【學習目標】
· 了解物聯網幾種常見通訊方式。
· 了解Zigbee通訊技術及應用。
· 本教材使用的Zigbee模塊通訊協議及結構。
1.1 物聯網幾種常見通訊方式
在當今萬物互聯的時代，現有的通訊網絡已經由人與人、人與物、發展到物與物形成的互聯網。低功耗無線通訊是當今物聯網接入網技術的主要熱點之一，由于具備低功耗、低成本的持點，可以很好地與物聯網應用需求相匹配。低功耗無線通訊主要分為低功耗廣域網和低功耗局域網，我們對常用的RoLa、NB-OT的低功耗廣域網，和Zigbee、藍牙4.0的低功耗局域網介紹：1.1.1 LoRa
LoRa的全稱是“ Long Rang”，是 LPWAN一種成熟的通信技術，是美國( Semtech)公司的一種基于擴頻技術的低功耗超長距離無線通信技術，是 Semtech公司的私有物理層技術，主要采用的是窄帶擴頻技術，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技術的遠距離和低功耗性能的基礎1]。2015年3月建立了LoRa全球技術聯盟，LoRa聯盟是一個開放的，非營利性協會，其成員包括多國的電信運營商、設備制造商、傳感器生產商、半導體公司、系統集成商。聯盟成員之間分享識和技術，為了共同開展 LORAWAN標準的制定，并通過構建生態系統的方式推動LoRa的推廣與普及。目前來看，LoRa網絡已經在世界多個地點進行試點，最新公布的數據，已經有17個國家公開宣布了建網計劃，120多個域市署或者計劃部署覆蓋全國的LoRa網絡。國外正在如火如茶的進行著，國內則有點冷清，LoRa的應用似乎并不多，可看到的公開應用是國內 AUGTEK公司在京杭大運河開展的LoRa網絡建設，據了解目前已經完成江蘇段的全線積蓋。總體看來，LoRa是為了解決物聯網中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等非授權頻段的低功耗廣域接入網技術。1.1.2 NB-IOT
NB-IoT( Narrow Band Internet of Things)是可與蜂窩網合演進的低成本電信級高可靠性、高安全性廣域物聯網技術。NB-IoT構建于峰窩網絡之上，只消耗180KHz的頻段，可以直接部署于GSM網絡，UMIS網絡和LTE網絡。NB-IoT采用的是授權頻帶技術，以降低成本。NB-IoT具有四大優勢，一是海量鏈接的能力，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50-100倍的接入數。一個扇區能夠支持，10萬個連接，設備成本降低，設備功耗降低，網絡架構得到優化。二是覆蓋廣，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益提升了20dB相當于提升了100倍的積蓋面積。三是低功耗，NB-IoT借助PSM( Power Saving Mode節電模式)和eDRX( Extended Discontinuous Reception超長非連續接收)可實現更長待機，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，射頻和天線都是可以復用的，企業予預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現花粉位置時，通過跳ZigZag行的舞蹈來傳遞信息，人們借此稱呼設計了一種短距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網絡技術，可以廣泛應用于工業控制、家庭自動化、消費性電子設備、農業自動化、醫用設備控制和遠程控制等領域，擁有廣泛的市場。IEEE無線個人區域網(PAN工作組的I正EE802.15.4技術標準是 Zigbee的基礎，它依據802.15.4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。1.1.4 藍牙4.0
藍牙是一種短程寬帶無線電技術，是實現語音和數據無線傳輸的全球開放性標準。它使用跳頻擴譜(HSS)、時分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)等先進技術，在小范圍內建立多種通信與信息系統間的信息傳輸。在2010年7月發布的藍牙4.0版本是最具革命性的，帯來的影響也是最大的，它是將傳統藍牙，高速藍牙，和藍牙3.0版本三種規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，設備建立的時間，原來需要100ms，現在最快在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，數據更加安全。藍牙還有一些技術特點，采用跳頻擴頻技術，時分雙工通信，而且藍牙工作在全球免費通用ISM頻段上，還能傳輸數據信號和語音信號。1.2 了解Zigbee通訊技術及應用
Zigbee，也稱紫蜂，是一種低速短距離傳輸的無線網上協議，底層是采用IEEE 802.15.4標準規范的媒體訪問層與物理層。主要特色有低速、低耗電、低成本、支持大量網上節點、支持多種網上拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全。1.2.1 Zigbee通訊技術的由來
