物联网通信技术应用项目开发概论

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1、项目五 物联网通信技术应用项目开发5.1 任务一：蓝牙技术应用与实践5.2 任务二：GPRS技术应用开发5.3 任务三：ZigBee技术应用开发5.4 任务四：Wi-Fi技术5.5 任务五：无线网的综合实践5.1 任务一：蓝牙技术应用与实践5.1.1 蓝牙技术的背景知识蓝牙(Bluetooth)技术是由爱立信、诺基亚、Intel、IBM和东芝五家公司于1998年5月共同提出开发的。蓝牙技术的本质是设备间的无线联接，主要用于通信与信息设备。近年来，在电声行业中也开始使用蓝牙技术。1.蓝牙模块的种类1)蓝牙模块的种类蓝牙模块可以从应用、芯片、技术、性能等多个角度区分。(1)从应用角度划区有：手机蓝

2、牙模块、蓝牙耳机模块、蓝牙语音模块、蓝牙串口模块、蓝牙电力模块和蓝牙HID模块等。(2)从技术角度看可分为三种：蓝牙数据模块、蓝牙语音模块和蓝牙远程控制模块。(3)从芯片采用的角度看可分为ROM版模块、EXT模块及FLASH版模块。(4)从功率角度来看，标准通信距离有100m、10m等蓝牙模块。(5)按所采用的芯片厂家来分，市场上有CSR、Brandcom、爱立信、Philip等，市场上大部分解决方案是前两家公司的方案，爱立信等主要为自己手机等产品配套。公司采用CSR 的芯片开发模块及应用软件。2)蓝牙模块的选择大规模民用产品一般选用ROM版模块，如市场上的USB蓝牙适配器，由于大部分协议运行

3、在PC内部，对芯片处理能力要求很低，芯片厂家会推出价格很低的产品；工业蓝牙应用一般应采用FLASH版的芯片生产的模块，运行速度快，具备高集成度、高可靠性、高性能指标等特点。2.蓝牙模块的通信频率1)蓝牙的工作频段2)蓝牙模块的跳频与工作模式3.蓝牙模块的协议蓝牙协议是由蓝牙兴趣小组SIG(Bluetooth Special Interest Group)开发的无线通信协议，主要面向近距离的无线数据语音传输，完成电缆替代的核心应用，蓝牙技术发展中主要经历了V1.1、V1.2、V2.0、V2.1、V3.0、V4.0等版本。4.蓝牙模块的外围接口蓝牙模块的外围接口种类很多，不同的蓝牙模块配置不同，主

4、要有UART串口、USB接口、双向数字PIO、数模转换输出DAC、模拟输入ADC、模拟音频接口AUDIO、数字音频接口PCM和编程口SPI。另外还有电源、复位、天线等。5.蓝牙模块的功率与距离1)蓝牙模块的发射功率2)蓝牙模块的接收灵敏度3)蓝牙模块的通信距离5.1.2 蓝牙网关1.蓝牙网关的功能蓝牙网关用于办公网络或物联网内部的蓝牙移动终端，通过无线方式访问局域网以及Internet；跟踪、定位办公网络内的所有蓝牙设备，在两个属于不同匹配网的蓝牙设备之间建立路由连接，并在设备之间交换路由信息。2.蓝牙移动终端(MT)蓝牙移动终端是普通的蓝牙设备，能够与蓝牙网关以及其他蓝牙设备进行通信，实现办

5、公网络内部移动终端的无线上网以及网络内部文件、资源的共享。各个功能模块关系如图5.1所示。图5.1 功能模块关系5.1.3 蓝牙系统的结构及组成1.蓝牙网络的结构微微网是实现蓝牙无线通信的最基本方式。每个微微网只有一个主设备，一个主设备最多可以同时与七个从设备同时进行通信，多个蓝牙设备组成微微网如图5.2所示。图5.2 多个蓝牙设备组成微微网(Piconet)散射网是多个微微网相互连接所形成的比微微网覆盖范围更大的蓝牙网络，其特点是不同的微微网之间有互联的蓝牙设备，如图5.3所示。图5.3 多个微微网组成散射网(Scatternet)2.蓝牙系统的组成1)无线单元 蓝牙是以无线LAN的IEEE

