【學(xué)習(xí)目標】
· 了解物聯(lián)網(wǎng)幾種常見通訊方式。
· 了解Zigbee通訊技術(shù)及應(yīng)用。
· 本教材使用的Zigbee模塊通訊協(xié)議及結(jié)構(gòu)。
1.1 物聯(lián)網(wǎng)幾種常見通訊方式
在當(dāng)今萬物互聯(lián)的時代，現(xiàn)有的通訊網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)由人與人、人與物、發(fā)展到物與物形成的互聯(lián)網(wǎng)。低功耗無線通訊是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術(shù)的主要熱點之一，由于具備低功耗、低成本的持點，可以很好地與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求相匹配。低功耗無線通訊主要分為低功耗廣域網(wǎng)和低功耗局域網(wǎng)，我們對常用的RoLa、NB-OT的低功耗廣域網(wǎng)，和Zigbee、藍牙4.0的低功耗局域網(wǎng)介紹：1.1.1 LoRa
LoRa的全稱是“ Long Rang”，是 LPWAN一種成熟的通信技術(shù)，是美國( Semtech)公司的一種基于擴頻技術(shù)的低功耗超長距離無線通信技術(shù)，是 Semtech公司的私有物理層技術(shù)，主要采用的是窄帶擴頻技術(shù)，抗干擾能力強，大大的改善了接收靈度，在一定程度上莫定了LoRa技術(shù)的遠距離和低功耗性能的基礎(chǔ)1]。2015年3月建立了LoRa全球技術(shù)聯(lián)盟，LoRa聯(lián)盟是一個開放的，非營利性協(xié)會，其成員包括多國的電信運營商、設(shè)備制造商、傳感器生產(chǎn)商、半導(dǎo)體公司、系統(tǒng)集成商。聯(lián)盟成員之間分享識和技術(shù)，為了共同開展 LORAWAN標準的制定，并通過構(gòu)建生態(tài)系統(tǒng)的方式推動LoRa的推廣與普及。目前來看，LoRa網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在世界多個地點進行試點，最新公布的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有17個國家公開宣布了建網(wǎng)計劃，120多個域市署或者計劃部署覆蓋全國的LoRa網(wǎng)絡(luò)。國外正在如火如茶的進行著，國內(nèi)則有點冷清，LoRa的應(yīng)用似乎并不多，可看到的公開應(yīng)用是國內(nèi) AUGTEK公司在京杭大運河開展的LoRa網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，據(jù)了解目前已經(jīng)完成江蘇段的全線積蓋。總體看來，LoRa是為了解決物聯(lián)網(wǎng)中M2M物對物)無線通信的需求，主要是在全球免費頻段運行，包括433、470、868、915MHz等非授權(quán)頻段的低功耗廣域接入網(wǎng)技術(shù)。1.1.2 NB-IOT
NB-IoT( Narrow Band Internet of Things)是可與蜂窩網(wǎng)合演進的低成本電信級高可靠性、高安全性廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。NB-IoT構(gòu)建于峰窩網(wǎng)絡(luò)之上，只消耗180KHz的頻段，可以直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)，UMIS網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT采用的是授權(quán)頻帶技術(shù)，以降低成本。NB-IoT具有四大優(yōu)勢，一是海量鏈接的能力，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持，10萬個連接，設(shè)備成本降低，設(shè)備功耗降低，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)得到優(yōu)化。二是覆蓋廣，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益提升了20dB相當(dāng)于提升了100倍的積蓋面積。三是低功耗，NB-IoT借助PSM( Power Saving Mode節(jié)電模式)和eDRX( Extended Discontinuous Reception超長非連續(xù)接收)可實現(xiàn)更長待機，它的終端模塊待機時間可長達10年之久。四是低成本，NB-IOT和LoRa不同，不需要重新建網(wǎng)，射頻和天線都是可以復(fù)用的，企業(yè)予預(yù)期的模塊價格也不會超過5美元。1.1.3 Zigbee