Zigbee無線通信技術是基于蜜蜂相互間聯系的方式而研發生成的一項應用于互聯網通信的網絡技術。 相較于傳統網絡通信技術，Zigbee無線通信技術表現出更為高效、便捷的特征。作為一項近距離、低成本、低功耗的無線網絡技術，Zigbee無線通信技術其關于組網、 安全及應用軟件方面的技術是基于IEEE批準的802 15.4無線標準。該項技術尤為適用于數據流量偏小的業務，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通訊技術的優點
Zigbee技術是一種新型技術，它最近出現，主要是依靠無線網絡進行傳輸，它能夠近距離的進行無線連接，屬于無線網絡通訊技術。在以數據信息為載體進行的傳輸中，Zigbee技術是主要的技術指標， 它使用起來比較安全，而且它的容量性很強，被廣泛應用到人類的日常通信傳輸中。(1) 實際生活的數據信息傳輸是以Zigbee無線傳感技術為通信網絡的依靠，可以建立很多網絡連接點，同時依靠網絡輔助器還可以實時傳輸數據通訊。因此，信息容量大的數據傳輸是Zigbee技術的主要特點，為了避免在傳輸數據的時候發生信號碰撞，產生不穩定的傳輸，它采用了高效的碰撞避免機制，較好地保障了數據的安全傳輸。 Zigbee技術的另外一個優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絡，而且不會發生碰撞，能很好地與網絡相融合。
(2) Zigbee系統的持續時間不長，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，系統能夠快速地接收到用戶發來的一切信息，而且在使用Zigbee技術的時候，它的工作時間很短，能耗非常的低，能節約成本地持續發展下去。 Zigbee在收發信息時，每個節點都能很好節約電。工作時間能夠持續一到兩年，滿足每個家庭的普通需要。總的來說，Zigbee技術具有很多優點，作為一種新型技術，被普遍使用在很多網絡技術上。
1.2.3 Zigbee通訊技術的特征
Zigbee作為一項新型的無線通信技術，其具有傳統網絡通信技術所不可比擬的優勢，既能夠實現近距離操作，又可降低能源的消耗。又如，相較于藍牙等無線通信技術，Zigbee無線通信技術可有效降低使用成本， 即便數據處理的速率并不高，然而，值得肯定的是，Zigbee無線通信技術更為便利，可作為眾多用戶的理想選擇。對于Zigbee無線通信技術的特征而言，主要表現為：(1) Zigbee能源消耗顯著低于其他無線通信技術。通常而言，Zigbee開展傳輸處理過程中對應需求的功率為1MW。倘若Zigbee進入休眠狀態，則其所需的功率將更低。通俗來講，通過為裝置有Zigbee的設備配備兩節5號電池，該設備便可持續運行超過6個月的時間。
(2) Zigbee研發及使用所需投入的成本偏低�，F階段，Zigbee的成本普遍無需交付專利費。通常情況下，應用Zigbee過程中僅需交付最初的6美元，后續的實際操作便不會產生更高的費用。由此表明，Zigbee的研發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可實現十分完備的檢測功能，同時在應用Zigbee時需要進行反復的檢驗流程。如此一來，切實確保了Zigbee的安全可靠性。另外，Zigbee在傳輸數據過程中可確保數據流的相對平行性，換而言之，Zigbee可為數據提供寬廣的傳輸空間。
1.2.4 Zigbee協議組網的特點
Zigbee協議在滿足條件的情況下，協調器將會自動組網。 Zigbee 組網有兩個鮮明的特點：①一個Zigbee 網絡的理論最大節點數就是2的16次方也就是65536個節點，遠遠超過藍牙的8個和Wifi的32個。 ②網絡中的任意節點之間都可進行數據通訊。 在有模塊加入和撤出時，網絡具有自動修復功能。這里有一個簡單的例子：當一些人各自擁有一個網絡模塊終端時，只要他們在網絡模塊通信的范圍內自動找到對方，他們就可以快速形成互連的網絡。 此外，由于人員的流動，他們之間的網絡連接也會發生變化。因此，該模塊還可以通過重新搜索通信對象，確定它們之間的聯系來重置原始網絡，這就是Zigbee的自組網。1.2.5 在智能家居領域中的實踐應用
Zigbee無線通信技術憑借其一系列特征優勢，因而在眾多智能家居中得到廣泛推廣，而對于該項技術的應用，離不開因特網網絡技術的有力支持。因為家居房屋建筑面積存在一定局限性，由此為Zigbee無線通信技術應用創造了適用條件。Zigbee無線通信技術在智能家居中的應用，主要表現為：其一，打造整體性ARM，以實現對不同家居的智能控制；其二，選擇合理區域安裝Zigbee路由設備，建立起其與對應網絡的有效連接；其三，對一系列終端設備開展Zigbee模塊合理安裝，以實現不同信息的有效交互。在實踐應用中，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對電視機的開機或關機操作，等等。為了確�？刂频母咝�，應當保證信號口的有效連接，唯有如此方可實現對家居設備的有效控制。將Zigbee無線通信技術應用于智能家居領域，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，切實彰顯該項技術的實用性。除此之外，Zigbee無線通信技術還可實現有效的信號抗干擾功能，為人們創造便利的同時，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主流的 TI 高性能低功耗的 2.4G 射頻收發芯片 CC2530 及大功率低噪聲射頻前端芯片 CC2591，實現極易使用、全透明、高穩定、超低功耗、超遠距離、超大規模 ZigBee 無線傳感網絡的組網。典型的 ZigBee 網絡如圖 1.1 與圖 1.2 所示。圖截取自我司可視化 ZigBee 實時控制調試工具。 ZigBee 網絡是一種小數據量的無線射頻網絡，由非休眠的主機（CO）、路由（RO）與休眠的終端（EN） 節點構成，圖中分別由紅、藍、綠色點表示。網絡有如下特點：