6、 802.11标准技术为基础的，使用2.45GHz ISM全球通自由波段。2)链路控制单元(1)建立物理链路。(2)差错控制。(3)验证和加密。3)链路管理器 链路管理器(LM)软件模块设计了链路的数据设置、鉴权、链路硬件配置和其他一些协议。链路管理器能够发现其他蓝牙设备的链路管理器，并通过链路管理协议(LMP)建立通信联系。5.1.4 实践一：Bluetooth模块的应用实践1.实践内容本节将在IOT-L01-05型物联网综合实验箱的应用网关上开发一个小程序，控制实验箱内的蓝牙模块，与智能手机中的客户端程序相配合实现利用蓝牙的数据通信。2.硬件接口原理Bluetooth模块硬件原理图如图5.

7、4所示。图5.4 Bluetooth模块硬件原理图3.实践原理蓝牙模块控制常用AT命令行如表5.1所示。4.软件设计实验箱内的蓝牙模块默认情况下工作在从机模式，串口通信的波特率为9600-8-N-1。为了简单起见，网关上的应用程序只通过AT命令行来修改蓝牙模块的名称(也就是广播名称)。5.实践步骤(1)建立BlueToothTest工程，完成源码设计，并将程序烧写到Android网关上。(2)为自己的智能手机安装“蓝牙串口通信助手”软件，该软件的apk安装包位于本书配套资源的应用程序目录下，名为“安卓手机串口调试助手A.apk”。安装完毕后，打开该软件，在菜单中选择“连接设备”，此时手机会自动

8、搜索周边的蓝牙设备，找到之前设置好名称的蓝牙模块，与之配对，配对密码是“1234”，完成配对后，在手机软件的发送框内发送数据，可以在Android网关程序上显示出来，同理，在Android网关上发送的数据也可以在手机上显示出来。5.1.5 实践二：基于Bluetooth的传感器网络实践1.蓝牙模块BF10-A详解1)产品概述BF10蓝牙通信模块是智能型无线数据传输蓝牙模块，支持48001382400b/s等多种接口波特率，支持从模式，支持64通道蓝牙替代串口线。2)使用方法BF10模块的TXD需要和外部单片机或ARM的RXD相连，BF10模块的RXD需要和外部单片机的TXD相连。模块供电是3.

9、3V，可以用AMS1117供电。其BF10模块原理图如图5.5所示。图5.5 BF10 模块原理图3)替代串口线透明数据模式应用原理框图如图5.6所示。图5.6 应用原理框图4)从客户端模式从客户端模式是用在被电脑的蓝牙适配器、PDA、手机等通用蓝牙设备连接进行数据传输的情况。5)设置串口通信波特率串口通信数据格式为：8个数据位，无校验位，1bit停止位，TTL电平为3.3V。其波特率选择如表5.2所示。6)设置模块通道模块通道如表5.3所示。7)应用实例(1)替代串口线应用。(2)作为蓝牙从端，与PC机蓝牙适配器、手机形成透明串口线应用。2.Bluetooth的传感器网络的实现1)实践内容通

10、过Bluetooth硬件模块与STM32F103处理器的连接。使用Keil MDK开发环境设计程序，实现Bluetooth模块之间的组网配置。2)实践原理(1)硬件接口原理。蓝牙组网原理：实验使用配套蓝牙模块是由STM32F103处理器与BF10蓝牙模块连接构成，通过对应用处理器IO的设置，可以配置BF10蓝牙模块的通信接口、工作模式、工作通道等网络参数，进行形成基于蓝牙网络的传输系统。图5.7 蓝牙组网工作原理图(2)软件接口原理。设置蓝牙串口工作波特率。串口通信数据格式为：8个数据位，无校验位，1bit停止位。其波特率选择参照表5.2所示。模块通道设置参照表5.3所示的模块通道。操作方式。

