【学习目标】
· 了解物联网几种常见通讯方式。
· 了解Zigbee通讯技术及应用。
· 本教材使用的Zigbee模块通讯协议及结构。
1.1 物联网几种常见通讯方式
在当今万物互联的时代，现有的通讯网络已经由人与人、人与物、发展到物与物形成的互联网。低功耗无线通讯是当今物联网接入网技术的主要热点之一，由于具备低功耗、低成本的持点，可以很好地与物联网应用需求相匹配。低功耗无线通讯主要分为低功耗广域网和低功耗局域网，我们对常用的RoLa、NB-OT的低功耗广域网，和Zigbee、蓝牙4.0的低功耗局域网介绍：1.1.1 LoRa
LoRa的全称是“ Long Rang”，是 LPWAN一种成熟的通信技术，是美国( Semtech)公司的一种基于扩频技术的低功耗超长距离无线通信技术，是 Semtech公司的私有物理层技术，主要采用的是窄带扩频技术，抗干扰能力强，大大的改善了接收灵度，在一定程度上莫定了LoRa技术的远距离和低功耗性能的基础1]。2015年3月建立了LoRa全球技术联盟，LoRa联盟是一个开放的，非营利性协会，其成员包括多国的电信运营商、设备制造商、传感器生产商、半导体公司、系统集成商。联盟成员之间分享识和技术，为了共同开展 LORAWAN标准的制定，并通过构建生态系统的方式推动LoRa的推广与普及。目前来看，LoRa网络已经在世界多个地点进行试点，最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布了建网计划，120多个域市署或者计划部署覆盖全国的LoRa网络。国外正在如火如茶的进行着，国内则有点冷清，LoRa的应用似乎并不多，可看到的公开应用是国内 AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络建设，据了解目前已经完成江苏段的全线積盖。总体看来，LoRa是为了解决物联网中M2M物对物)无线通信的需求，主要是在全球免费频段运行，包括433、470、868、915MHz等非授权频段的低功耗广域接入网技术。1.1.2 NB-IOT
NB-IoT( Narrow Band Internet of Things)是可与蜂窝网合演进的低成本电信级高可靠性、高安全性广域物联网技术。NB-IoT构建于峰窝网络之上，只消耗180KHz的频段，可以直接部署于GSM网络，UMIS网络和LTE网络。NB-IoT采用的是授权频带技术，以降低成本。NB-IoT具有四大优勢，一是海量链接的能力，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持，10万个连接，设备成本降低，设备功耗降低，网络架构得到优化。二是覆盖广，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益提升了20dB相当于提升了100倍的積盖面积。三是低功耗，NB-IoT借助PSM( Power Saving Mode节电模式)和eDRX( Extended Discontinuous Reception超长非连续接收)可实现更长待机，它的终端模块待机时间可长达10年之久。四是低成本，NB-IOT和LoRa不同，不需要重新建网，射频和天线都是可以复用的，企业予预期的模块价格也不会超过5美元。1.1.3 Zigbee
Zigbee这个词源自室峰群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag行的舞蹈来传递信息，人们借此称呼设计了一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、消费性电子设备、农业自动化、医用设备控制和远程控制等领域，拥有广泛的市场。IEEE无线个人区域网(PAN工作组的I正EE802.15.4技术标准是 Zigbee的基础，它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。1.1.4 蓝牙4.0
