EL-IOT-II实验箱使用说明书

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书 1

EL-IOT-II使用说明书

北京达盛科技有限公司

第一版：2011-2-15

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书 2

目录

第一章系统概述 (5)

第一节物联网基本概念与结构 (5)

第二节物联网视频感知系统 (7)

第三节物联网无线传感（Z IG B EE）感知系统 (11)

第四节物联网RFID射频感知系统 (13)

第二章系统组成 (15)

一、硬件平台 (15)

二、协调器介绍 (19)

三、路由器与采集节点介绍 (34)

四、传感器模块介绍 (39)

五、开发工具的使用 (70)

第三章 LM3S811硬件实验 (89)

实验一LM3S811IO实验 (89)

实验二LM3S811串口实验 (90)

实验三LM3S811ADC实验 (91)

实验四LM3S811I2C实验 (92)

实验五LM3S811与CC2420接口实验 (93)

实验六EL-IOT-II实验箱采集节点键盘与LED实验 (95)

实验七EL-IOT-II实验箱采集节点DS18B20实验 (96)

实验八EL-IOT-II实验箱采集节点7279实验 (97)

实验九EL-IOT-II实验箱采集节点WIFI点对点实验 (98)

第四章 LM3S9B96硬件实验 (133)

实验一LM3S9B96IO实验 (133)

实验二LM3S9B96液晶显示实验 (134)

实验三LM3S9B96 BITBAND实验 (135)

实验四LM3S9B96触摸屏实验 (136)

实验五LM3S9B96触摸屏校验实验 (137)

实验六LM3S9B96中断实验 (138)

实验七LM3S9B96定时器实验 (139)

实验八LM3S9B96串口实验 (140)

实验九LM3S9B96看门狗实验 (142)

实验十GPIO_JTAG切换实验 (143)

实验十一UDMA_DEMO实验 (144)

实验十二MPU_FAULT实验 (145)

实验十三SD_CARD实验 (146)

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书 3 实验十四I2S_DEMO实验 (147)

实验十五I2S_FILTER实验 (148)

实验十六ENNET_IO实验 (149)

实验十七ENNET_LWIP实验 (153)

实验十八ENNET_UIP实验 (154)

实验十九USB_DEV_AUDIO实验 (156)

实验二十USB_DEV_BULK实验 (157)

实验二十一USB_DEV_MSC实验 (160)

实验二十二USB_DEV_SERIAL实验 (161)

实验二十三USB_HOST_MSC实验 (163)

实验二十四SHOWJPEG实验 (164)

实验二十五GRLIB_DEMO实验 (166)

实验二十六LANG_DEMO实验 (167)

实验二十七SCRIBBLE实验 (168)

实验二十八SAFERTOS_DEMO实验 (169)

实验二十九LM3S9B96与CC2420接口实验 (172)

实验三十QS-CHECKOUT实验 (174)

实验三十一CAN实验 (176)

实验三十二多任务进程实验 (178)

实验三十三优先级反转实验 (179)

实验三十四外部中断实验 (180)

实验三十五定时器中断实验 (181)

实验三十六任务间通信实验（信号方式） (182)

实验三十七任务间通信实验（邮箱方式） (183)

第五章 ZIGBEE组网实验 (184)

实验一应用UCOS-II控制LED实验 (187)

实验二应用UCOS-II控制蜂鸣器实验 (190)

实验三节点物理层PHY编程实验 (193)

实验四介质访问层MAC编程实验 (198)

实验五网络层编程实验 (206)

实验六应用层编程实验 (219)

第六章上位机实验 (229)

实验一界面编写实验 (229)

实验二通讯接口程序编写实验 (235)

第七章 ZIGBEE组网综合实验 (237)

实验一温湿度采集实验 (237)

实验二湿敏电阻采集实验 (243)

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书 4 实验三可燃气体浓度采集实验 (246)

实验四烟雾浓度采集实验 (249)

实验五二氧化碳浓度采集实验 (252)

实验六氧气浓度采集实验 (255)

实验七光照度采集实验 (258)

实验八热释电人体红外测温实验 (261)

实验九红外线防盗信号采集实验 (264)

实验十加速度采集实验 (267)

实验十一RFID（125KH Z）实验 (270)

实验十二RFID（13.56MH Z）实验 (273)

实验十三RFID（900MH Z）实验 (276)

实验十四RFID（2.4GH Z）实验 (279)

实验十五水气表数据采集实验 (280)

实验十六电表数据采集实验 (283)

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书 5

第一章系统概述

第一节物联网基本概念与结构

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。物联网的英文名称叫“The Internet of things”。顾名思义，物联网就是“物物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网的基础上延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是：通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

欧盟的定义

2009年9月，在北京举办的“物联网与企业环境中欧研讨会”上，欧盟委员会信息和社会媒体司RFID部门负责人Lorent Ferderix博士给出了欧盟对物联网的定义：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，其中物理的和虚拟的“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。

中国式定义

物联网(Internet of Things)指的是将无处不在（Ubiquitous）的末端设备（Devices）和设施（Facilities），包括具备“内在智能”的传感器、移动终端、工业系统、楼控系统、家庭智能设施、视频监控系统和“外在使能”(Enabled)的、如贴上RFID的各种资产（Assets）、携带无线终端的个人与车辆等的“智能化物件或动物”或“智能尘埃”（Mote），通过各种无线和/或有线的长距离和/或短距离通讯网络实现互联互通（M2M)、应用大集成（Grand Integration)、以及基于云计算的SaaS营运等模式，在内网（Intranet）、专网（Extranet）、和/或互联网（Internet）环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面（集中展示的Cockpit Dashboard)等管理和服务功能，实现对“万物”的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化。