11、蓝牙串口通信协议。传感器说明。传感器说明如表5.4所示。传感器底层协议。传感器底层协议定义如表5.5所示。(3)关键代码分析。3)实践步骤本实践环境：硬件：CBT-SuperIOT型教学实验平台，PC机，j-Link仿真器，传感器模块。软件：Keil MDK开发环境，串口工具。图5.8 对工程进行编译图5.9 用串口工具观察蓝牙主机收到的数据5.2 任务二：GPRS技术应用开发5.2.1 GPRS技术基础知识1.GPRS简介GPRS为(General Packet Radio Service)，通用分组无线业务的简称，是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS具有充分利用现有

12、的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等特点。2.GPRS特点GPRS(通用无线分组业务)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS充分利用共享无线信道，采用IP Over PPP实现数据终端的高速、远程接入。作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术(2.5G)，GPRS在许多方面都具有显著的优势。GPRS具有下列特点：(1)可充分利用现有资源：(2)传输速率高(3)接入时间短(4)提供实时在线功能“alwaysonline”(5)按流量计费 5.2.2 GPRS无线通信实践1.SIM900 GPRS模块硬件SIM900 GPRS模

13、块硬件是SIMCOM公司推出的新一代GPRS模块，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。2.GPRS通信模块的AT指令集GPRS模块和应用系统是通过串口连接的，控制系统可以发给GPRS模块AT命令的字符串来控制其行为。GPRS模块具有一套标准的AT命令集，包括一般命令、呼叫控制命令、网络服务相关命令、电话本命令、短消息命令、GPRS命令等。3.GPRS通信模块应用的关键代码在本实验中创建了两个线程：发送指令线程keyshell和GPRS反馈读取线程gprs_read。5.3 任务三：ZigBee技术应用开发5.3.1 ZigBee技术的基础知识ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数

14、据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee技术具有如下主要特点：(1)数据传输速率低：(2)功耗低：(3)成本低：(4)网络容量大：(5)有效范围小：(6)工作频段灵活：5.3.2 ZigBee协议栈ZigBee协议栈结构如图5.10所示，是基于标准OSI七层模型的，包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层。图5.10 ZigBee协议栈 5.3.3 构建ZigBee的网络系统1.ZigBee网络配置低数据速率的WPAN中包括两种无线设备：全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)。2.ZigBee网络的拓扑结构ZigBee网络的拓扑结构主要有三种：星型网、Mesh(网状

15、)网和混合网。图5.11 ZigBee拓扑结构3.ZigBee组网技术ZigBee中，只有PAN协调点可以建立一个新的ZigBee网络。当ZigBeePAN协调点希望建立一个新网络时，首先扫描信道，寻找网络中的一个空闲信道来建立新的网络。5.4 任务四：Wi-Fi技术5.4.1 Wi-Fi技术的基础知识Wi-Fi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。其实就是IEEE 802.11b的别称，是由一个名为“无线以太网相容联盟”(Wireless Ethernet Compatibility Alliance，WECA)的组织所发布的业界术语。1.Wi-Fi

16、网络架构Wi-Fi网络架构主要包括如下六部分。(1)站点(Station)：(2)基本服务单元(Basic Service Set，BSS)：(3)分配系统(Distribution System，DS)：(4)接入点(Access Point，AP)：(5)扩展服务单元(Extended Service Set，ESS)：(6)关口(Portal)：2.Wi-Fi网络工作原理WiFi的设置至少需要一个Access Point(AP)和一个或一个以上的Client(hi)。AP每100ms将SSID(Service Set Identifier)经由beacons(信号台)封包广播一次，bea

