，对成百上千个房间里的电器设备进行统一的管理”，这样的方案是否让我们感到兴奋呢？换句话说，“智能互联建筑”真正的.魅力在于“互联”。智能互联建筑所实现的，并非一个房间电器设备的智能管理，而是整个建筑或者多个建筑中，所有房间中的电器设备的协调统一和智能管理。
除了思科之外，IBM公司也早已看准了“物联网”的发展前景。今年2月，IBM公司在IBM论坛上抛出了“智慧地球”的构想。根据南方网的报道，“智慧地球”就是利用IT技术，把铁路、公路、建筑、电网、供水系统、油气管道乃至汽车、冰箱、电视等各种物体连接起来形成一个“物联网”，再将其和计算机整合起来，人类便可以通过互联网精确而又实时地管控这些接入网络的设备．从而方便地从事生产、生活的管理，并最终实现“智慧的地球”这一理想状态。
相比“智慧地球”这一构想的抛售，IBM公司的实践则进行得更早。底，IBM公司与广东省中医院合作，启动了“IBM与广东省中医院信息一体化综合解决方案”的项目。经过一年多的努力，今年3月，IBM公司宣布将为广东省中医院创建一整套医疗信息共享和分析系统，系统名为CHAS（医疗和健康记录分析和共享）。
物联网建成之后，人们除了可以享受物联网为生活带来的方便之外，还有许多问题等待着人们处理，比如处理由物联网而产生的庞大数据，确保物联网安全平稳地运行等等。Elfrink说，思科和韩国已经合作做过一个项目。就是帮助韩国仁川从零开始，建设一座全新的城市。比如说围绕智能互联交通，去开发新城市的服务，还有智能互联的安防等。
“智能互联城市”的方案，能够节约大量能源以及人力。提高人们的生活品质。E1frink说，在目前全球经济下行的时候，中国仍然能够实现6％的GDP增长，而且中国正在建设多个人口超过百万的城市，这种智能互联城市的概念是非常适用于中国的。这样的解决方案，它的复杂性其实并不在技术方面而是如何促成政府、电信运营商和房地产开发商这三方之间的合作，即政府制定相应的政策规范，电信运营商铺设网络，房地产商在建筑中引入网络。
1．从原文看下列对物联网解说不准确的一项是（ ）
A．物联网是为某一网络内部的物理设备互联服务的。
B．“智能互联城市”和“智慧地球”的构想的实现都必须依赖物联网。
C．物联网的概念是思科公司和IBM公司首先提出来的，他们在这一领域取得了一些实质性的进展。
D．物联网扩大了互联网的涉及领域和应用范围，对人类的生活有着更广泛的影响。
2．“这种智能互联城市的概念是非常适用于中国的”，下列对这句话的理解和推断最准确的一项是 （ ）
A．中国是人口大国，“智能互联城市”方案可以节约大量的人力资源，所以非常适合中国。
B．中国是能源消耗大国，在当今能源危机的情况下，“智能互联城市”方案可以为中国节约大量能源，提升国民生活品质。
C．中国的经济增长速度非常快，城市化进程加快，“智能互联城市”方案可以提升城市居民的生活品质，所以非常适用中国。
D．在中国的城市中，如果政府可以有效促成政府、电信运营商和房地产开发商这三方之间的合作，就可能实现“智能互联城市”方案。
3．下列各项符合原文意思的一项是（ ）
A．物联网不仅仅能够给我们带来方便快捷的生活，它也会给我们带来许多问题，对此我们要有充分的思想准备。
B．近几年来，思科公司的“智能互联建筑”和IBM公司的“智慧地球”构想的实现，使我们进一步向物联网时代逼近。
C．在20底，为了尽快实现“智慧地球”的构想，IBM公司启动了“IBM与广东省中医院信息一体化综合解决方案”的项目。
D．高度智能机器人引发了科学家的无穷想象，从而引发了他们对物联网的构想。
参考答案：
1．C
2．C
物联网及ZigBee 篇5
物联网这一概念是1999年麻省理工学院Ashton教授提出的, 是在信息技术和互联网的基础上, 利用射频识别、传感器网络、无线通信等技术, 构造一个连接万事万物的信息网络“Internet of Things”[1]。
在物联网中, RFID用来标识物体, 实现目标定位, 而目标物体间的信息传输则通过Zig Bee来完成。Zig Bee技术以其低功耗、低数据传输速率等特点, 得到广泛应用, 是物联网中主要技术之一。
2 物联网组成及原理
近年来, 信息技术快速发展, 人们对通信的需求正朝着更加多样化、智能化、个性化的方向发展, 希望打破传统的人与人的通信, 使人与物之间也能通信自如, 在这大潮流的驱动下, 物联网应运而生, 成为信息技术发展的新趋势。
物联网的核心思想是利用物理进程与计算进程的实时交互[2], 使网络延伸到物体之上, 可以实现对物理系统的实时跟踪。
2.1 物联网概述
物联网是在互联网基础上通过射频识别、激光扫描器、红外感应器、GPS等设备, 按约定的协议, 把安装了电子标签的物体与互联网连接起来, 实现对物体的自动识别和互联共享的一种网络。
2.2 物联网的组成
