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1、物联网门禁系统无线通信接口设计 论文答辩姓名 吴缺班级 自动化2008 2导师 范焘 物联网简介 物联网 TheInternetofThings IOT 狭义上说就是传感网 即传感器 识别技术和互联网的融合 这项技术带来的变化中的关键词就是 智能 做到物体可以感知 网络具有智慧 使得物物相连 现代新概念的物联网技术已经是互联网技术 传感技术 识别技术 智能执行系统的综合体 是一个动态的全球网络基础设施 以实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 物联网的网络构架 按照物联网的网络架构 普遍认为可以分为三个层次 感知层 网络层和应用层 一 物联网的感知层主要是为了实现智能感知功能 包括R
2、FID射频信号的识别 目标对象感知信息采集和捕获等 其关键技术包括 无线通信技术 传感器技术 RFID射频技术 自组织网络技术等 物联网的网络构架 二 物联网的网络层 物联网的网络层主要功能是将感知层接收到的信息进行科学的传送并完成相互的通信 网络层在层次结构上又包括接入层 核心层还有一个业务支撑平台 网络层可以借用电视电信网 无线广播网和互联网来实现自己的功能 物联网的网络构架 二 物联网的应用层物联网的应用层是系统的最高层 主要是包含信息处理各类的应用 例如有水电监控服务 门禁系统控制 智能家居 工业控制 智能电网环境监控 防盗安全系统等 物联网无线通信的新突破 自互联网诞生以来 网络通信
3、给我们的生活带来了极大的方便 但是在随着科学技术的不断飞跃 相互联系早已不再局限于人与人之间 正是这个原因促进了物联网 IOT 的诞生 为了简单高效的实现物与物的互联 人们把目光投向了 ZigBee 什么是ZigBee ZigBee是IEEE802 15 4协议的代名词 根据这个协议规定的技术是一种短距离 低功耗的无线通信技术 主要适合用于自动控制和远程控制领域 可以嵌入各种设备 简而言之 ZigBee就是一种便宜的 低功耗的近距离无线组网通讯技术 它具备的特点有 1 功耗低 由于工作周期很短 收发信息功耗较低 并且采用了休眠模式 Zigbee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的
4、使用时间 2 成本低 Zigbee协议层次强且所需内存小 这大大降低了的成本 ZigBee协议免专利费 不到蓝牙的1 10 3 时延短 通常时延都在15毫秒至30毫秒之间 相比较 ZigBee已经节约了很多时间 蓝牙需3 10s Wi Fi需3s 4 传输范围有限 ZigBee节点的最大传输距离为70m 但是已经可以满足智能家居和智能办公室的需要 5 数据传输速率低 2 4GHz频段的传输速率为250Kbps 6 工作频段灵活 使用的频段分别为2 4GHz 868MHz 欧洲 及915MHz 美国 均为免执照频段 7 数据传输的可靠性较高 ZigBee采用了冲突避免 CSMA CA 机制 Zi
5、gBee提供了三级安全模式 用法十分的灵活 使其更具有高可靠性 因此更加的安全 ZigBee协议栈 1 ZigBee协议栈的表现形式由各种软件代码 分层次组成的软件协议栈 2 代码分类 应用层 安全层 网络层 MAC层 物理层等 ZigBee协议栈结构图 ZigBee协议栈软件层次图 协议栈各层功能介绍 PHY定义了ZigBee设备的工作频段为2 4GHz MAC层负责相邻设备间的数据通信 应用层由用户开发提供功能服务函数 安全层提供信息安全加锁服务 NWK层负责各个协议层之间可靠的数据传输 网络层主要实现节点加入或离开网络 路由查找以及传送数据等功能 ZigBee网络结构 ZigBee协议栈
6、的核心部分在网络层 网络层支持星形 Star 树形 Cluster Tree 网状形 Mesh 等多种拓扑结构 各种网络结构的分析 星形网络结构包括一个ZigBee协调器和一个或多个终端设备 协调器是整个结构的中心 全部信息的传递必须经过协调器的处理 在树型网络结构中 终端设备可以当作ZigBee协调器 也可以当作ZigBee路由器 此路由器有两个功能 第一个是增加网络中节点数量 另一个是扩展网络的控制范围 网型网络与上面的树型网络在结构上有一定的相似度 它优点在于减少消息的反应时间 增加消息的稳定性和可靠性 研究成果 串口终端1ZigBee节点1ZigBee节点2串口终端2 一 基于ZigB
7、ee技术无线通信接口设计的实现 无线通信接口设计实现的步骤简介 1 下载协调器程序 下载成功2 下载终端设备程序 下载成功3 程序下载完成后 按下任意一个节点的S1进行绑定申请 然后立即按下另外一个节点的S1进行绑定确认 此时 两个节点的灯均点亮 表示绑定成功 4 打开两个串口调试助手 一个是协调器串口 一个是终端设备串口 5 测试 可以看见终端设备此时可以发送数据给协调器 而且两个设备此时可以相互发送数据 无线通信接口设计实现的结果 注意 其中波特率为 38400 无校验位 数据位 8 停止位 1 研究成果 二 串口无线通信网络的自组织网 ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事 网络中数
8、据传输的路径并不是预先设定的 而是传输数据前 通过对网络当时可利用的所有路径进行搜索 分析它们的位置关系以及远近 然后选择最优的一条路径进行数据传输 随着彼此间的动态变化 还可以重新寻找通信对象 再次确定彼此间的联络 对原有网络进行刷新 这就是自组织网 自组织网的优点 1 智能化和灵活性强 会选择最优的路径进行组网和传输信息 2 扫描时间短和实时性强 扫描时间可以精确到0 1秒 可是实施精确的监控和跟踪 串口无线通信网络的自组织网的实现步骤 1 找到wuqueSensorDemo eww 双击打开 进入IAR工程界面 2 在IAR工程界面里选择SensorEB 编译无误 然后下载到协调器 3
9、在IAR工程界面里选择CollectorEB 编译无误 然后下载到终端设备 4 现在看到两个开发板LED1 LED2同时闪烁 此时LCD屏显示为当前节点的IEEE地址 说明了他们已经初始化成功 可以进行无线自组网 5 现在对按下协调器U3的UP键 开始自组网 6 将协调器的串口与PC连接起来 启动ZigBeeSensorMonitor 7 选择正确的串口 点击工具栏绿色的三角形按键 ZigBeeSensorMonitor窗口马上被激活 8 现在按下协调器的U3的RIGHT键 开启接收报告功能 按下终端设备U3的DOWN键 路由器开始向协调器发送报告 自组网ZigBeeSensorMonitor
10、窗口的显示 注 上图为ZigBeeSensorMonitor窗口出现的自动组网的画面 并对时间 网络地址和温度进行了采集 每秒钟进行反馈刷新一次 多个ZigBee设备的自组网 注 这些ZigBee无线通信串口传输反馈信息一般关系是 终端设备 路由器 协调器 成果总结和展望 完成的成果总结 1 理论部分给出了基于ZigBee技术的物联网门禁系统无线通信接口设计的完整解决方案 2 设计部分主要包含ZigBee无线通讯接口设计和ZigBeeSensorDemo自组网设计两部分内容 具体完成了网络的建立 绑定和无线通信 以及ZigBee串口的自组网设计 3 拓展部分学习了ZigBee无线传输应用协议栈的设计 完成了网络基本功能测试 为以后自己做更好的无线通信接口的设计积累了宝贵的经验 展望 下一步研究应该总结本文的不足 加上上位机管理软件和射频识别部分一起建立完整的物联网门禁系统软硬件平台 实现系统的整体功能 谢谢