17、cons封包的传输速率是1Mb/s，并且长度相当的短，所以这个广播动作对网络效能的影响不大。3.Wi-Fi网络的使用一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。5.4.2 Wi-Fi设备的应用实践 1.实践内容在网关上开发Wi-Fi模块间的通信程序。2.实践原理IOT-L01-05型物联网综合实验箱提供两款Wi-Fi模块，一种是USB接口Wi-Fi模块也就是平常经常用到的USB无线网卡，将它插在应用网关的U口上刻使应用网关具

18、备Wi-Fi通信的功能，另一种是传感器节点上使用的可插针式Wi-Fi模块，以后简称Wi-Fi模块，这也是本节中将重点介绍的模块，该模块内集成了完整的Wi-Fi及TCP/IP协议栈，通过UART口与节点上的STC单片机通信获取传感器数据。3.硬件接口Wi-Fi模块的外围电路图如图5.12(左)所示，可以看到该模块是个高集成模块，为用户屏蔽了绝大部分电路特性，它为用户提供的接口只有20和21管教的发送和接收两个接口，也就是UART接口，UART接口输入输出的是TTL电平信号，可以直接与各种型号的单片机相连，也可以通过MAX232芯片(图5.12中)进行电平转换成标准的RS232电平信号，然后通过D

19、B9串口(图5.12右)接口与上位机相连。图5.12 Wi-Fi模块的电路图4.配置和使用Wi-Fi模块实验箱内的Wi-Fi模块出厂默认工作在AP模式下，为Wi-Fi模块所在传感器节点上电，在PC机上可以通过Windows自带的功能找到一个名为HI-LINK-*的无线Wi-Fi网络SSID，该网络的接入密码是12345678，接入该网络，并将PC机的无线IP地址配置为192.168.16.*网段。打开IE浏览器，在地址栏输入地址“192.168.16.254/ser2net.asp”，回车确认，用户名密码均为“admin”，即可进入Wi-Fi模块的IE配置窗口，如图5.13所示。图5.13 W

20、i-Fi模块的IE配置窗口对Wi-Fi模块进行如图5.14及图5.15所示的参数修改，点击Apply键确认，Wi-Fi模块重启，将PC机连入同一无线网络(本例中为“snan4love”)，并将IP地址设置为192.168.0.*网段。在PC机上尝试PING Wi-Fi模块的IP地址(本例中为192.168.0.145)，如果可以ping通，证明Wi-Fi模块配置成功。图5.14 对Wi-Fi模块进行参数设置1图5.15 对Wi-Fi模块进行参数设置25.应用网关Wi-Fi通信程序的设计本应用程序是基于Android平台的Wi-Fi通信测试程序，整个程序可以分为两部分。(1)利用XML进行程序布

21、局，布局思路如下：在第一行需要两个EditText文本框，分别填写Wi-Fi模块的IP地址和端口号，并且有一个建立连接的按键。在第二行有可编辑文本框1，在这里面输入想要通过Socket发送的数据，并且有一个发送按键。在第三行可编辑文本框2，在这里面显示从Socket获取的数据，并且有一个清空按键。(2)使用Java语言编写MainActivity主程序。6.实践步骤(1)利用以上提供的源码，建立一个名为WiFiTest的Android工程，并将其编译烧写至实验箱的应用网关上。将实验箱配套的USB无线网卡插到网关的USB插槽上，并对Wi-Fi进行配置让它接入和Wi-Fi模块相同的无线网络并且处于

22、同一网段。(2)将Wi-Fi模块通过串口与PC机相连，在PC机上打开串口调试大师软件，设置正确的串口参数并打开串口。(3)打开应用网关的WiFiTest程序，输入Wi-Fi模块的IP地址，建立连接并且尝试通过Wi-Fi与PC机互相通信。5.5 任务五：无线网的综合实践5.5.1 实践一：ZigBee无线组网和点对点通信1.实训内容本实践是用ZigBee无线组网实现点对点通信数据传输，其基本功能是：两个ZigBee节点进行点对点通信，ZigBee节点1发送“Hello”字符串给ZigBee节点2，节点2收到数据后，对接收到的数据进行判断，如果收到的数据是“Hello”，则使节点2上的LED灯闪烁

