zigbee的工业物联网研究与开发(源码)
随着时代的快速发展，无线通信技术已经成为时代的主流，是未来世界发展的必然趋势。ZigBee技术运用到工业物联网产品的开发与研究中，具有极大的发展前景。然而在此通信中，需要一种主流的通信协议为其保驾护航——HART协议应运而生。本文采用基于ARM Cortex M3处理器的LPC1768开发板，在下位机添加HART协议，利用PC端软件或串口助手实现主从通信。主要介绍了ARM Cortex M3处理器，LPC1768开发板，ZigBee模块配置，HART协议和具体软硬件设计，通过测试和调试，来完成整个系统通信。本次设计对于HART通信协议研究具有一定参考作用，不足之处就是HART协议错综复杂，硬件设备条件不足，想要进一步使用工业物联网中的HART协议通讯，还需进一步研究。关键词 工业物联网，ARM Cortex M3，LPC1768，ZigBee，HART目 录
1 绪论 1
1.1 工业物联网介绍 1
1.2 本课题的研究目的和意义 3
1.3 本课题的设计思路和方法 3
2 需求分析与可行性研究 5
2.1 需求分析 5
2.2 系统软硬件选择可行性 6
3 本课题重点知识点介绍 7
3.1 ARM CORTEX M3芯片 7
3.2 LPC1768开发板 7
3.3 ZIGBEE模块概述 10
3.4 HART协议介绍 17
3.5 虚拟串口软件介绍 24
3.6 HART协议仪表设置软件 27
4 软件设计 28
4.1 时钟模块程序设计 28
4.2 串口通信模块程序设计 29
4.3 HART协议模块程序设计 30
5 系统测试与调试 34
5.1 测试步骤 34
5.2 设计中遇到的问题及解决方案 36
结 论 39
致 谢 40
参考文献 41
1 绪论
物联网又名传感网，是第四次信息产业浪潮的产物，通俗讲就是物物联网，将世界上的万事万物连 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
.3 HART协议模块程序设计 30
5 系统测试与调试 34
5.1 测试步骤 34
5.2 设计中遇到的问题及解决方案 36
结 论 39
致 谢 40
参考文献 41
1 绪论
物联网又名传感网，是第四次信息产业浪潮的产物，通俗讲就是物物联网，将世界上的万事万物连接起来，再嵌入微型感应芯片使之智能化，借助于无线网络，人物对话、物物交流成为可能，这就是物联网。而工业物联网即将物联网技术运用到工业中，设计无线通信，通过主从机通讯实现监控。无线技术使用ZigBee技术，而ZigBee模块又分为很多种，本设计采用QAZ2000模块，只需进行简单配置，模块即可自组网，进行无线传输。这个系统的核心是HART协议，一般的协议是设计人员制定的，通信过程不具有规范性，而国际HART协议的加入，使通信过程更加规范，返回数据遵循标准的数据帧格式，保证了可靠性。
1.1 工业物联网介绍
物联网是指按商定的协议把互联网与物品相连接以实现信息交换和通讯，达到智能识别、定位、跟踪、监控和管理效果的一种网络[1]。物联网技术是新兴技术，是“信息化”时代发展阶段的重要组成部分。物联网又名“Internet of things（IoT）”，有两层含义：1、互联网是物联网实现的基础和核心，物联网的延伸与扩展离不开互联网；2、用户可以把网络延伸或扩展到物与物之间，交换信息和通信，即物物相息。物联网通信技术在现代网络中广泛应用，例如一些感知技术，识别技术，网络云计算等，对于现代网络发展起到了巨大的推动作用。而工业物联网，是在物联网基础上又添加许多关键技术，比如传感技术、通信技术、网络技术、信息处理技术和安全技术等[2]。
物联网示意图如图1.1所示：
图1.1 物联网
工业物联网示意图如图1.2所示：
图1.2 工业物联网
1.1.1 国外工业物联网发展概述
工业中的无线网络是无线传感网络发展而来[3]。国外工业无线网络研究在20世纪90年代就开始了。2000年，国际上出现传感器网络研究的成果。自此，世界各个国家军事部门、工业部门和学术界对无线传感网络加以关注。美国是最早投入资金对无线传感网络进行相关基础理论研究的国家，当地属“智能尘埃”实验室最具实力，是为美国军方提供相关方面的研究产品。