蓝牙是一种短程宽带无线电技术，是实现语音和数据无线传输的全球开放性标准。它使用跳频扩谱(HSS)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)等先进技术，在小范围内建立多种通信与信息系统间的信息传输。在2010年7月发布的蓝牙4.0版本是最具革命性的，帯来的影响也是最大的，它是将传统蓝牙，高速蓝牙，和蓝牙3.0版本三种规格集于一体的低功耗蓝牙。功耗比之前的版本降低了90％，具有极低的平均功耗，待机功耗，和峰值功耗，设备建立的时间，原来需要100ms，现在最快在3ms就可以完成连接。蓝牙4.的传输距离可以达到100米以上，拥有AES-128加密方式，数据更加安全。蓝牙还有一些技术特点，采用跳频扩频技术，时分双工通信，而且蓝牙工作在全球免费通用ISM频段上，还能传输数据信号和语音信号。1.2 了解Zigbee通讯技术及应用
Zigbee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。1.2.1 Zigbee通讯技术的由来
Zigbee无线通信技术是基于蜜蜂相互间联系的方式而研发生成的一项应用于互联网通信的网络技术。 相较于传统网络通信技术，Zigbee无线通信技术表现出更为高效、便捷的特征。作为一项近距离、低成本、低功耗的无线网络技术，Zigbee无线通信技术其关于组网、 安全及应用软件方面的技术是基于IEEE批准的802 15.4无线标准。该项技术尤为适用于数据流量偏小的业务，可尤为便捷地在一系列固定式、便携式移动终端中进行安装。1.2.2 Zigbee通讯技术的优点
Zigbee技术是一种新型技术，它最近出现，主要是依靠无线网络进行传输，它能够近距离的进行无线连接，属于无线网络通讯技术。在以数据信息为载体进行的传输中，Zigbee技术是主要的技术指标， 它使用起来比较安全，而且它的容量性很强，被广泛应用到人类的日常通信传输中。(1) 实际生活的数据信息传输是以Zigbee无线传感技术为通信网络的依靠，可以建立很多网络连接点，同时依靠网络辅助器还可以实时传输数据通讯。因此，信息容量大的数据传输是Zigbee技术的主要特点，为了避免在传输数据的时候发生信号碰撞，产生不稳定的传输，它采用了高效的碰撞避免机制，较好地保障了数据的安全传输。 Zigbee技术的另外一个优点是兼容性能很强大，在进行操作时，可以连接家庭中的控制网络，而且不会发生碰撞，能很好地与网络相融合。
(2) Zigbee系统的持续时间不长，启动它的通信运作，用十五到三十分钟就可以了，在这么简短的时间内，系统能够快速地接收到用户发来的一切信息，而且在使用Zigbee技术的时候，它的工作时间很短，能耗非常的低，能节约成本地持续发展下去。 Zigbee在收发信息时，每个节点都能很好节约电。工作时间能够持续一到两年，满足每个家庭的普通需要。总的来说，Zigbee技术具有很多优点，作为一种新型技术，被普遍使用在很多网络技术上。
1.2.3 Zigbee通讯技术的特征
Zigbee作为一项新型的无线通信技术，其具有传统网络通信技术所不可比拟的优势，既能够实现近距离操作，又可降低能源的消耗。又如，相较于蓝牙等无线通信技术，Zigbee无线通信技术可有效降低使用成本， 即便数据处理的速率并不高，然而，值得肯定的是，Zigbee无线通信技术更为便利，可作为众多用户的理想选择。对于Zigbee无线通信技术的特征而言，主要表现为：(1) Zigbee能源消耗显著低于其他无线通信技术。通常而言，Zigbee开展传输处理过程中对应需求的功率为1MW。倘若Zigbee进入休眠状态，则其所需的功率将更低。通俗来讲，通过为装置有Zigbee的设备配备两节5号电池，该设备便可持续运行超过6个月的时间。
(2) Zigbee研发及使用所需投入的成本偏低。现阶段，Zigbee的成本普遍无需交付专利费。通常情况下，应用Zigbee过程中仅需交付最初的6美元，后续的实际操作便不会产生更高的费用。由此表明，Zigbee的研发及使用成本可为广大用户所接受。
(3) Zigbee具有较高的安全可靠性。Zigbee可实现十分完备的检测功能，同时在应用Zigbee时需要进行反复的检验流程。如此一来，切实确保了Zigbee的安全可靠性。另外，Zigbee在传输数据过程中可确保数据流的相对平行性，换而言之，Zigbee可为数据提供宽广的传输空间。