在不同的应用系统中物联网的组成各不相同, 涉及多种技术, 但基本的物联网体系都是由感知层、网络层和应用层三部分组成的[2]。
感知层, 又叫射频识别RFID系统, 利用射频识别、传感器、智能卡等工具, 将物体的各种参数读取出来, 并将其传递给通信网络;网络层, 即通信层, 负责物联网中的信息的传输, 通过电缆、光缆、电磁波等信道在网络中传递物体的数据信息, 目前所使用的移动通信、互联网技术已经十分成熟, 大大满足了物联网对信息传递的需求;应用层, 从网络层获取感知层采集到的数据信息, 并将信息传输到数据中心, 对数据进行分析、处理, 并开发各种应用软件, 实现不同的应用和服务, 满足多种用户需求。
2.3 物联网的原理
物联网的核心思想是通过RFID、无线通信等技术、对象名解析和实体标记语言服务器, 对物体信息进行控制管理, 从而实现全球物体信息实时共享[3]。
物联网的精髓是感知, 感知物与物之间的信息传递, 通过对采集到的数据信息协同处理、智能组网、信息服务, 达到控制指挥物体的目的;通信网是信息传输的网络, 是人与人的相互连接;而物联网是连接现实人与物、物与物的网络。
2.4 物联网中的关键技术
在整个物联网体系中, RFID是基础, RFID技术有非接触性、耐久性、穿透力强等诸多优点, 但其识别距离短, 设备成本高成为RFID技术的致命伤, 而Zig Bee技术的缺点则是穿透性差, 若能将RFID技术与Zig Bee技术集合起来, 实现两者的优势互补, 则对构建理想的物联网具有重要意义。
2.5 物联网的应用
物联网已广泛应用于智能交通、环境保护、公共安全、智能家居、环境监测、敌情侦查和情报搜集等多个领域[4]。
在物联网体系中, 感知层的关键技术是RFID射频识别, 网络层的关键技术是Zig Bee。Zig Bee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, 在物联网领域有很大发展潜力。
3 Zig Bee技术
3.1 Zig Bee技术的发展
Zig Bee, 又称紫蜂协议, 这一词是由蜜蜂 (bee) 和抖动翅膀的“嗡嗡” (zig) 声合成的, 蜜蜂用八字舞向同伴传递花粉的方位和距离信息, 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络[3]。
Zig Bee联盟成立以来, 致力开发无线传感器网络标准。完整的Zig Bee是由Zig Bee联盟和IEEE802.15.4共同制定的一组基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议, 规定了用户传输信息过程中的距离、能耗等指标, 营造了安全稳定的网络运行环境。
3.2 Zig Bee技术的特点
Zig Bee本质上是一种可靠性高的短程无线通信网络, 与GSM网络和CDMA网络类似, Zig Bee中的模块则类似于移动网络中的基站, 因此理论上Zig Bee可覆盖的通讯面积能无限扩展。
Zig Bee具有低功耗、低成本、低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全的特点, 并且可以为用户提供便捷的无线数据传输功能, 因此在物联网领域得到广泛的应用。
3.3 Zig Bee技术的协议架构
Zig Bee协议框架包含了物理层、MAC层、网络层和应用层。其中, IEEE802.15.4定义了物理层和MAC层, Zig Bee联盟定义了网络层和应用层。物理层提供传输介质的接口, 并通过天线收发数据;MAC层:即介质访问层, 负责提供Zig Bee的网络号, 打包、分解数据包和帧, 为相邻的节点间提供可靠的数据通信, 提高通信效率, 减少差错率;网络层的核心功能是处理网络地址和路由, 并提供安全管理、路由管理、网络管理等功能;应用层包含应用支持子层APS和Zig Bee设备对象层ZDO, 主要为用户提供API函数和提供网络管理方面的函数[4]。Zig Bee网络由一个协调器及多个路由器和终端设备组成。
4 Zig Bee与物联网的关系
Zig Bee联盟的初衷是为了开发基于无线传感器网络的开放标准。当时的想法是希望将传感器和控制器以简单的方式和较低的费用集成到其他物体上, 使这些物体可以基于各种目的而方便地进行连接并交换信息。这些设备可以基于Zig Bee标准进行开发设计和测试认证, 从而保证设备间的互通性, 提供更高的舒适度、方便性、效率及安全[5]。
物联网中的传感器在布局的时候, 如果采用传统CDMA或GSM移动网络, 会出现运营费用高、规模大、短距离传输需求高的现象, 这是急待解决的问题, 而Zig Bee正是解决这一问题的途径。传感器要把数据发送给主机, 可以通过ZigBee来实现, 因其具有智能、方便、易建设、低成本、低功耗和免费使用等特点, 特别适合作为物联网中传感网的通信方式。