Zigbee這個詞源自室峰群在發(fā)現(xiàn)花粉位置時，通過跳ZigZag行的舞蹈來傳遞信息，人們借此稱呼設(shè)計了一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、家庭自動化、消費性電子設(shè)備、農(nóng)業(yè)自動化、醫(yī)用設(shè)備控制和遠程控制等領(lǐng)域，擁有廣泛的市場。IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PAN工作組的I正EE802.15.4技術(shù)標準是 Zigbee的基礎(chǔ)，它依據(jù)802.15.4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。1.1.4 藍牙4.0
藍牙是一種短程寬帶無線電技術(shù)，是實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)娜蜷_放性標準。它使用跳頻擴譜(HSS)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)等先進技術(shù)，在小范圍內(nèi)建立多種通信與信息系統(tǒng)間的信息傳輸。在2010年7月發(fā)布的藍牙4.0版本是最具革命性的，帯來的影響也是最大的，它是將傳統(tǒng)藍牙，高速藍牙，和藍牙3.0版本三種規(guī)格集于一體的低功耗藍牙。功耗比之前的版本降低了90％，具有極低的平均功耗，待機功耗，和峰值功耗，設(shè)備建立的時間，原來需要100ms，現(xiàn)在最快在3ms就可以完成連接。藍牙4.的傳輸距離可以達到100米以上，擁有AES-128加密方式，數(shù)據(jù)更加安全。藍牙還有一些技術(shù)特點，采用跳頻擴頻技術(shù)，時分雙工通信，而且藍牙工作在全球免費通用ISM頻段上，還能傳輸數(shù)據(jù)信號和語音信號。1.2 了解Zigbee通訊技術(shù)及應(yīng)用
Zigbee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規(guī)范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網(wǎng)上節(jié)點、支持多種網(wǎng)上拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。1.2.1 Zigbee通訊技術(shù)的由來
Zigbee無線通信技術(shù)是基于蜜蜂相互間聯(lián)系的方式而研發(fā)生成的一項應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)通信的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，Zigbee無線通信技術(shù)表現(xiàn)出更為高效、便捷的特征。作為一項近距離、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，Zigbee無線通信技術(shù)其關(guān)于組網(wǎng)、 安全及應(yīng)用軟件方面的技術(shù)是基于IEEE批準的802 15.4無線標準。該項技術(shù)尤為適用于數(shù)據(jù)流量偏小的業(yè)務(wù)，可尤為便捷地在一系列固定式、便攜式移動終端中進行安裝。1.2.2 Zigbee通訊技術(shù)的優(yōu)點
Zigbee技術(shù)是一種新型技術(shù)，它最近出現(xiàn)，主要是依靠無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，它能夠近距離的進行無線連接，屬于無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。在以數(shù)據(jù)信息為載體進行的傳輸中，Zigbee技術(shù)是主要的技術(shù)指標， 它使用起來比較安全，而且它的容量性很強，被廣泛應(yīng)用到人類的日常通信傳輸中。(1) 實際生活的數(shù)據(jù)信息傳輸是以Zigbee無線傳感技術(shù)為通信網(wǎng)絡(luò)的依靠，可以建立很多網(wǎng)絡(luò)連接點，同時依靠網(wǎng)絡(luò)輔助器還可以實時傳輸數(shù)據(jù)通訊。因此，信息容量大的數(shù)據(jù)傳輸是Zigbee技術(shù)的主要特點，為了避免在傳輸數(shù)據(jù)的時候發(fā)生信號碰撞，產(chǎn)生不穩(wěn)定的傳輸，它采用了高效的碰撞避免機制，較好地保障了數(shù)據(jù)的安全傳輸。 Zigbee技術(shù)的另外一個優(yōu)點是兼容性能很強大，在進行操作時，可以連接家庭中的控制網(wǎng)絡(luò)，而且不會發(fā)生碰撞，能很好地與網(wǎng)絡(luò)相融合。
