基于物联网的实验平台管理模块设计
基于物联网的实验平台管理模块设计[20200406141038]
摘 要
本课题设计的是实验平台管理模块，模块工作环境基于物联网系统。系统的核心是搭建无线通信网络。本课题采用的是基于CC2530和ZigBee协议栈Z-Stack的ZigBee网络解决方案。利用本课题设计的模块，实验者可自主选择实验设备，并能及时反映实验设备的使用状态。实验设备管理人员可以通过远程控制台控制所有的实验装置。本文首先概括地介绍了模块的系统设计方法，然后具体介绍了模块的软硬件设计，包括CC2530控制系统的设计、ZigBee星型网络的建立等。最后文章描述了模块的调试，涉及硬件PCB制作与调试、软件功能测试等步骤。
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关键字:物联网ZigBeeCC2530
Key Words: IOT; ZigBee;CC2530目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的基础、现状与趋势 1
1.2 课题研究的目的和意义 2
第二章 基于物联网的实验平台管理模块方案设计 3
2.1 实验教学管理平台介绍 3
2.2 实验平台管理模块方案设计 4
2.2.1 实验平台管理模块功能 4
2.2.2 无线通信解决方案 4
2.2.3 模块系统框图 6
第三章 模块硬件电路设计 7
3.1 模块硬件框图 7
3.2 CC2530最小系统 8
3.2.1 晶振电路 8
3.2.2 天线及巴比伦匹配电路 10
3.2.3 复位电路 10
3.3 其他电路 11
3.3.1 电源电路 11
3.3.3 继电器开关控制电路 12
3.3.4 按键及灯光控制电路 13
第四章 模块软件功能设计.......................... 14
4.1 软件开发协议栈................................. 14
4.2 ZigBee网络搭建 15
4.3 应用编程 16
4.3.1 ZigBee 2007协议栈OSAL 16
4.3.2 协调器程序设计 18
4.3.3 终端节点程序设计 21
第五章 模块功能测试 25
5.1 串口指令数据格式 25
5.2 测试过程及问题解决 26
结语 29
参考文献 30
致 谢 31
第一章 第二章 绪论
1.1 课题研究的基础、现状与趋势
实验教学是高校教学工作的重要组成部分,在培养学生综合素质、实践能力和创新能力方面发挥着不可替代的作用，因此实验室的重要性就不言而喻。而实验室的核心是实验设备，当前对实验平台的管理还主要停留在人力上，这种方式不仅浪费人力，增加管理成本，而且实验设备的状态信息也得不到及时反馈。鉴于这种现象，基于物联网技术的实验平台管理模块设计就凸显出其实际应用价值。
本课题的研究的是基于物联网技术的实验平台管理模块设计。所谓“物联网”，通俗地讲，就是“物物相连形成的互联网”，把原本不相关的物体，通过传感技术、通信技术、互联网技术等手段连接成具有感知的群体，实现物物的信息互通。物联网的历史可追溯到上个世纪九十年代初。1990年施乐公司的网络可乐贩售机——Networked Coke Machine可认为是物联网的开端。现在，物联网作为战略新兴产业已成为一个新的经济增长点。由于其巨大的社会经济效益及不可估量的发展前景，物联网也被称为继计算机、互联网之后世界信息产业 发展的第三次浪潮 。
物联网其实是一系列技术的结合，任何有助于“感知世界”建立的技术都可归纳到物联网技术的范畴。ZigBee技术就是其中一种。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的个域网协议，该协议定义了一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[1]。ZigBee网络有很丰富的应用，广泛应用于家庭自动化、库存跟踪、医疗保健、工业自动化、消费电子等场合中。许多的应用场合中，ZigBee设备可以提高工作效率、减少成本。总之，ZigBee技术的出现，为短距、低速无线传输系统提供了可靠经济的解决方案。
本课题研究的就是以物联网技术为核心，结合ZigBee技术、传感技术的实验室管理系统。系统将本来孤立冷冰的实验平台变成有感知的个体，并将其纳入网络。管理模块可视为实验平台感知器官，而ZigBee网络就是将实验平台连接起来的神经系统，并且与互联网技术的结合，还可实现实验室管理的可视化、远程化。在物联网发展的大势下，实验室的管理和运作将朝着更加自动化和人性化的方向发展。
1.2 课题研究的目的和意义
实验教学是高校教育的重要组成部分，因此也凸显出实验平台管理的重要性。传统对实验平台的管理主要靠人工，这种方式不仅相对耗费人力，而且效率较低，时效性不高。针对这些弊端，采用物联网技术设计实验平台管理模块就显现出它的必要性。
根据管理模块的功能规划，不仅能实现对实验平台的无线远程控制，而且管理模块还能采集实验设备的信息，并及时传送到主控台，让管理员能时时了解实验平台的状态。这将有助于开放性实验教学的开展，学生可以及时的反映问题，而教师也可以及时有效地了解实验状况。
第三章 基于物联网的实验平台管理模块方案设计