5 Zig Bee技术在物联网领域的典型应用
与射频识别技术相比, Zig Bee技术最明显的优势是功耗低;其次Zig Bee技术的传输时延短, 不仅节能, 更能在短时间内传输大量数据信息;同时, Zig Bee技术还提供高灵活性的三级安全模式, 保证了通信网络的安全性。以上优势, 使Zig Bee技术得以在物联网领域崭露头角。
在物联网中Zig Bee技术的应用主要体现在三方面, 一是无线传感网络, 主要包括传感器、RFID等, 主要实现对物的识别;二是传输网络, 主要通过互联网、通信网等媒介实现数据的计算、传输、存储;三是应用网络, 主要是输入输出控制终端[5]。
在物联网时代, 各种‘物’对网络的要求不尽相同:多媒体设备侧重数据传输速率和服务质量, 家电设备侧重传输控制指令的安全性, Zig Bee技术恰好能满足这些要求。Zig Bee技术以其多种优势应用于数字家庭、智能交通、汽车、农业自动化等多种领域。
6 结束语
随着物联网技术的日益成熟, Zig Bee技术以其不可比拟的优越性在物联的应用中具有长远的意义和广阔的前景。Zig Bee作为一种新的系统集成技术, 应用软件的开发必须和网络传输, 射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起, 这方面的应用将会得到广泛关注。
参考文献
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[4]高守玮, 灿阳.Zig Bee技术实践教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.
物联网及ZigBee 篇6
Zig Bee技术是一组基于IEEE.802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术,它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术[2]。它使用的频段是全球通用的2.4 GHz,该标准定义了在IEEE.802.15.4物理层(PHY和标准媒体访问控制层(MAC)上的网络层及支持的应用服务,Zig Bee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。物联网开发平台的搭建,对促进研究成果的转化和产学研对接也具有十分重要的意义,为最终实现“物联网”提供了一条简单、可行的途径。
1 物联网开发平台硬件设计
物联网技术核心就是射频识别技术(RFID),基本的RFID系统至少包含阅读器(Reader)和RFID标签(Tag),它具有读取速度快、存储空间大、工作距离远、穿透性强、工作环境适应性强、可重复使用等多种优势。RFID标签由芯片与天线组成,每个标签具有唯一的电子编码,标签附着在物体上以表示目标对象[2]。
物联网另一个重要技术是无线传感网络技术,目前无线网络技术主要有六种,分别是蓝牙(Bluetooth)、无线局域网(Wi Fi)、超宽带通信(UWB)、近场通信(NFC)、ZigBee和红外数据通信Ir DA技术。其中蓝牙技术是工作在2.4 GHz频段的无线技术,目前在计算机外设方面应用较广泛,但由于其协议本身较复杂、开发成本高、节点功耗大等缺点,从而限制了其在工农业方面的进一步推广;Wi Fi技术的通信速率为11 Mb/s,通信距离为50~100m,适合于多媒体的应用,但其本身实现成本高,功耗大,安全性能低,因而在无线网络技术应用较少;红外技术的实现和操作相对简单、成本低廉,但红外光线易受遮挡,可移动性差,只支持点对点视距对接,无法灵活地构建网络;超宽带通信(UWB)是一种无线载波通信技术,主要的应用是在视频消费娱乐方面的无线个人局域网;近场通信(NFC)采用双向的识别和连接技术,主要应用于遥控识别和网络技术的合并;Zig Bee技术以其经济、可靠、高效等优点在物联网技术中有着广泛的应用前景。
Zig Bee网络存在三种逻辑设备类型:协调器、路由器和终端设备。Zig Bee网络由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成[3]。Zig Bee网络的拓扑结构主要有3种:星型、树状和网状网络结构。Zig Bee协议规范使用了IEEE.802.15.4定义的物理层(PHY)和媒体介质访问控制层(MAC),并在此基础上定义了网络层(NWK)和应用层(APL)架构。