(1) 節點既可以發送數據也可幫助其他節點中繼數據。 相鄰節點間保持聯系互
動。如圖 1.1 所示。
(2) 所有節點形成一個網狀（Mesh）網絡，內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，數據也能通過網絡底層自動中繼到達， 無需
人工干預。 如圖 1.2 所示。
(3) 各節點的加入移除十分自由，網絡有很強的自愈性。
(4) 支持超低功耗的休眠終端節點，可實現低功耗雙向喚醒，極大延長電池壽命（低功耗終端節點由于休眠， 不幫助其他設備中繼數據）。
(5) 適合少量多點傳遞數據，例如每個數據包 80 字節以內，數秒傳一次，則網絡規模可以做得較大。反之如果是兩點之間互傳大量數據（>5k 字節/秒），則不太適合采用 ZigBee 網絡。
圖1-3-1 ZigBee 網狀網；紅色節點為主機（CO），藍色節點為路由（RO），綠色節點為終端（EN）
圖1-3-2 ZigBee 網絡自動中繼: 射頻信號不能直達的兩點可通過其他節點自動中繼到達
做作業時，應在掌握有關概念及原理的基礎上，遵循正確的調試方法和步驟，嚴格遵守國家標準。調試應該做到：視圖選擇與配置恰當、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、現場參觀和金工實習等機會，盡量多接觸機械和機械零件、部件，增強感性認識，逐步熟悉零件的結構和工藝，為制圖與設計相結合打下初步基礎。在后續的機械設計、機械制造基礎、課程設計和畢業設計中還要繼續深入學習和提高，達到工程技術人員應具備的機械設計制圖的能力和素質的要求。
在學習方法上要注意以下幾個方面：
(1) 必須堅持理論聯系實際的學風。要認真學習投影原理，通過一系列的作圖實踐，掌握投影的基本概念及其應用方法。多看、多畫、多想，反復進行由物到圖和由圖到物的思維和作圖實踐，這是學好工程制圖課程的關鍵。
(2) 必須按照正確的方法和步驟作圖，養成正確使用繪圖工具（包括計算機）的習慣。認真掌握制圖的基本知識，遵守國家標準《技術制圖》、《機械制圖》的有關規定，學會查閱和使用有關標準和手冊。
(3) 原理圖在生產建設中起著非常重要的作用，繪圖或布局的差錯，都會給生產帶來很大損失，所以，在學習過程中必須養成認真負責、嚴謹細致的作風，這是工程技術人員最基本的素質。
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 集成開發環境，是目前針對 ARM 處理器，尤其是 Cortex M 內核處理器的最佳開發工具。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(但是頭文件方面得全部自己添加)， MDK5 同時加強了針對 Cortex-M 微控制器開發的支持，并且對傳統的開發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、提供新的設備驅動庫以及最新例程等，加速產品開發進度。
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備驅動等組件，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、設備驅動、CMSIS 等組件，則可以點擊 MDK5 的 Build Toolbar 的最后一個圖標調出 Pack Installer，來進行各種組件的安裝。
1.5 小結
在機械工程專業中，根據投影原理、標準或有關規定表示工程對象，并有必要的技術說明的圖，稱為機械圖樣。機械圖樣是機械產品信息的載體，是機械工程專業表達、交流的語言。機械制圖包括畫法幾何、制圖基礎、機械圖三個主要部分。
課程性質：本課程是高等職業技術學校機械類專業和一些近機械類專業必修的技術基礎課。本課程的目的是培養學生的識圖和繪圖能力。
課程內容：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：培養學生扎實的空間想象能力，繪制和閱讀機械圖樣的能力。
主要學習方法：
(1) 學習本課程應堅持理論聯系實際的學風。
(2) 只有多看、多畫、多練習，才能培養扎實的繪圖基本功，提高自己的畫圖、讀圖的能力。
(3) 在學習中還應注意養成認真負責、耐心細致和一絲不茍的良好作風。
1.6 思考題
(1) 簡述何謂Zigbee，它的主要作用是什么？(2) 物聯網幾種常見通訊技術有哪幾個？各技術特點是？
(3) 想一想，如何利用Zigbee技術?