1.2.4 Zigbee协议组网的特点
Zigbee协议在满足条件的情况下，协调器将会自动组网。 Zigbee 组网有两个鲜明的特点：①一个Zigbee 网络的理论最大节点数就是2的16次方也就是65536个节点，远远超过蓝牙的8个和Wifi的32个。 ②网络中的任意节点之间都可进行数据通讯。 在有模块加入和撤出时，网络具有自动修复功能。这里有一个简单的例子：当一些人各自拥有一个网络模块终端时，只要他们在网络模块通信的范围内自动找到对方，他们就可以快速形成互连的网络。 此外，由于人员的流动，他们之间的网络连接也会发生变化。因此，该模块还可以通过重新搜索通信对象，确定它们之间的联系来重置原始网络，这就是Zigbee的自组网。1.2.5 在智能家居领域中的实践应用
Zigbee无线通信技术凭借其一系列特征优势，因而在众多智能家居中得到广泛推广，而对于该项技术的应用，离不开因特网网络技术的有力支持。因为家居房屋建筑面积存在一定局限性，由此为Zigbee无线通信技术应用创造了适用条件。Zigbee无线通信技术在智能家居中的应用，主要表现为：其一，打造整体性ARM，以实现对不同家居的智能控制；其二，选择合理区域安装Zigbee路由设备，建立起其与对应网络的有效连接；其三，对一系列终端设备开展Zigbee模块合理安装，以实现不同信息的有效交互。在实践应用中，可采取适用的控制手段，诸如遥控器控制、声音控制等，即为可通过遥控器装置对冰箱制冷、微波炉等进行指令控制；可通过声音指令以实现对电视机的开机或关机操作，等等。为了确保控制的高效性，应当保证信号口的有效连接，唯有如此方可实现对家居设备的有效控制。将Zigbee无线通信技术应用于智能家居领域，一方面可提高家居操作的便捷性，缩减家居成本；另一方面可提高人们的生活居住体验，切实彰显该项技术的实用性。除此之外，Zigbee无线通信技术还可实现有效的信号抗干扰功能，为人们创造便利的同时，还可缩减对其他用户造成的信号干扰。1.3 本教材使用的Zigbee模块概述及使用
ZigBee 串口透传模块及配套方案是基于 IEEE 802.15.4/ZigBee 协议栈的 2.4G ZigBee 无线串口透明传输通信模块。模块采用十年来行业主流的 TI 高性能低功耗的 2.4G 射频收发芯片 CC2530 及大功率低噪声射频前端芯片 CC2591，实现极易使用、全透明、高稳定、超低功耗、超远距离、超大规模 ZigBee 无线传感网络的组网。典型的 ZigBee 网络如图 1.1 与图 1.2 所示。图截取自我司可视化 ZigBee 实时控制调试工具。 ZigBee 网络是一种小数据量的无线射频网络，由非休眠的主机（CO）、路由（RO）与休眠的终端（EN） 节点构成，图中分别由红、蓝、绿色点表示。网络有如下特点：
(1) 节点既可以发送数据也可帮助其他节点中继数据。 相邻节点间保持联系互
动。如图 1.1 所示。
(2) 所有节点形成一个网状（Mesh）网络，内部任何两点间均可自由通信，即
使两点间射频信号不能直达，数据也能通过网络底层自动中继到达， 无需
人工干预。 如图 1.2 所示。
(3) 各节点的加入移除十分自由，网络有很强的自愈性。
(4) 支持超低功耗的休眠终端节点，可实现低功耗双向唤醒，极大延长电池寿命（低功耗终端节点由于休眠， 不帮助其他设备中继数据）。
(5) 适合少量多点传递数据，例如每个数据包 80 字节以内，数秒传一次，则网络规模可以做得较大。反之如果是两点之间互传大量数据（>5k 字节/秒），则不太适合采用 ZigBee 网络。
图1-3-1 ZigBee 网状网；红色节点为主机（CO），蓝色节点为路由（RO），绿色节点为终端（EN）
图1-3-2 ZigBee 网络自动中继: 射频信号不能直达的两点可通过其他节点自动中继到达
做作业时，应在掌握有关概念及原理的基础上，遵循正确的调试方法和步骤，严格遵守国家标准。调试应该做到：视图选择与配置恰当、投影正确、图线分明、尺寸完整、字体工整、图面整洁。