Zig Bee硬件电路上采用TI/Chipcon公司开发的2.4 GHz IEEE.802.15.4/Zig Bee片上系统解决方案CC2430/CC2431无线单片机,它免费提供Zig Bee联盟认证的全面兼容的IEEE.802.15.4-2003协议规范和Zig Bee 2006协议规范的协议栈源代码和开发文档,集单片机仿真器、编程器、Zig Bee协议分析仪、图片点阵LCD显示屏、高性能语音电路、Joystick及几种典型模拟组件于一体的开发母版,实现TI/Chipcon公司提供的Zig Bee开发软件的完全无缝连接。CC2430整合了业界领先的2.4 GHz IEEE.802.15.4/Zig Bee RF收发机CC2420以及工业标准的增强型8051MCU的卓越性能,还包括了8 KB的SRAM、大容量闪存以及许多其他强大特性。CC2430在接收机传输模式下的电流损耗为25 m A,使得RF-IC成为针对超长电池使用寿命应用的理想解决方案。Zig Bee嵌入RFID射频识别系统的电路图如图1所示。
在物联网开发平台系统中还有GPS和GPRS模块,全球定位系统GPS(Global Positioning System)是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的全球定位系统,在全球任何地方以及近地空间能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息[4]。GPS系统由3大部分组成:空间部分、地面控制部分、用户设备部分。GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的简称,位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通信技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道,提供中速的数据传递。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式,它只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换,而得到的用户数据速率比GSM网络快得多。GPRS模块利用手机模块和SIM卡,把GPS定位到的数据进行短消息发送,告知对方物品所在的位置。
2 物联网开发平台软件设计
在软件设计中使用IAR Embedded Workbench开发环境,这是一套高精密且使用方便的嵌入式应用编程开发工具,它具有高度优化的C/C++编译器,高性能的C-SPY调试器和硬件调试工具,支持RTOS内核识别调试,提供现成的代码流程,使二次开发更加简便快捷。还有Zig Bee协议分析仪软件Packet Sniffer,它可以对空气中的无线信号进行监听、过滤和数据解码,并将其按照一定的数据包格式显示在GUI界面中,也可以将这些数据以二进制文件格式存储。Z-Location Engine是专为CC2430无线定位系统设计的系统图形监视软件,可以实现Zig Bee无线网络定位系统的上位机实时定位监控,对系统各个节点进行参数修改和配置,以及定位电子地图显示和更新功能。物联网开发平台软件设计流程图如图2所示。
3 物联网开发平台系统设计
物联网开发平台系统结构框图如图3所示。
电子标签EPC也称应答器,为防止不必要的损耗,应答器平时处于低功耗睡眠模式。阅读器在读取电子标签数据时通过天线发送一定频率的射频信号,当EPC电子标签进入阅读器读取范围时,电子标签从阅读器发出的射频能量中提取工作所需的电能后被激活,进入工作状态,向阅读器发送自身的编码等EPC信息,阅读器在接收到来自电子标签的载波信息后,对接收信号进行解调和解码,将其信息送至数据交换和管理系统进行处理。RFID数据交换和系统管理软件主要包括介于阅读器和工厂计算机应用系统之间的中间件Savant系统。另外在整个物联网开发平台系统中如果想知道某个物品的位置时,只需通过GPRS无线网络发出查询信号,各子模块接收到查询信息后,通过RFID读写器阅读自身的RFID信息,并与中心传递的编码相比较,确认是否是询问自己,并从GPS系统中读自己的地理位置信息,通过GPRS网络将位置信号传送给控制中心,从而掌握物品所在位置,提高工作人员的工作效率和降低物品管理成本。另外读卡器在读取数据时容易发生“冲突”,就是同时有两个或多个标签进入读卡器读取范围,都向读卡器发送数据,使读卡器在读取数据时发生冲突。目前有数据检验和防碰撞算法(ALOHA)两种方法解决这个问题,其中ALOHA是一种时分多址存取方式,基本原理是阅读器在等待状态中的循环时隙段内发送请求命令,该命令使工作应答器同步,然后提供一或两个时隙给工作应答器使用,工作应答器将选择自己的传输时隙,如果在这一或两个时隙内有较多应答器发生了数据冲突,则阅读器就用下一个请求命令增加可使用的时隙数,直到不出现冲突为止[5]。
4 系统测试和结论