(2) Zigbee系統(tǒng)的持續(xù)時間不長，啟動它的通信運作，用十五到三十分鐘就可以了，在這么簡短的時間內(nèi)，系統(tǒng)能夠快速地接收到用戶發(fā)來的一切信息，而且在使用Zigbee技術(shù)的時候，它的工作時間很短，能耗非常的低，能節(jié)約成本地持續(xù)發(fā)展下去。 Zigbee在收發(fā)信息時，每個節(jié)點都能很好節(jié)約電。工作時間能夠持續(xù)一到兩年，滿足每個家庭的普通需要�？偟膩碚f，Zigbee技術(shù)具有很多優(yōu)點，作為一種新型技術(shù)，被普遍使用在很多網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上。
1.2.3 Zigbee通訊技術(shù)的特征
Zigbee作為一項新型的無線通信技術(shù)，其具有傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)所不可比擬的優(yōu)勢，既能夠?qū)崿F(xiàn)近距離操作，又可降低能源的消耗。又如，相較于藍牙等無線通信技術(shù)，Zigbee無線通信技術(shù)可有效降低使用成本， 即便數(shù)據(jù)處理的速率并不高，然而，值得肯定的是，Zigbee無線通信技術(shù)更為便利，可作為眾多用戶的理想選擇。對于Zigbee無線通信技術(shù)的特征而言，主要表現(xiàn)為：(1) Zigbee能源消耗顯著低于其他無線通信技術(shù)。通常而言，Zigbee開展傳輸處理過程中對應(yīng)需求的功率為1MW。倘若Zigbee進入休眠狀態(tài)，則其所需的功率將更低。通俗來講，通過為裝置有Zigbee的設(shè)備配備兩節(jié)5號電池，該設(shè)備便可持續(xù)運行超過6個月的時間。
(2) Zigbee研發(fā)及使用所需投入的成本偏低�，F(xiàn)階段，Zigbee的成本普遍無需交付專利費。通常情況下，應(yīng)用Zigbee過程中僅需交付最初的6美元，后續(xù)的實際操作便不會產(chǎn)生更高的費用。由此表明，Zigbee的研發(fā)及使用成本可為廣大用戶所接受。
(3) Zigbee具有較高的安全可靠性。Zigbee可實現(xiàn)十分完備的檢測功能，同時在應(yīng)用Zigbee時需要進行反復(fù)的檢驗流程。如此一來，切實確保了Zigbee的安全可靠性。另外，Zigbee在傳輸數(shù)據(jù)過程中可確保數(shù)據(jù)流的相對平行性，換而言之，Zigbee可為數(shù)據(jù)提供寬廣的傳輸空間。
1.2.4 Zigbee協(xié)議組網(wǎng)的特點
Zigbee協(xié)議在滿足條件的情況下，協(xié)調(diào)器將會自動組網(wǎng)。 Zigbee 組網(wǎng)有兩個鮮明的特點：①一個Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的理論最大節(jié)點數(shù)就是2的16次方也就是65536個節(jié)點，遠遠超過藍牙的8個和Wifi的32個。 ②網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點之間都可進行數(shù)據(jù)通訊。 在有模塊加入和撤出時，網(wǎng)絡(luò)具有自動修復(fù)功能。這里有一個簡單的例子：當(dāng)一些人各自擁有一個網(wǎng)絡(luò)模塊終端時，只要他們在網(wǎng)絡(luò)模塊通信的范圍內(nèi)自動找到對方，他們就可以快速形成互連的網(wǎng)絡(luò)。 此外，由于人員的流動，他們之間的網(wǎng)絡(luò)連接也會發(fā)生變化。因此，該模塊還可以通過重新搜索通信對象，確定它們之間的聯(lián)系來重置原始網(wǎng)絡(luò)，這就是Zigbee的自組網(wǎng)。1.2.5 在智能家居領(lǐng)域中的實踐應(yīng)用
Zigbee無線通信技術(shù)憑借其一系列特征優(yōu)勢，因而在眾多智能家居中得到廣泛推廣，而對于該項技術(shù)的應(yīng)用，離不開因特網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的有力支持。因為家居房屋建筑面積存在一定局限性，由此為Zigbee無線通信技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了適用條件。Zigbee無線通信技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用，主要表現(xiàn)為：其一，打造整體性ARM，以實現(xiàn)對不同家居的智能控制；其二，選擇合理區(qū)域安裝Zigbee路由設(shè)備，建立起其與對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的有效連接；其三，對一系列終端設(shè)備開展Zigbee模塊合理安裝，以實現(xiàn)不同信息的有效交互。