物联网技术与应用实践(项目式)熊茂华 项目5

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100 m、10 m等蓝牙模块。 (5) 按所采用的芯片厂家来分，市场上有CSR、Bra

2、ndcom、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

3、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

4、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 802.11标准技术为基础的，使用2.45 GHz 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5.4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，

5、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48001 382 400 b/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TX

6、D相连。模块供电是3.3 V，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，1 bit停止位，TTL电平为3.3 V。 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

7、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，1 bit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。 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具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高、资费合理等

8、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

9、：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)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)：,

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