本文设计由参考节点、移动节点和网关节点组成的定位系统,将参考节点布置在一定的区域,本次选择两组,一组10个节点,其中2个做测试用,另一组20个节点,其中4个做测试用。网关节点把定位信息通过上位机显示出来。通过多次改变移动节点的位置来测量移动节点的位置,然后与实际位置进行比较,表1和表2是以移动节点为例在不同区域内进行测量的结果。
从表中得出的数据可以看出,区域不大时,定位精度相对高些,在区域大的地方相对定位精度低些,检测节点位置在区域中心,定位相对准确,边缘位置定位误差相对大些。经过试验,定位精度还与所在的环境有关,在空旷平缓的地方精度高些,在崎岖有障碍物的地方定位精度相对较低。
本文在充分考虑物联网系统的现有状况和深入分析技术难题的前提下,把RFID、Zig Bee、GPS、GPRS等技术融合在物联网开发平台中,构建一套基于Zig Bee技术和无线射频识别的物联网开发平台系统,提高了阅读器的读取能力、防冲突能力和组网能力,但是在物联网的实际应用中还有许多问题,如RFID的ISO/IEC标准、RFID系统数据传输的安全性和远距离识别、抗干扰能力等问题亟待解决。随着RFID、Zig Bee、GPS等技术的不断发展和不断更新,它们在物联网中的优势将更为突出,必将更好地改善我们的生活。
摘要：将ZigBee和GPS技术融进射频识别RFID的读卡器中,形成一个基于ZigBee、GPS的多点自动识别、智能无线组网和实时定位的RFID识别系统的物联网开发平台。详细介绍了硬件部分和软件部分,同时运用ALOHA算法解决了阅读器在读取EPC电子标签数据时易出现的“冲突”现象。通过实验验证,该系统定位效果好,实用性强。
关键词：物联网,定位系统,RFID技术,ZigBee技术
参考文献
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物联网及ZigBee 篇7
物联网技术是计算机网络从人-机互联往物-物互联发展过程中出现的新型计算机网络结构。1999年麻省理工学院Auto—ID实验室提出了物-物互联的概念[1], 到2005年, 在突尼斯举行的信息社会世界峰会上发布的报告《ITU互联网报告2005:物联网》, 正式提出了“物联网“的概念[2]。通常认为, 物联网是指将信息、传感设备及系统, 如传感网络, 射频标签阅读器, 条码与二维码设备, 全球定位系统和其它基于物-物通信模式 (M2M) 的短距无线自组织网络[3]。
ZigBee是当前物联网产业发展中一种被广泛应用的双向无线通信标准, 具有低成本、低功耗的特点。许多基于传感网技术的应如GlacsWeb、ZebraNet等, 通常只支持集中式的星型拓扑结构, 网络规模较小、支持的节点数量有限。ZigBee协议除了星型结构之外, 也支持树型和网状拓扑, 适合于构建大规模物联网。但在实际组网中, ZigBee协议由于考虑大规模物联网对网络性能的影响, 设置了许多缺省值约束, 如父节点最多只能拥有16个终端节点和6个路由节点作为子节点;在树型和网状结构中, 最大深度缺省值只有10等。这些因素在保证了网络稳定性的同时, 也限制了ZigBee构建跨区域大物联网网络的。同时由于协议本身在能量控制方面执行了较为严格的标准, 保证了它的网络节点能够在孤立环境下较长时间续航工作的能力, 但也带来了网络本身数据传输能力较为有限的不足之处。
1 网络模型分析
ZigBee协议中存在三种类型的节点:终端节点、路由节点和协调器节点, 其中协调节点是全功能节点, 负责个域网 (PAN) 的组网。为了将多个PAN相互连接构造基于ZigBee的大规模物联网, 相关文献提出了一种一区多PAN的解决方案。文献4的研究指出, 可以基于ZigBee协议规范, 提取其基本实体元素进行建模, 构造基于一区多PAN的网络模型。一区多PAN的思想利用了指定频段的多信道特征, 在同一区域内构建多PAN网络。但是采用一区多PAN方式构建的网络, 忽视了信道冗余机制, ZigBee网络采用的是CSMA-CA机制来控制无线电信道的访问, 这也是无线网络通信常用的信道访问控制机制, 如果不考虑信道冗余, 在通信量较大的情况下, 通信效率下降非常明显。考虑ZigBee网络的两个常用频段868/915MHz和2.4GHz, 其中低频区域适用于节点密度较低的中短距离通讯, 由于该区域中节点密度较低, 因此实际上不存在单位区域内部大量节点组网的需求;高频区域适合于节点密度较高的短距离通讯, 由于通讯距离在百米左右, 且受复杂地形环境的影响, 有效通讯距离更短, 大量PAN内节点必须部署在有限单位面积之中。因此, 无论哪种情况, 一区多PAN都不是构建大规模物联网网络的有效方案。