2.1 实验教学管理平台介绍
实验教学管理平台有三个子系统构成，分别为基于QtE的实验教学管理系统、基于嵌入式Web的远程实验教学监控系统以及基于物联网的实验平台管理模块。本课题所研究的是基于物联网的实验平台管理模块设计。
该实验教学管理平台以ARM开发平台为主控单元，结合Qt、嵌入式Web技术以及ZigBee技术实现了对实验教学和实验平台的本地及远程管理。首先在本地控制端，学生可通过实验教学管理系统自主选择实验项目及实验平台，学生在实验过程中可反馈信息，在实验结束后，系统记录实验信息。在远程控制端，教师则可通过互联网对实验情况进行监管。教师通过访问网页的形式了解实验进行情况，并获取实验室及实验平台的状态信息，还可通过网络摄像头对实验室进行实时监控。而实验平台管理模块的工作就是实现主控台对具体实验平台的无线管理。学生通过教学管理系统自主选择实验设备、系统对实验设备电源的开闭、学生实验过程中信息的反馈及实验设备状态信息的采集，都是通过此管理模块完成的。
图2-1实验教学管理平台结构框图
2.2 实验平台管理模块方案设计
2.2.1 实验平台管理模块功能
实验平台管理模块作为实验教学管理平台的一部分，其功能由系统需求而定。以下为具体功能：
1. 系统上电后，管理模块以无线的方式实现了实验平台与ARM主控端的连接。如此避免了布线的麻烦，使系统管理起来更方便。
2. 学生自主选择实验设备，系统通过管理模块锁定相应的实验设备。
3. 学生在实验过程中，如有信息反馈，可通过管理模块上的输入设备如按键来发送反馈信息。
4. 管理模块可以采集实验平台传感信息，如温度等。系统则可通过这些信息本地或远程监控设备状态。
2.2.2 无线通信解决方案
由于实验教学管理平台是通过无线方式管理具体实验平台，因此无线通信方式的选择是功能实现的关键。从成本、实现难易度等因素考虑，本课题选择基于ZigBee的无线网络解决方案。构建ZigBee无线通信网络的一种典型的方案是CC2530F256片上系统和ZigBee协议栈（Z-Stack）[2]。
1. ZigBee简介
ZigBee是一种用于低数据速率的短距离无线网络通信协议标准。其最大数据传输速率是250K bit/s。ZigBee的无线设备工作频段为868兆赫，915兆赫和2.4千兆赫。ZigBee技术主要是针对于电池供电的应用，其主要要求包括低数据速率、低成本和较长的电池寿命。ZigBee标准由ZigBee联盟制定。ZigBee联盟由数百家公司组成，行业范围涉及半导体产业、软件开发、原始设备制造（OEM）等。ZigBee标准采用IEEE 802.15.4作为其物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）协议。因此，兼容ZigBee的设备同样符合IEEE 802.15.4标准。
摘 要
本课题设计的是实验平台管理模块，模块工作环境基于物联网系统。系统的核心是搭建无线通信网络。本课题采用的是基于CC2530和ZigBee协议栈Z-Stack的ZigBee网络解决方案。利用本课题设计的模块，实验者可自主选择实验设备，并能及时反映实验设备的使用状态。实验设备管理人员可以通过远程控制台控制所有的实验装置。本文首先概括地介绍了模块的系统设计方法，然后具体介绍了模块的软硬件设计，包括CC2530控制系统的设计、ZigBee星型网络的建立等。最后文章描述了模块的调试，涉及硬件PCB制作与调试、软件功能测试等步骤。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:物联网ZigBeeCC2530
Key Words: IOT; ZigBee;CC2530目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题研究的基础、现状与趋势 1
1.2 课题研究的目的和意义 2
第二章 基于物联网的实验平台管理模块方案设计 3
2.1 实验教学管理平台介绍 3
2.2 实验平台管理模块方案设计 4
2.2.1 实验平台管理模块功能 4
2.2.2 无线通信解决方案 4
2.2.3 模块系统框图 6
第三章 模块硬件电路设计 7
3.1 模块硬件框图 7
3.2 CC2530最小系统 8
3.2.1 晶振电路 8
3.2.2 天线及巴比伦匹配电路 10
3.2.3 复位电路 10
3.3 其他电路 11
3.3.1 电源电路 11
3.3.3 继电器开关控制电路 12
3.3.4 按键及灯光控制电路 13
第四章 模块软件功能设计.......................... 14
4.1 软件开发协议栈................................. 14
4.2 ZigBee网络搭建 15
4.3 应用编程 16
4.3.1 ZigBee 2007协议栈OSAL 16
4.3.2 协调器程序设计 18
4.3.3 终端节点程序设计 21
第五章 模块功能测试 25
5.1 串口指令数据格式 25
5.2 测试过程及问题解决 26
结语 29
参考文献 30
致 谢 31
第一章 第二章 绪论
1.1 课题研究的基础、现状与趋势