随后，工业物联网逐渐兴起，国际上著名公司和机构也投以极大热情。标准化上，标准化组织发布的IEEE 802.15.4标准，是一种功耗低、速率低、成本低的无线通信协议[4]，它具体定义了PHY和MAC层通信接口；处理器芯片由国际大厂生产；软件设计上，多个公司为节点的组网开发了软件协议栈等，为无线传感网的组建和测试研究打下了基础。
1.1.2 国内工业物联网发展概述
20世纪末，我国提出了无线传感网的概念，并作为重点项目展开研究，所以在工业无线网产业与应用研究方面的发展是和发达国家同步的。随着时代变迁，国内研究所在无线传感网基础上又增加了几个重要科研项目，例如无线智能传感网络通信、传感器应用系统等。许多相关成果进行了大规模的演示，有的甚至已经被运用在实际项目中[5]。
1.2 本课题的研究目的和意义
通过研究该课题，初步理解ZigBee的基础知识，学习配置和使用ZigBee透传模块，更有助于我们熟悉国际HART协议，将HART协议附加在串口通信上，并通过LPC1768开发板软硬件编程，学习嵌入式开发知识，深刻体会软硬件协同设计思想。本课题旨在加强我的钻研精神、团队精神，提高我的编程能力和对科研项目的自主研究兴趣，培养我的创新精神和实践能力，提高自身动手能力。C语言软件编程让我使用其进行软件设计更加得心应手，Keil Uvision 4开发环境了解更加深入，仿真、烧写也更加熟练。学习LPC1768开发板，也让我对硬件的引脚、寄存器等有更深刻的理解，对可以在开发板上进行实验的原理体会更深。
1.3 本课题的设计思路和方法
1.3.1 系统设计思路
本课题以ARM Cortex M3为处理器的LPC1768开发板为核心，通过ZigBee模块自组网，并添加HART协议，实现数据通信。以KEIL Uvision 4为主要开发平台，通过PC机即主机发送请求数据帧（包含命令），LPC1768开发板即从机将接收到数据帧并进行解析，具体命令操作后，将数据回送给PC机。用户只需在PC端发送命令和接收从机返回的数据，通信即完成。
1.3.2 系统设计方法
（1）设计下位机软件
该系统最主要的设计就在于下位机的软件设计，将LPC1768开发板作为下位机软件载体，开发板在串口通信功能上添加HART协议，使得整个通信过程符合HART协议规范，主机发送的请求帧和从机回复的应答帧都遵循该格式，格式正确数据即可发送与接收，否则丢失。
1 绪论 1
1.1 工业物联网介绍 1
1.2 本课题的研究目的和意义 3
1.3 本课题的设计思路和方法 3
2 需求分析与可行性研究 5
2.1 需求分析 5
2.2 系统软硬件选择可行性 6
3 本课题重点知识点介绍 7
3.1 ARM CORTEX M3芯片 7
3.2 LPC1768开发板 7
3.3 ZIGBEE模块概述 10
3.4 HART协议介绍 17
3.5 虚拟串口软件介绍 24
3.6 HART协议仪表设置软件 27
4 软件设计 28
4.1 时钟模块程序设计 28
4.2 串口通信模块程序设计 29
4.3 HART协议模块程序设计 30
5 系统测试与调试 34
5.1 测试步骤 34
5.2 设计中遇到的问题及解决方案 36
结 论 39
致 谢 40
参考文献 41
1 绪论
物联网又名传感网，是第四次信息产业浪潮的产物，通俗讲就是物物联网，将世界上的万事万物连 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
.3 HART协议模块程序设计 30
5 系统测试与调试 34
5.1 测试步骤 34
5.2 设计中遇到的问题及解决方案 36
结 论 39
致 谢 40
参考文献 41
1 绪论
物联网又名传感网，是第四次信息产业浪潮的产物，通俗讲就是物物联网，将世界上的万事万物连接起来，再嵌入微型感应芯片使之智能化，借助于无线网络，人物对话、物物交流成为可能，这就是物联网。而工业物联网即将物联网技术运用到工业中，设计无线通信，通过主从机通讯实现监控。无线技术使用ZigBee技术，而ZigBee模块又分为很多种，本设计采用QAZ2000模块，只需进行简单配置，模块即可自组网，进行无线传输。这个系统的核心是HART协议，一般的协议是设计人员制定的，通信过程不具有规范性，而国际HART协议的加入，使通信过程更加规范，返回数据遵循标准的数据帧格式，保证了可靠性。