ZigBee协议中, 由于底层传感网络规模过大会引起在组网、数据路由、数据融合、网络管理、网络协作等方面的问题复杂度呈指数上升。因此, 虽然ZigBee网络具有16位IEEE地址, 支持最多达到65535个节点, 但在实际单PAN网络中, 节点数量不会过多。在本文的拓扑结构中, 为了解决网络规模受限的不足, 将ZigBee构造的PAN网络和云技术进行结合, 绕过底层传感网络规模过大引起的一系列问题, 实现物理独立的单PAN互联, 构造逻辑上的大规模物联网网络。
2 网络数据流分析
2.1 PAN内部节点组织与数据通信
在单PAN互联模式中, 各种类型的传感器网络终端节点都组织在单一PAN网络中, 通过本PAN的路由节点与协调器节点组成的单PAN网络进行数据传递, 组网过程遵循ZigBee2007协议规范进行。常见的单PAN应用, 由于网络规模有限, 所需要获取的服务种类较为单一, 因此通常只会为一个PAN网络部署单个应用, 所有PAN区域中的终端节点搜集数据为该应用服务。由于所有数据属于同一数据集合, 上位机只需对所搜集的数据集合进行简单处理, 所支持的应用种类单一。为了构建大规模物联网应用, 本文认为单PAN区域中的数据必须为上层多种类型的应用提供数据支撑服务。ZigBee协议规定PAN网络中的协调器节点的1-240号端口都可以支持一个单独的应用Profile, 每个端口都可以获取一组基于该Profile的物联网应用数据。通过ZigBee协议中的ZDO (ZigBee设备对象) , 对属于同一Profile的终端节点 (具有单独Cluster标识符) , 进行统一管理。每个终端节点同样具有1-240的应用端口号, 因此可以加入多个应用, 为多个应用提供所需数据。节点内数据通信组织模式如图1所示。如果终端节点提供多种类型数据传递, 采用图1所示的PAN内通信是合理的, 但考虑到ZigBee节点的低功耗、低成本的特性, 实际应用中的ZigBee通信模块往往提供的是单一功能数据获取、传输服务, 即同一终端节点上不需要传输两种或以上类型的数据, 因此可以将终端节点的Profile合并处理, 利用ZDO提供的分组管理功能, 将图1简化为如下图2所示。
简化模式不需要消耗终端节点过多资源, 保证了终端节点低功耗、低成本的特性。由于协调器是PAN内的数据中心, 在APL层需要构建复数个Profile堆栈, 同时考虑到后续需要对Profile数据的进一步处理, 因此对内存资源、计算资源和网络资源的要求都较高, 因此需要的硬件资源较高, 可将协调器节点集成到带触屏功能的ARM嵌入式平台中。
2.2 跨PAN数据通信
PAN区域的大小限制了物联网的规模, 为了构建基于大规模物联网的应用, 可以将物联网和因特网相融合, 让物联网中的数据借助高速公共基础网络, 实现物联网基于应用层面上的大规模组网。云计算技术的出现改变了互联网上应用的生态模式, 传统的服务纷纷从本地服务器、数据中心向云端搬迁, 借助于云平台的计算和存储能力, 实现数据的高效流通。在本文的跨PAN数据通信中, 也借用了云平台作为跨PAN物联网通信的应用中心、数据中心和控制中心。单PAN网络中, 协调器接收的各应用Profile数据统一交由数据代理中心进行预处理, 通过过滤、汇总操作后的数据即是本区域物联网采集后的有效数据, 然后通过高速公共基础网络传递到云平台。云平台首先由云平台存储区域将数据在数据汇聚中心进行存储汇总操作, 然后由各物联网应用通过数据控制中心, 调取汇总数据, 获取各区域物联网信息。对云平台应用来说, 底层各PAN区域构成了一个完整的大规模物联网, 应用可以直接从控制中心获取所需要的数据。控制中心接收应用指令后, 则通过汇聚中心读取数据或直接与数据代理客户端联系, 下发应用指令。应用与底层物联网之间的隔离功能, 由云平台数据控制中心完成。由于借助了云平台将分散的物联网应用集中处理, 带来了大量的物联网数据在云平台的汇聚, 而这种大量数据的集中汇聚, 正好可以通过大数据分析技术对海量数据进行分析, 从而为下一步的物联网行为特征预测和物联网智能化控制提供良好的先决条件。跨PAN数据通信模型绕过了底层物联网规模受诸多条件限制的制约因素, 将复杂的物联网跨PAN数据通信从ZigBee网络的协调器中解放出来, 放到云平台进行处理。利用云平台近乎无限的数据存储和计算能力, 构造出联通各个单PAN区域的逻辑上的大规模物联网。虽然这个大规模物联网只是虚拟的完整物联网, 但对于云平台应用和云平台后方的物联网使用者来说, 这就是一个真正的大规模物联网。
3物联网组网中的数据预处理
在图3所示的跨PAN数据通信中, 我们在各单PAN区域的ARM平台的基础上增加了数据代理客户端, 作为数据预处理的中间件。该数据代理客户端在ARM平台嵌入式系统中运行, 用于收集从协调器中获取的各应用Profile中的数据, 同时将云平台中各应用的控制指令传递给协调器, 以指示协调器中的Profile协调工作, 收集应用所需数据或传递状态改变指令等。数据代理客户端中间件在这里主要作用是数据预处理功能, 包括数据缓存, 数据过滤和数据汇总。通过数据代理客户端, 对于多应用物联网可以有效减轻ZigBee协调器数据通信负担, 同时对于采用3G/4G的嵌入式ARM通信平台也可以有效减轻无线链路负载。