23、。2.实训设备(1)电脑一台，安装IAR EW8051集成开发环境，安装Z-Stack协议栈。(2)SmartRF04EB或CC Debugger编程调试工具一套。(3)两个ZigBee节点模块。3.实训步骤1)建立一个全新的Z-Stack工程(1)在ZigBee无线传感网络中有三种设备类型：协调器、路由器和终端节点，设备类型是由Z-Stack的不同编译选项来选择的。协调器主要负责网络的组建、维护、控制终端节点的加入等工作。路由器主要负责数据包的路由选择和转发。终端节点负责数据的采集和执行控制命令等，不具备路由功能。(2)在本实训中，ZigBee节点2配置为一个协调器，负责ZigBee网络的组

24、建，ZigBee节点1配置为一个终端节点，上电后自动加入协调器建立的网络中，然后发送“Hello”字符串给协调器。(3)打开ZStack-CC2530-2.5.1ProjectszstackSamples目录，在这里建立工程，在该目录下，已经有了三个文件夹，分别是GenericApp、SampleApp和SimpleApp。(4)下面来建立一个新的Z-Stack工程，工程名为MyFirstApp。先复制GenericApp到本目录下，快捷操作如下：用鼠标选择GenericApp文件夹，使之处于高亮状态，此时按住Ctrl键，往下拖动GenericApp文件夹，当出现“+”号时，释放鼠标，则可以快

25、速复制GenericApp文件夹到当前目录。(5)重命名“复件GenericApp”文件夹为“MyFirstApp”。(6)打开MyFirstApp/Source目录，如下所示：(7)修改这三个文件的名称，如下所示：(8)打开路径MyFirstApp/CC2530DB，将里面的文件重命名为：(9)用文本编辑工具如记事本分别打开这三个文件，把里面所有的GenericApp字符串都替换为MyFirstApp，如图5.16所示。图5.16 替换文件中的字符串(10)同样，用文本编辑工具打开MyFirstApp/Source文件夹下的三个文件，把里面所有的GenericApp字符串都替换为MyFirs

26、tApp。(11)双击MyFirstApp/CC2530DB文件夹下的MyFirstApp.eww，打开IAR工程，如图5.17所示。至此，全新的工程就建立好了。图5.17 打开IAR工程(12)IAR软件Workspace窗口文件列表的最上面一行显示的是工程名MyFirstApp，工程名下面就是这个工程拥有的所有文件和文件夹。在工程名MyFirstApp上单击右键，弹出菜单，选择Rebuild All进行编译。编译完成，如果没有错误，则全新的工程就建立好了。(13)在一个IAR工程中，可以有多种配置，每种配置可以有不同的编译选项。(14)选择信道，可根据要求选择信道。在工程的Workspac

27、e下的Tools文件组下，打开f8wConfig.cfg文件，文件中定义了026信道，但这些定义都补注释掉，只要把文件中对应信道的语句前注释符“/”去掉就可选择该信道。4.协调器编程图5.18 选择Coordinator EB配置图5.19 选择Enclude from build5.终端节点的编程(1)先选择EndDevice的配置文件，如图5.20所示，在Workspace的最顶端就是选择不同配置的地方，在这里选择EndDeviceEB。图5.20 选择EndDeviceEB(2)然后在Coordinator.c文件上单击右键，把Coordinator.c文件排除出编译列表，如图5.21所