实验教学是高校教学工作的重要组成部分,在培养学生综合素质、实践能力和创新能力方面发挥着不可替代的作用，因此实验室的重要性就不言而喻。而实验室的核心是实验设备，当前对实验平台的管理还主要停留在人力上，这种方式不仅浪费人力，增加管理成本，而且实验设备的状态信息也得不到及时反馈。鉴于这种现象，基于物联网技术的实验平台管理模块设计就凸显出其实际应用价值。
本课题的研究的是基于物联网技术的实验平台管理模块设计。所谓“物联网”，通俗地讲，就是“物物相连形成的互联网”，把原本不相关的物体，通过传感技术、通信技术、互联网技术等手段连接成具有感知的群体，实现物物的信息互通。物联网的历史可追溯到上个世纪九十年代初。1990年施乐公司
物联网其实是一系列技术的结合，任何有助于“感知世界”建立的技术都可归纳到物联网技术的范畴。ZigBee技术就是其中一种。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的个域网协议，该协议定义了一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术[1]。ZigBee网络有很丰富的应用，广泛应用于家庭自动化、库存跟踪、医疗保健、工业自动化、消费电子等场合中。许多的应用场合中，ZigBee设备可以提高工作效率、减少成本。总之，ZigBee技术的出现，为短距、低速无线传输系统提供了可靠经济的解决方案。
本课题研究的就是以物联网技术为核心，结合ZigBee技术、传感技术的实验室管理系统。系统将本来孤立冷冰的实验平台变成有感知的个体，并将其纳入网络。管理模块可视为实验平台感知器官，而ZigBee网络就是将实验平台连接起来的神经系统，并且与互联网技术的结合，还可实现实验室管理的可视化、远程化。在物联网发展的大势下，实验室的管理和运作将朝着更加自动化和人性化的方向发展。
1.2 课题研究的目的和意义
实验教学是高校教育的重要组成部分，因此也凸显出实验平台管理的重要性。传统对实验平台的管理主要靠人工，这种方式不仅相对耗费人力，而且效率较低，时效性不高。针对这些弊端，采用物联网技术设计实验平台管理模块就显现出它的必要性。
根据管理模块的功能规划，不仅能实现对实验平台的无线远程控制，而且管理模块还能采集实验设备的信息，并及时传送到主控台，让管理员能时时了解实验平台的状态。这将有助于开放性实验教学的开展，学生可以及时的反映问题，而教师也可以及时有效地了解实验状况。
第三章 基于物联网的实验平台管理模块方案设计
2.1 实验教学管理平台介绍
实验教学管理平台有三个子系统构成，分别为基于QtE的实验教学管理系统、基于嵌入式Web的远程实验教学监控系统以及基于物联网的实验平台管理模块。本课题所研究的是基于物联网的实验平台管理模块设计。
该实验教学管理平台以ARM开发平台为主控单元，结合Qt、嵌入式Web技术以及ZigBee技术实现了对实验教学和实验平台的本地及远程管理。首先在本地控制端，学生可通过实验教学管理系统自主选择实验项目及实验平台，学生在实验过程中可反馈信息，在实验结束后，系统记录实验信息。在远程控制端，教师则可通过互联网对实验情况进行监管。教师通过访问网页的形式了解实验进行情况，并获取实验室及实验平台的状态信息，还可通过网络摄像头对实验室进行实时监控。而实验平台管理模块的工作就是实现主控台对具体实验平台的无线管理。学生通过教学管理系统自主选择实验设备、系统对实验设备电源的开闭、学生实验过程中信息的反馈及实验设备状态信息的采集，都是通过此管理模块完成的。
图2-1实验教学管理平台结构框图
2.2 实验平台管理模块方案设计
2.2.1 实验平台管理模块功能
实验平台管理模块作为实验教学管理平台的一部分，其功能由系统需求而定。以下为具体功能：
1. 系统上电后，管理模块以无线的方式实现了实验平台与ARM主控端的连接。如此避免了布线的麻烦，使系统管理起来更方便。
2. 学生自主选择实验设备，系统通过管理模块锁定相应的实验设备。
3. 学生在实验过程中，如有信息反馈，可通过管理模块上的输入设备如按键来发送反馈信息。
4. 管理模块可以采集实验平台传感信息，如温度等。系统则可通过这些信息本地或远程监控设备状态。
2.2.2 无线通信解决方案
由于实验教学管理平台是通过无线方式管理具体实验平台，因此无线通信方式的选择是功能实现的关键。从成本、实现难易度等因素考虑，本课题选择基于ZigBee的无线网络解决方案。构建ZigBee无线通信网络的一种典型的方案是CC2530F256片上系统和ZigBee协议栈（Z-Stack）[2]。
1. ZigBee简介
ZigBee是一种用于低数据速率的短距离无线网络通信协议标准。其最大数据传输速率是250K bit/s。ZigBee的无线设备工作频段为868兆赫，915兆赫和2.4千兆赫。ZigBee技术主要是针对于电池供电的应用，其主要要求包括低数据速率、低成本和较长的电池寿命。ZigBee标准由ZigBee联盟制定。ZigBee联盟由数百家公司组成，行业范围涉及半导体产业、软件开发、原始设备制造（OEM）等。ZigBee标准采用IEEE 802.15.4作为其物理层（PHY）和介质访问控制（MAC）协议。因此，兼容ZigBee的设备同样符合IEEE 802.15.4标准。
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