(1) 数据缓存。由于在云平台中提供了物联网应用的良好可扩展性, 因此对于跨PAN数据通信应用场景来说, 每一个单PAN区域都面临来自云平台的数据频繁调用。通过代理客户端的数据缓存功能, 可以为系统设定缓存空间, 缓存数据更新时间等。当云平台应用需要调用某个PAN区域中的数据时, 首先可以从缓存区域中去获取该数据, 在没有命中的情况下, 才考虑由协调器发送数据获取命令收集数据。
(2) 数据过滤。云平台部署的应用需要从各个单PAN网络中获取分布式数据, 针对单个应用, PAN网络中提供的数据类型较为单一、节点数量也较为有限, 因此不需要收集本区域中的所有节点全类型数据, 而是根据应用需求进行数据搜集。应用可以通过设定协调器中的Profile属性, 将本应用相关节点组织到该应用组中, 只搜集该应用感兴趣的数据, 其余数据则过滤掉, 以减轻协调器数据通信的压力。
(3) 数据汇总。在数据代理客户端中, 通过设定数据汇总中心, 可以有效减少协调器发送数据搜集指令的频次, 降低网络负担。各应用可以首先从汇总中心获取所需的数据, 在汇总中心没有数据的情况下, 才考虑发送指令给协调器, 由协调器通过相应Profile搜集应用数据。同时将新的数据集加以时间戳标记, 存入汇总中心, 供各应用缓存更新自身数据。
4 小结
为了构建适用于大规模应用的物联网网络, 避免无线传感网络底层网络规模过大引起的各种组网问题, 本文以ZigBee协议作为传感层协议, 在不构建物理互联的大规模物联网同时, 依托公共基础网络和云平台, 构建了基于应用层面的虚拟大规模物联网网络。同时针对此种组网模式中云平台物联网应用类型多、数量多、数据流量大等特点, 针对底层平台做了数据预处理操作, 以更好的为上层应用提供服务。
参考文献
[1]Bose I, Pal R.Auto-ID:Managing anything, anywhere, anytime in the supply chain.Communications of the ACM, 2005, 48 (8) :100-106
[2]ITU Strategy and Policy Unit (SPU) .ITU Internet Reports 2005:The Internet of Things[R].Geneva:International Telecommunication Union (ITU) , 2005
[3]刘强, 崔莉, 陈海明.物联网关键技术与应用[J].计算机科学, 2010, 37 (6) :1-4
物联网及ZigBee 篇8
物联网作为人与人、人与物、物与物之间进行全面互联的网络, 通常情况下需要借助信息传感设备, 按照约定的协议来实现。其特征主要表现为:借助射频识别、传感器等获取信息, 通过互联网、移动通信网等进一步传递、交换信息, 同时对这些信息采用智能计算技术进行分析处理, 进而在一定程度上提高感知物质世界的能力, 进一步决策、控制智能化。
目前, 理论教学是物联网技术教学中的主流, 实践教学所占的比重较少, 在这种情况下违背了物联网教学实践性的特点。在教学过程中, 侧重单个技术设备, 对教学系统没有进行科学化、整体化处理, 在一定程度上影响学生对物联网技术形成整体认识[1]。针对这些问题, 本文通过对物联网技术实训平台进行分析, 一方面可以单独地学习信息技术, 另一方面可以进行综合实训设计, 帮助学生理解物联网的相关技术, 进而在设计物联网应用系统的过程中, 充分发挥自身的主观能动性。
1 总体方案
如图1所示, 给出了基于zigbee技术的物联网实训平台。该实训平台的组成主要包括:一个物联网主节点、多个从节点、RFID身份标签。借助zigbee网络, 物联网将各种传感器的信息从节点传给主节点, 利用串口主节点将接收到的信息进一步传送给计算机。通过对附近的RFID标签进行搜索, 借助串口RFID阅读器将读到的标签信息传送给从节点, 通过zigbee网络从节点传送给主节点。
2 硬件设计与实现
物联网主节点、从节点和RFID读写系统共同组成本实训平台的硬件设计部分。
2.1 物联网主从节点的硬件设计