在實踐應(yīng)用中，可采取適用的控制手段，諸如遙控器控制、聲音控制等，即為可通過遙控器裝置對冰箱制冷、微波爐等進行指令控制；可通過聲音指令以實現(xiàn)對電視機的開機或關(guān)機操作，等等。為了確�？刂频母咝�，應(yīng)當(dāng)保證信號口的有效連接，唯有如此方可實現(xiàn)對家居設(shè)備的有效控制。將Zigbee無線通信技術(shù)應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域，一方面可提高家居操作的便捷性，縮減家居成本；另一方面可提高人們的生活居住體驗，切實彰顯該項技術(shù)的實用性。除此之外，Zigbee無線通信技術(shù)還可實現(xiàn)有效的信號抗干擾功能，為人們創(chuàng)造便利的同時，還可縮減對其他用戶造成的信號干擾。1.3 本教材使用的Zigbee模塊概述及使用
ZigBee 串口透傳模塊及配套方案是基于 IEEE 802.15.4/ZigBee 協(xié)議棧的 2.4G ZigBee 無線串口透明傳輸通信模塊。模塊采用十年來行業(yè)主流的 TI 高性能低功耗的 2.4G 射頻收發(fā)芯片 CC2530 及大功率低噪聲射頻前端芯片 CC2591，實現(xiàn)極易使用、全透明、高穩(wěn)定、超低功耗、超遠距離、超大規(guī)模 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。典型的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)如圖 1.1 與圖 1.2 所示。圖截取自我司可視化 ZigBee 實時控制調(diào)試工具。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是一種小數(shù)據(jù)量的無線射頻網(wǎng)絡(luò)，由非休眠的主機（CO）、路由（RO）與休眠的終端（EN） 節(jié)點構(gòu)成，圖中分別由紅、藍、綠色點表示。網(wǎng)絡(luò)有如下特點：
(1) 節(jié)點既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可幫助其他節(jié)點中繼數(shù)據(jù)。 相鄰節(jié)點間保持聯(lián)系互
動。如圖 1.1 所示。
(2) 所有節(jié)點形成一個網(wǎng)狀（Mesh）網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部任何兩點間均可自由通信，即
使兩點間射頻信號不能直達，數(shù)據(jù)也能通過網(wǎng)絡(luò)底層自動中繼到達， 無需
人工干預(yù)。 如圖 1.2 所示。
(3) 各節(jié)點的加入移除十分自由，網(wǎng)絡(luò)有很強的自愈性。
(4) 支持超低功耗的休眠終端節(jié)點，可實現(xiàn)低功耗雙向喚醒，極大延長電池壽命（低功耗終端節(jié)點由于休眠， 不幫助其他設(shè)備中繼數(shù)據(jù)）。
(5) 適合少量多點傳遞數(shù)據(jù)，例如每個數(shù)據(jù)包 80 字節(jié)以內(nèi)，數(shù)秒傳一次，則網(wǎng)絡(luò)規(guī)�？梢宰龅幂^大。反之如果是兩點之間互傳大量數(shù)據(jù)（>5k 字節(jié)/秒），則不太適合采用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。
圖1-3-1 ZigBee 網(wǎng)狀網(wǎng)；紅色節(jié)點為主機（CO），藍色節(jié)點為路由（RO），綠色節(jié)點為終端（EN）
圖1-3-2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)自動中繼: 射頻信號不能直達的兩點可通過其他節(jié)點自動中繼到達
做作業(yè)時，應(yīng)在掌握有關(guān)概念及原理的基礎(chǔ)上，遵循正確的調(diào)試方法和步驟，嚴格遵守國家標準。調(diào)試應(yīng)該做到：視圖選擇與配置恰當(dāng)、投影正確、圖線分明、尺寸完整、字體工整、圖面整潔。
要充分利用機械認識實習(xí)、現(xiàn)場參觀和金工實習(xí)等機會，盡量多接觸機械和機械零件、部件，增強感性認識，逐步熟悉零件的結(jié)構(gòu)和工藝，為制圖與設(shè)計相結(jié)合打下初步基礎(chǔ)。在后續(xù)的機械設(shè)計、機械制造基礎(chǔ)、課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中還要繼續(xù)深入學(xué)習(xí)和提高，達到工程技術(shù)人員應(yīng)具備的機械設(shè)計制圖的能力和素質(zhì)的要求。
在學(xué)習(xí)方法上要注意以下幾個方面：
(1) 必須堅持理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)。要認真學(xué)習(xí)投影原理，通過一系列的作圖實踐，掌握投影的基本概念及其應(yīng)用方法。多看、多畫、多想，反復(fù)進行由物到圖和由圖到物的思維和作圖實踐，這是學(xué)好工程制圖課程的關(guān)鍵。
(2) 必須按照正確的方法和步驟作圖，養(yǎng)成正確使用繪圖工具（包括計算機）的習(xí)慣。認真掌握制圖的基本知識，遵守國家標準《技術(shù)制圖》、《機械制圖》的有關(guān)規(guī)定，學(xué)會查閱和使用有關(guān)標準和手冊。
(3) 原理圖在生產(chǎn)建設(shè)中起著非常重要的作用，繪圖或布局的差錯，都會給生產(chǎn)帶來很大損失，所以，在學(xué)習(xí)過程中必須養(yǎng)成認真負責(zé)、嚴謹細致的作風(fēng)，這是工程技術(shù)人員最基本的素質(zhì)。
1.4 MDK5介紹
MDK 源自德國的 KEIL 公司，是 RealView MDK 的簡稱。在全球 MDK 被超過 10 萬的嵌入式開發(fā)工程師使用。目前最新版本為：MDK5.14，該版本使用 uVision5 IDE 集成開發(fā)環(huán)境，是目前針對 ARM 處理器，尤其是 Cortex M 內(nèi)核處理器的最佳開發(fā)工具。MDK5 向后兼容 MDK4 和 MDK3 等，以前的項目同樣可以在 MDK5 上進行開發(fā)(但是頭文件方面得全部自己添加)， MDK5 同時加強了針對 Cortex-M 微控制器開發(fā)的支持，并且對傳統(tǒng)的開發(fā)模式和界面進行升級，MDK5 由兩個部分組成：MDK Core 和 Software Packs。其中，Software Packs 可以獨立于工具鏈進行新芯片支持和中間庫的升級。如下圖所示。
圖1-3-2 MDK5組成
從上圖可以看出，MDK Core 又分成四個部分：uVision IDE with Editor（編輯器），ARMC/C++ Compiler（編譯器），Pack Installer（包安裝器），uVision Debugger with Trace（調(diào)試跟蹤器）。uVision IDE 從 MDK4.7 版本開始就加入了代碼提示功能和語法動態(tài)檢測等實用功能，相對于以往的 IDE 改進很大。
Software Packs（包安裝器）又分為：Device（芯片支持），CMSIS（ARM Cortex 微控制器軟件接口標準）和 Mdidleware（中間庫）三個小部分，通過包安裝器，我們可以安裝最新的組件，從而支持新的器件、提供新的設(shè)備驅(qū)動庫以及最新例程等，加速產(chǎn)品開發(fā)進度。
同以往的 MDK 不同，以往的 MDK 把所有組件到包含到了一個安裝包里面，顯得十分“笨重”，MDK5 則不一樣，MDK Core 是一個獨立的安裝包，它并不包含器件支持和設(shè)備驅(qū)動等組件，但是一般都會包括 CMSIS 組件，大小 350M 左右，相對于 MDK4.70A 的 500 多 M，瘦身不少。而器件支持、設(shè)備驅(qū)動、CMSIS 等組件，則可以點擊 MDK5 的 Build Toolbar 的最后一個圖標調(diào)出 Pack Installer，來進行各種組件的安裝。
1.5 小結(jié)
在機械工程專業(yè)中，根據(jù)投影原理、標準或有關(guān)規(guī)定表示工程對象，并有必要的技術(shù)說明的圖，稱為機械圖樣。機械圖樣是機械產(chǎn)品信息的載體，是機械工程專業(yè)表達、交流的語言。機械制圖包括畫法幾何、制圖基礎(chǔ)、機械圖三個主要部分。
課程性質(zhì)：本課程是高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校機械類專業(yè)和一些近機械類專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課。本課程的目的是培養(yǎng)學(xué)生的識圖和繪圖能力。
課程內(nèi)容：三視圖的識讀，機件圖的表達與繪制，零件圖和裝配圖的畫法及讀圖。
課程目的：培養(yǎng)學(xué)生扎實的空間想象能力，繪制和閱讀機械圖樣的能力。
主要學(xué)習(xí)方法：
(1) 學(xué)習(xí)本課程應(yīng)堅持理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)。
(2) 只有多看、多畫、多練習(xí)，才能培養(yǎng)扎實的繪圖基本功，提高自己的畫圖、讀圖的能力。
(3) 在學(xué)習(xí)中還應(yīng)注意養(yǎng)成認真負責(zé)、耐心細致和一絲不茍的良好作風(fēng)。
1.6 思考題
(1) 簡述何謂Zigbee，它的主要作用是什么？(2) 物聯(lián)網(wǎng)幾種常見通訊技術(shù)有哪幾個？各技術(shù)特點是？
(3) 想一想，如何利用Zigbee技術(shù)?