要充分利用机械认识实习、现场参观和金工实习等机会，尽量多接触机械和机械零件、部件，增强感性认识，逐步熟悉零件的结构和工艺，为制图与设计相结合打下初步基础。在后续的机械设计、机械制造基础、课程设计和毕业设计中还要继续深入学习和提高，达到工程技术人员应具备的机械设计制图的能力和素质的要求。
在学习方法上要注意以下几个方面：
(1) 必须坚持理论联系实际的学风。要认真学习投影原理，通过一系列的作图实践，掌握投影的基本概念及其应用方法。多看、多画、多想，反复进行由物到图和由图到物的思维和作图实践，这是学好工程制图课程的关键。
(2) 必须按照正确的方法和步骤作图，养成正确使用绘图工具（包括计算机）的习惯。认真掌握制图的基本知识，遵守国家标准《技术制图》、《机械制图》的有关规定，学会查阅和使用有关标准和手册。
(3) 原理图在生产建设中起着非常重要的作用，绘图或布局的差错，都会给生产带来很大损失，所以，在学习过程中必须养成认真负责、严谨细致的作风，这是工程技术人员最基本的素质。
1.4 MDK5介绍
MDK 源自德国的 KEIL 公司，是 RealView MDK 的简称。在全球 MDK 被超过 10 万的嵌入式开发工程师使用。目前最新版本为：MDK5.14，该版本使用 uVision5 IDE 集成开发环境，是目前针对 ARM 处理器，尤其是 Cortex M 内核处理器的最佳开发工具。MDK5 向后兼容 MDK4 和 MDK3 等，以前的项目同样可以在 MDK5 上进行开发(但是头文件方面得全部自己添加)， MDK5 同时加强了针对 Cortex-M 微控制器开发的支持，并且对传统的开发模式和界面进行升级，MDK5 由两个部分组成：MDK Core 和 Software Packs。其中，Software Packs 可以独立于工具链进行新芯片支持和中间库的升级。如下图所示。
图1-3-2 MDK5组成
从上图可以看出，MDK Core 又分成四个部分：uVision IDE with Editor（编辑器），ARMC/C++ Compiler（编译器），Pack Installer（包安装器），uVision Debugger with Trace（调试跟踪器）。uVision IDE 从 MDK4.7 版本开始就加入了代码提示功能和语法动态检测等实用功能，相对于以往的 IDE 改进很大。
Software Packs（包安装器）又分为：Device（芯片支持），CMSIS（ARM Cortex 微控制器软件接口标准）和 Mdidleware（中间库）三个小部分，通过包安装器，我们可以安装最新的组件，从而支持新的器件、提供新的设备驱动库以及最新例程等，加速产品开发进度。
同以往的 MDK 不同，以往的 MDK 把所有组件到包含到了一个安装包里面，显得十分“笨重”，MDK5 则不一样，MDK Core 是一个独立的安装包，它并不包含器件支持和设备驱动等组件，但是一般都会包括 CMSIS 组件，大小 350M 左右，相对于 MDK4.70A 的 500 多 M，瘦身不少。而器件支持、设备驱动、CMSIS 等组件，则可以点击 MDK5 的 Build Toolbar 的最后一个图标调出 Pack Installer，来进行各种组件的安装。
1.5 小结
在机械工程专业中，根据投影原理、标准或有关规定表示工程对象，并有必要的技术说明的图，称为机械图样。机械图样是机械产品信息的载体，是机械工程专业表达、交流的语言。机械制图包括画法几何、制图基础、机械图三个主要部分。
课程性质：本课程是高等职业技术学校机械类专业和一些近机械类专业必修的技术基础课。本课程的目的是培养学生的识图和绘图能力。
课程内容：三视图的识读，机件图的表达与绘制，零件图和装配图的画法及读图。
课程目的：培养学生扎实的空间想象能力，绘制和阅读机械图样的能力。
主要学习方法：
(1) 学习本课程应坚持理论联系实际的学风。
(2) 只有多看、多画、多练习，才能培养扎实的绘图基本功，提高自己的画图、读图的能力。
(3) 在学习中还应注意养成认真负责、耐心细致和一丝不苟的良好作风。
1.6 思考题
(1) 简述何谓Zigbee，它的主要作用是什么？(2) 物联网几种常见通讯技术有哪几个？各技术特点是？
(3) 想一想，如何利用Zigbee技术?