对于物联网来说, 其主从节点的主要功能是:组建、维护无线网络, 获取、传输各种传感器数据等, 根据应用需求, 物联网的zigbee、传感器、串口、供电、显示、状态指示灯等单元, 以及可编程按键等部分共同构成主节点部分。对于从节点来说, 主要包括zigbee、各种传感器、LCD、串口、供电元、外元、状态指示灯等单元, 以及可编程按键和扩展接口单元等。通过上述分析, 以CPU为核心的节点硬件框图如图2所示。无线组网和数据传输功能通过IEEE802.15.4收发器和运行于CPU上的协议栈共同来完成, 其中, 板载传感器主要包括温度传感器、光强度传感器等。根据实验要求, 对于扩展传感器来说, 则可以对其他各种传感器进行扩展。在智慧校园案例中, 外设控制接口可以对投影仪、自动窗帘等外部设备进行控制。可以采用UART、USB等对数据传输接口进行处理, 通过外部供电方式解决主节点的供电问题, 采用电池供电的方式解决从节点的移动问题。
选用英国Jennic公司的JN5121作为节点中的CPU和IEEE802.15.4收发器, 并且综合了收发器、微控制器的所有功能, 同时在组建、管理zigbee无线网络, 以及无线传输数据的过程中, 能够确保高性能、低功耗能[2]。对于JN5121内置处理器来说, 借助自身32位RISC内核, 其优势主要表现为速度高, 功率低, 因此, 可以将其用作主节点的处理单元, 进而在一定程度上节省了独立采用CPU的成本, 且占用空间小, 使得硬件结构得以简化。
由于主节点的处理单元选用了zigbee模块的内置CPU, 在这种情况下, 物联网主节点中的各个单元可以与zigbee模块进行数据通信。芯片JN5121有21个通用IO口, 4个12位ADC, 2个11位DAC, 2个比较器和SPI接口, 并且两个UART端口通过IO口复用实现。
采用表贴式的SHT11和TSL2550对板载的温度传感器、光强度传感器进行处理, 其输出均为数字信号。通过SPI总线JN5121可以获得温度、光强度信息。JN5121的两路ADC、SPI总线通过传感器扩展接口引出, 分别用于扩展模拟接口、数字接口的外部传感器。
2.2 RFID读写系统硬件设计
RFID在本物联网实训平台中的功能, 主要表现为:在系统中, 为每个人员、每个物体设置唯一的身份码, 进而在一定程度上识别所有人员、物体的身份, 同时对其合法性进行验证。
在本系统中, RFID主要包括读写模块和标签, 其中, 选择恒睿电子的RMU900+作为读写模块中的核心单元。这款UHF RFID读写模块的特点是超小型化, 并且工作频率比较高[3]。对于该RFID读写模块来说, 其优点主要表现为:读写速度很快, 单次识别的标签数目多, 并且有效识别距离远。RMU900+模块集成了PLL、无线发射无线接收、耦合器以及MCU等部件, 可通过UART与物联网从节点相连接, 读取并上传标签ID等信息。
3 结束语
该物联网综合教学实训平台的硬件采用模块化设计, 各个节点模块组合灵活、快捷。本实训平台的元器件数目少, 性能稳定, 本系统涵盖了zigbee、RFID、传感器等物联网关键技术, 可进行一些综合性实训的开发, 是学习物联网技术的理想开发平台, 具有良好的市场前景。
摘要：本文提出了基于zigbee的物联网综合教学实训平台的硬件设计方案, 该方案采用Jennic公司的一款集收发器和微控制器于一体的zigbee基带和射频芯片JN5121为控制核心, 外加多个从节点和一个RFID读写模块。对于高职院校来说, 此综合实训平台能够很好地解决物联网专业实训对象少的问题, 同时能够弥补相关操作, 以及仪器设备的空缺。
关键词：zigbee,物联网,综合实训
参考文献
[1]李俊韬.物联网技术教学实验系统的研究[J].铁路计算机应用, 2012, 21 (06) .
[2]吕岑, 毛云川, 等.基于RFID和Zigbee技术的物联网实验系统硬件设计与实现[J].信息化研究, 2012.
物联网及ZigBee 篇9
上海安科瑞电气股份有限公司位于江苏省江阴市南闸镇东盟工业园的生产基地———江苏安科瑞电器制造有限公司,主要生产智能网络仪表、多功能电能计量仪表、电量传感器、智能马达保护装置等用户端智能化电力设备。
在建筑楼宇、工矿企业、基础设施等用户端建立智能电能管理系统,对建设节约型社会具有十分重要的意义。Zigbee无线技术是一种工作在2.4G的无线通信技术,具有低耗电、低成本、低数据速率、短距离、通信可靠性高等特点。它很好的解决有线通信方式布线难度大、成本高、不易维护和升级等问题,而且组网灵活性很高,在电能管理系统中应用前景非常广泛。
2010年8月上海安科瑞在生产基地建设的基于Zigbee无线电能管理系统,投入运行,通过Zigbee无线组网对厂区内的配电房、行政、车间,以及各段工序的用电情况进行全程计量管理,见图所示。把用户终端的一些电力参数,如电压、电流、功率、谐波、电能、开关量等参数,通过无线的方式传送给监控主机,进行集中采集、集中管理、集中调度,并提供日报、月报、年报的电能统计,帮助各部门了解用电情况通过这些数据,就能制定每年、每月的节能计划,以达到建设节约型工厂,节约型社会的目的。