1.1 工业物联网介绍
物联网是指按商定的协议把互联网与物品相连接以实现信息交换和通讯，达到智能识别、定位、跟踪、监控和管理效果的一种网络[1]。物联网技术是新兴技术，是“信息化”时代发展阶段的重要组成部分。物联网又名“Internet of things（IoT）”，有两层含义：1、互联网是物联网实现的基础和核心，物联网的延伸与扩展离不开互联网；2、用户可以把网络延伸或扩展到物与物之间，交换信息和通信，即物物相息。物联网通信技术在现代网络中广泛应用，例如一些感知技术，识别技术，网络云计算等，对于现代网络发展起到了巨大的推动作用。而工业物联网，是在物联网基础上又添加许多关键技术，比如传感技术、通信技术、网络技术、信息处理技术和安全技术等[2]。
物联网示意图如图1.1所示：
图1.1 物联网
工业物联网示意图如图1.2所示：
图1.2 工业物联网
1.1.1 国外工业物联网发展概述
工业中的无线网络是无线传感网络发展而来[3]。国外工业无线网络研究在20世纪90年代就开始了。2000年，国际上出现传感器网络研究的成果。自此，世界各个国家军事部门、工业部门和学术界对无线传感网络加以关注。美国是最早投入资金对无线传感网络进行相关基础理论研究的国家，当地属“智能尘埃”实验室最具实力，是为美国军方提供相关方面的研究产品。
随后，工业物联网逐渐兴起，国际上著名公司和机构也投以极大热情。标准化上，标准化组织发布的IEEE 802.15.4标准，是一种功耗低、速率低、成本低的无线通信协议[4]，它具体定义了PHY和MAC层通信接口；处理器芯片由国际大厂生产；软件设计上，多个公司为节点的组网开发了软件协议栈等，为无线传感网的组建和测试研究打下了基础。
1.1.2 国内工业物联网发展概述
20世纪末，我国提出了无线传感网的概念，并作为重点项目展开研究，所以在工业无线网产业与应用研究方面的发展是和发达国家同步的。随着时代变迁，国内研究所在无线传感网基础上又增加了几个重要科研项目，例如无线智能传感网络通信、传感器应用系统等。许多相关成果进行了大规模的演示，有的甚至已经被运用在实际项目中[5]。
1.2 本课题的研究目的和意义
通过研究该课题，初步理解ZigBee的基础知识，学习配置和使用ZigBee透传模块，更有助于我们熟悉国际HART协议，将HART协议附加在串口通信上，并通过LPC1768开发板软硬件编程，学习嵌入式开发知识，深刻体会软硬件协同设计思想。本课题旨在加强我的钻研精神、团队精神，提高我的编程能力和对科研项目的自主研究兴趣，培养我的创新精神和实践能力，提高自身动手能力。C语言软件编程让我使用其进行软件设计更加得心应手，Keil Uvision 4开发环境了解更加深入，仿真、烧写也更加熟练。学习LPC1768开发板，也让我对硬件的引脚、寄存器等有更深刻的理解，对可以在开发板上进行实验的原理体会更深。
1.3 本课题的设计思路和方法
1.3.1 系统设计思路
本课题以ARM Cortex M3为处理器的LPC1768开发板为核心，通过ZigBee模块自组网，并添加HART协议，实现数据通信。以KEIL Uvision 4为主要开发平台，通过PC机即主机发送请求数据帧（包含命令），LPC1768开发板即从机将接收到数据帧并进行解析，具体命令操作后，将数据回送给PC机。用户只需在PC端发送命令和接收从机返回的数据，通信即完成。
1.3.2 系统设计方法
（1）设计下位机软件
该系统最主要的设计就在于下位机的软件设计，将LPC1768开发板作为下位机软件载体，开发板在串口通信功能上添加HART协议，使得整个通信过程符合HART协议规范，主机发送的请求帧和从机回复的应答帧都遵循该格式，格式正确数据即可发送与接收，否则丢失。
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