28、示。图5.21 将Coordinator.c文件排除编译列表(3)完成后，Coordinator.c图标里面有一个叉，同时文件名也变成灰色，如图5.22所示。图5.22 Coordinator.c图标显示(4)编写EndDevice.c文件：EndDevice.c是终端设备端的应用程序，主要功能是向协调器发送“Hello”消息。6.ZigBee数据传输实验剖析(1)本实训完成了ZigBee无线网络点对点的数据传输，下面来具体了解一下整个的工作流程。(2)首先，协调器上电后，会按照程序和工程中设定的参数选择信道、网络号建立ZigBee网络，这部分的内容是在协议栈里面实现的，用户应用程序不需要编写

29、代码来实现。图5.23(a)是协调器的工作流程图。图5.23 ZigBee数据传输实验工作流程图(3)图5.23(b)是终端节点的工作流程图，终端节点上电后，会技术硬件电路的初始化，然后搜索周围空间有否有ZigBee无线网络，如果有ZigBee无线网络再自动加入(这时最简单的情况，当然也可以控制节点加入网络)。终端节点加入网络后将定时发送数据给协调器(网络地址为0)，最后使LED闪烁以示发送完成。(4)在了解具体的网络数据发送过程前，这里有几个重要的数据结构和函数需要了解：地址类型数据结构：ZigBee设备的地址一共有五种类型。AddrNotPresent：Addr16Bit：Addr64Bi

30、t：AddrGroup：AddrBroadcast：地址数据结构：定义通信的地址。addr：地址。addrMode：在定义ZigBee地址时，可以通过addrMode设定五种地址模式。endpoint：端点，一个设备会有很多个端点，当进行通信时，其实就是端点到端点的通信。panId：网络ID。输入消息包数据结构：定义了协议栈底层接收到的无线数据包。(5)在ZigBee协议栈中进行数据发送，可以直接调用AF层的AF_DataRequest()函数，该函数会调用协议栈里面与硬件相关的函数将数据通过天线发送到空间中。底层的操作我们无需了解也无法了解，因为Z-Stack并不是完全开源的协议栈，有很大一

31、部分协议栈的实现都是使用库文件lib的形式来提供给用户的。用户只需要掌握AF_DataRequest()函数的使用方法即可。(6)终端节点给网络地址0 x0000发送数据后，协调器会收到该数据，但接收到的数据放在哪里？怎样通知用户应用程序有新的数据？这些都是通过操作系统来完成的，正是由于操作系统的存在，使得我们开发用户程序变得非常简单，我们不需要去关心数据是怎么接收的，只需要知道数据在哪，什么时候会接收到新的数据。当协调器接收到数据行，操作系统会将该数据封装成一个消息，然后将消息放入消息队列中，并且通知用户应用程序进行处理。(7)用户应用程序对消息的处理是在MyFirstApp_Process

32、Event()函数中进行的，消息队列中的每个消息都会有一个任务ID和一个消息ID，而表示新数据的消息ID是AF_INCOMING_ MSG_CMD。消息处理函数根据消息ID调用相应的子函数MyFirstApp_MessageMSGCB()进行处理。5.5.2 实践二：3G无线通信的应用实践1.实践内容利用IOT-L01-05型物联网综合实验箱配套的USB 3G上网卡实现SMS短信发送。2.程序设计要求用户界面界中需要有以下内容：(1)可编辑文本框A，用来编辑收件人的电话号码。(2)可编辑文本框B，用来编辑需要发送的信息。(3)发送按键。3.关键代码解析4.实践步骤(1)将一张联通的WCDMA

33、3G SIM卡插入实验箱配套的E261型USB 3G无线网卡中，并将无线网卡查到应用网关的USB接口上。(2)点击应用网关上的“3G-Dial UP”程序，此时会列出来已经识别了的3G网卡，选择其中的“E261”网卡，进入下一界面，点击“Connect”按键，此时网关将试图通过3G接入网络，如果正常接入会有“Connect”提示，此时右方会出现几个默认的网站，点击网站，发现已经可以通过3G浏览网页，3G功能调试成功。(3)在PC机上Ecplise中建立“TestSMS”工程，输入上一小节的源码编译并下载至网关上，测试短信发送功能。谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH