ADK-PRO 物联网系统研究开发平台 技术白皮书 ADK-PRO物联网应用试验平台－－技术白皮书 目录 一个典型的物联网实现方案..........................................................................2 1.ADK－PRO的演示功能简介..........................................................................2 2.ADK－PRO的硬件组成..............................................................................3 低成本，低功耗，高性能的终端节点..............................................................3 使用网络处理器SPZB260实现ZigBee网络接入（NCP模型）............................................4 使用无线网络片上系统STM32W实现ZigBee网络接入（SOC模型）.......................................6 通讯功能齐全的物联网网关......................................................................7 使用EMW系列Wi-Fi模块实现Wi-Fi网络接入.........................................................8 3.ADK－PRO的软件组成..............................................................................9 4.实现ZigBee节点上传感器的信息采集和对节点的控制..................................................9 ZigBee组网....................................................................................9 传感器信息采集与传递.........................................................................11 5.通过Wi-Fi模块实现远程信息上传与控制............................................................13 Wi-Fi网络的接入..............................................................................13 数据的打包与分析.............................................................................14 远程主机的功能实现...........................................................................15 1 ADK-PRO物联网应用试验平台－－技术白皮书 物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，物联网中的物理的和虚拟 的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互 联网和企业互联网一道，构成未来互联网。 和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征。 物联网的主要特征： 首先，它是各种感知技术的广泛应用。物联网上部署了海量的多种类型传感器，每个传感器都是一个信息源，不同类 别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性，按一定的频率周期性的采集环境信息，不 断更新数据。 其次，它是一种建立在互联网上的泛在网络。物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网，通过各种有线和无线网络 与互联网融合，将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输，由于其数量 极其庞大，形成了海量信息，在传输过程中，为了保障数据的正确性和及时性，必须适应各种异构网络和协议。 还有，物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对物体实施智能控制。物联网将传感 器和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工 和处理出有意义的数据，以适应不同用户的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。 物联网的主要目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便对其的识别、管理和控制。 要实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接的方式是多种多样的，除传感技术和RFID技术外，GPS、视频识 别、红外、激光、扫描等所有能够实现自动识别与物物通信的技术都可以成为物联网的信息采集与数据通讯。接下来，我 们就使用已有的软硬件工具，实现一个典型的物联网信息采集与通讯模型。 一个典型的物联网实现方案 1. ADK－PRO的演示功能简介 ADK-PRO物联网演示系统硬件由多个传感器控制节点和一个物联网网关组成。传感器控制节点通过节点上的传感器采 集真实世界的各项物理参数，并进行预处理，然后将这些参数发送给物联网网关。网关存储这些信息，并通过简单的人机 界面与物联网前端使用者进行交互，前端使用者也可以通过网关对各个传感器节点进行控制。物联网网关还能够通过WiFi或者以太网接入到Internet，通过Internet将整个网络中的数据发送到远程服务器，进行数据存储。远程服务器处于物 联网系统的云计算系统中，对于从各个前端传感器采集的各种数据通过专家系统进行数据分析，可以反过来对物联网中各 个节点进行各种控制。 ADK-PRO物联网演示系统所展示的功能如图所示。 Internet广域网 物联网云计算服务器 Internet Internet Internet 其他无线路由器 功率大带宽高 Wi-Fi无线局域网 物联网远程控制终端 无线路由器 Wi-Fi Wi-Fi Wi-Fi 其他物联网网关 物联网本地控制终端 物联网网关节点 ZigBee ZigBee 温湿度传感器 节点 ZigBee ZigBee ZigBee 光强传感器 节点 节点 红外探头 ZigBee ZigBee ZigBee 节点 非接触式读卡 低功耗低速率的网状无线传感网络——个人域网（PAN） 2 ADK-PRO物联网应用试验平台－－技术白皮书 ADK－PRO的结构 传感器节点之间以及与物联网网关之间的通讯采用基于IEEE 802.15.4的ZigBee无线传感器网络实现。主要优点有：  IEEE 802.15.4协议提供了一个低功耗的无线通讯底层协议，可以使得采用电池供电的传感器节点能够长期使用。  ZigBee Pro无线网络协议提供了一个自组织，网状拓扑的网络传输协议。每个通讯节点不需要额外配置，开机即 可自动加入网络，使得网络管理大大地简化。网状拓扑结构极大地延伸了网络覆盖地范围，同时也极大地提升了 系统的健壮性。  由于采用了国际标准的传感器网络协议，使得本网络可以与其他类似的网络实现互联互通，保证了网络的兼容 性，也方便今后的扩展与升级。 网关通过Wi-Fi无线网络，或者直接通过以太网络接入到Internet。主要优点如下  IEEE 802.11b/g提供了一个高带宽的无线数据传输网络，适合传输大量无线传感器节点的数据。  Wi-Fi标准是基于IEEE 802.11协议的网络规范，使用该规范，网络数据可以直接和其他使用TCP/IP协议的网络设备 通讯，而不需要协议转换，成为了传感器网络与Internet之间的沟通桥梁。 2. ADK－PRO的硬件组成 低成本，低功耗，高性能的终端节点 作为物联网终端节点，我们的要求是低功耗和高性能，这两个要求看似是相互抵触的，但其实可以相互支持。在物联 网终端节点的程序设计中，节点的大部分时间处于休眠状态，使用极低的电流维持保持系统数据以便能够在极短的时间内 唤醒，进入正常工作状态。在正常工作状态中，节点主要完成的工作是维护无线传感网络的路由系统，和收发传感器数 据，一旦完成这些工作，模块立即又进入休眠状态。模块正常工作时间在整个生命周期中的占空比是很小的，因此要实现 低功耗就必须降低在休眠模式时的功耗，同时提高软硬件性能，尽快完成节点的处理任务，以便降低模块处于正常工作状 态的时间。 由于终端节点广泛地分布在物理世界之中，采集各项参数并对物理世界进行控制，因此它的规模非常庞大，这也是整 个物联网系统中硬件成本最高的一块。如果在每个节点上尽可能做到低的成本，将会在整体上大大降低系统的成本，提高 整个系统的产品竞争力。这也是建设一个集约性现代化工业社会的一个现实要求。 这里，我们采用两种终端节点的设计方法，一种方式，我们称之为NCP（network coprocessor)模型——核心处理器 与ZigBee网络处理器分开。还有一种就是SOC（System on chip）模型，使用一颗单芯片的解决方案,使用包含无线射频功 能的核心处理器。这两种接口如图所示： 两种物联网终端节点的设计方式 NCP模型采用应用处理器和网络处理器分开。它最主要的优势就是它的灵活性，系统的主处理器可以非常简单，如8位 的简单单片机即可驱动，也可以非常复杂，如有大容量硬盘和内存的，运行嵌入式Linux和Windows系统化的64位系统。这 就意味着，NCP模型非常适合在现有的系统上增加或者更新ZigBee通讯，利用系统集成商现有的软硬件资源来提高产品上 市的速度，提高产品的竞争力。NCP模型的另一个优势是：运行应用程序的主机比SOC模型的处理器能够提供更多的资源 （Flash和RAM）和更多的外设，这样，就能够使我们能够部署比SOC模型更加复杂的应用。 3 ADK-PRO物联网应用试验平台－－技术白皮书 协议栈与应用程序分开设计，使得我们能够很方便地对NCP处理器进行升级，以便修正协议栈的bug并增加新的功能， 而不需要在主机端对应用程序做任何修改。同时这样的设计也使得主机不需要对协议栈部分软件做任何CPU时间上的开 销，因此，NCP处理器中的协议栈可以独立地管理NCP处理器的休眠状态，以实现最小化射频功耗，主机如果不需要