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基于ZigBee协议的物联网实验教学平台的设计与开发

作　者: 孙冠男
导　师: 卢洪武
学　校: 山东师范大学
专　业: 教育技术学
关键词: 物联网 ZigBee 网关无线模块实验平台
分类号: TP391.44
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 8次
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内容摘要

作为国家倡导的新兴战略性产业，物联网备受各界重视，并成为就业前景广阔的热门领域。于是作为培养创新性人才的主要切入点，物联网专业成为了各高校近五年争相申请最多的一个新专业。但是物联网并非一个全新的技术，而是融合了以往的嵌入式系统、无线技术等多门技术的集成应用及创新。在以往高校实验室建设过程中，可能已经搭建了嵌入式实验环境、软件工程实验室等，如何利用已有技术条件，并构建符合物联网产业链人才需求的实验环境就是本物联网实验教学平台设计的关键。针对以上所说的情况，本文设计了一款基于ZigBee协议的物联网教学实验平台，并进行了以下几个方面的工作：（1）本文运用的ZigBee无线技术是一种低速率、低功耗、低成本的短距离无线通信技术，本文首先对市面上存在的物联网实验平台做了详细的性能比较，以学生的学习需求为出发点制定了最适合物联网及相关专业的学生学习的实验平台总体设计方案。（2）本文按照“核心板”+“扩展底板”的思想实现了存储器、复位/电源、串口、USB、网络接口、PCB天线等实验平台的各个功能模块的电路设计，完成了各模块的PCB设计、元件的焊接等硬件模块的整个开发及实现过程。（3）本文在硬件平台的基础上，对整个软件平台进行了系统性规划。在对各模块结构、原理分析完成之后，进行了交叉编译环境的建立，完成了Linux实时操作系统内核的移植、根文件系统的制作，又进行了Z-Stack协议栈的分析与改动。Z-Stack是ZigBee技术的软件具体实现，在实际中被普遍应用，本文详尽分析了Z-Stack协议栈的任务处理机制、各个函数的功能调用，最后根据课题实现目标编写应用程序。（4）文章最后对整个实验平台的测试结果表明本物联网实验平台的设计原理是可行的，达到了预定目标。通过此平台，学生可以通过开展物联网基础实验，完成课程体系的专业化学习，并进行小项目的实训开发；也可以通过通过本平台对物联网应用工程的整体架构进行了解和学习，完成从具体基础知识点到综合应用的提高，适用于本科软件工程、通信工程、电子工程、网络工程等相关专业本、专科学生、物联网工程技术人员以及广大物联网技术爱好者的学习和产品开发。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-10
第一章绪论  10-13
  1.1 研究背景及意义  10
  1.2 高校物联网专业发展现状  10-11
  1.3 物联网专业教学用实验平台发展现状  11-13
第二章平台关键技术研究及总体方案设计  13-20
  2.1 嵌入式系统的研究  13-14
    2.1.1 嵌入式系统的定义  13
    2.1.2 嵌入式系统的特点  13
    2.1.3 嵌入式系统的分类  13-14
  2.2 ZigBee 技术的研究  14-17
    2.2.1 ZigBee 技术的定义  14-15
    2.2.2 ZigBee 技术的特点  15-16
    2.2.3 ZigBee 网络拓扑结构  16-17
  2.3 系统总体方案设计  17-20
    2.3.1 系统总体需求分析  17
    2.3.2 系统总体功能设计  17-18
    2.3.3 系统总体设计原则  18
    2.3.4 系统总体开发流程  18-20
第三章 ARM 网关的硬件设计与开发  20-38
  3.1 ARM 网关设计方案  20-21
  3.2 S3C2440 芯片的性能  21-22
  3.3 ARM 核心板的硬件设计与开发  22-28
    3.3.1 地址空间分配和片选信号定义  22-23
    3.3.2 SDRAM 扩展  23-24
    3.3.3 Flash 扩展  24-26
    3.3.4 电源电路设计  26-27
    3.3.5 复位系统设计  27-28
    3.3.6 用户 LED 设计  28
  3.4 ARM 扩展底板的硬件设计与开发  28-38
    3.4.1 用户按键  28-29
    3.4.2 串口通信  29-30
    3.4.3 USB 接口  30-31
    3.4.4 LCD 接口  31
    3.4.5 蜂鸣器  31-32
    3.4.6 网络接口  32-33
    3.4.7 JTAG 接口  33-34
    3.4.8 GPIO 接口  34-35
    3.4.9 音频接口  35
    3.4.10 系统总线接口  35-38
第四章 ZigBee 无线模块的硬件设计与开发  38-51
  4.1 ZigBee 无线模块设计方案  38-39
  4.2 CC2530 芯片的性能  39-40
  4.3 ZigBee 无线模块扩展底板的硬件设计与开发  40-48
    4.3.1 CC-Debugger 仿真调试接口  40
    4.3.2 四色 LED  40-41
    4.3.3 GPIO 资源  41-43
    4.3.4 电源管理  43
    4.3.5 串口  43
    4.3.6 模块扩展接口  43-45
    4.3.7 用户按键 Button1  45-46
    4.3.8 Joystick 五向按键  46
    4.3.9 迷你版 LCD12864 液晶显示屏  46-47
    4.3.10 Flash 存储芯片  47-48
  4.4 ZigBee 无线模块核心板的硬件设计与开发  48-51
    4.4.1 PCB 天线  48
    4.4.2 SMA 外接天线座  48
    4.4.3 天线选择跳线电阻  48
    4.4.4 模块接口 1.27mm 接插件  48-49
    4.4.5 32.768K 晶振系统与 32M 金属壳晶振  49-51
第五章实验平台的软件设计  51-60
  5.1 ARM 网关的软件设计  51-54
    5.1.1 开发环境的建立  51-52
    5.1.2 Linux 内核的移植  52-53
    5.1.3 Linux 内核的配置与编译  53-54
  5.2 ZigBee 无线模块的软件设计  54-60
    5.2.1 ZigBee 协议分析  54-58
    5.2.2 TI Z-Stack 软件架构  58-60
第六章 PCB 设计  60-71
  6.1 PCB 分层  60-62
  6.2 PCB 布局  62-63
  6.3 PCB 布线  63-69
    6.3.1 SDRAM 部分  63-67
    6.3.2 电源模块  67
    6.3.3 CMOS CAMERA  67
    6.3.4 LCD 触摸屏接口  67-68
    6.3.5 整体布线  68-69
  6.4 各模块的硬件设计结果  69-71
第七章系统调试及测试  71-84
  7.1 电气性能测试  71
  7.2 节点通信测试  71-84
    7.2.1 硬件测试环境  71-73
    7.2.2 软件测试环境  73
    7.2.3 测试过程  73-81
    7.2.4 实物硬件演示  81-84
第八章具体实验项目设计  84-89
  8.1 利用本系统改进物联网实验教学方法  84-86
  8.2 教学基本实验  86-89
第九章总结  89-90
注释  90-91
参考文献  91-94
攻读硕士学位期间发表的学术论文目录  94-95
致谢  95

基于ZigBee协议的物联网实验教学平台的设计与开发

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