和传统的互联网相比，物联网有其鲜明的特征：

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。

另外，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

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书 6 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”的涵义

这里的“物”要满足以下条件才能够被纳入“物联网”的范围：

1、要有相应信息的接收器；

2、要有数据传输通路；

3、要有一定的存储功能；

4、要有CPU；

5、要有操作系统；

6、要有专门的应用程序；

7、要有数据发送器；

8、遵循物联网的通信协议；

9、在世界网络中有可被识别的唯一编号。

技术架构和应用模式

从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。

感知层：由各种传感器以及传感器网关构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网获识别物体，采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。

网络层：由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。

应用层：是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

物联网的行业特性主要体现在其应用领域内。目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书7

第二节物联网视频感知系统

在物联网中，最核心的是感知，亦即是最前端的传感器部分。一般概念上，传感器包括诸如RFID、各类感应探头、数据采集装置等；而具备智能视频分析功能的视频采集设备，实质上也是一种更直观和智能的传感器，它可以通过智能视频分析技术来感知视频场景内的目标及其行为。随着智能视频分析与自动识别技术的发展，视频感知将成为最重要的感知技术，成为物联网信息感知层最重要的技术之一。

现有成熟的主要应用包括：

—检测、捕捉和识别人脸，感知人的身份；

—分析运动目标（人和物）的行为，防范周界入侵；

—感知人的流动，用于客流统计和分析、娱乐场所等公共场合逗留人数预警；

—感知人或者物的消失、出现，用于财产保全、可疑遗留物识别等；

—感知和捕捉运动中的车牌，用于非法占用公交车道的车辆车牌捕捉；

—感知人群聚集状态、驾驶疲劳状态、烟雾现象等各类信息。

除此之外，次声压、泛红外、震动、加速度等各类传感器技术，都可应用于安防监控应用中，用物联网的技术解决安防需求，从而推出各类行业的物联网安防解决方案。

智能视频分析技术的现状

到目前为止，绝大部分对智能视频分析的理解和应用都还仅限于运动目标检测(周界入侵防范)，少量应用涉及到目标识别和视频优化，应用还未得到突破，怎样的应用才是智能视频分析技术的市场天地呢？站在物联网应用的立场上来看这个问题，就很容易得到答案了：智能视频分析技术能感知的数据和信息，就可以利用它来拓展这个数据和信息的应用方向。

我们在前面已经提到，智能视频分析技术能感知和理解的信息包括人脸(用户身份)、人和物的行为、人员流动、人和物的消失出现、人群聚集状态、人体疲劳状态、烟雾产生和蔓延等。所有需要用到这些信息的应用领域，都有可能成为智能视频分析的用武之地。

智能视频物联网的实际应用场合

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书8

1、合作型的人脸识别应用

合作型人脸识别主要采用嵌入式识别方案，形成典型的物联网终端形态。

人脸识别的应用是一个非常直观的智能视频分析技术的应用，它解决了机器眼对人的直观识别。经过最近几年的技术积累，合作型人脸识别的技术已经进入到具备实际应用价值的阶段。

业内通过多年技术研发，特别是多光源识别技术的引入、现场特征模型(Live Feature Model)训练等新技术的应用，已经使人脸识别终端具备了低成本(可与指纹技术成本接近)、高速度(1秒识别)、低误识拒识等特性，而且拥有直观、可查证等优势，应用场合：考勤、门禁、幼儿园接送认证、访客登记管理、会议签到等。

非合作型的人脸捕捉、人脸对比

非合作型的人脸捕捉，由于无法得到被捕捉人的配合，人脸信息精度不高、角度变化大，而导致很难做高精度的人脸识别身份认证。但是在小样本库的人脸对比中，还是具有很高的应用价值。

非合作型的人脸捕捉，通过前端的智能视频分析终端，从视频场景内捕捉出所有的人脸照片，并传送至后端平台。后端通过对样本库的人脸对比，对比出最接近的人脸资料/资料组，供使用者进行初步身份筛选。

与合作型人脸识别的最大不同在于，前者属于精确识别，后者属于非精确的对比，所以应用场所主要是非关键身份验证的场所，起到对使用者一个提示、警示的作用，提醒使用者进行进一步的身份核实。

应用场合：店铺、星级酒店的VIP/黑名单用户的初步识别与提示；金融场所、机场、码头、海关的VIP/黑名单用户的初步识别与提示等。

2、客流统计、人数统计

现有常见的客流统计技术包括红外感应、重力感应、机械道闸等，但是这些技术只能达到70%左右的准确率，并且应用场所有着诸多限制。

现有的嵌入式平台下通过视频智能分析技术实现的客流统计终端产品，是一种非常

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书9 典型的物联网终端。直接嵌入了摄像头和智能分析模块、GPRS/3G等传输模块，通过对出入口和主要通道的非接触式分析，可以做到95%以上的准确率，而且无需后端分析支持，可以应用于各类商业场所的客流动态分析、娱乐场所的场内人数超标预警、移动车辆上的客流统计等(移动车辆上的客流统计是智能交通的一个重要组成部分)。

客流统计的需求日趋旺盛，如果能在技术实现时充分考虑商业用户的特殊需求，完全有可能成为智能视频分析技术的一个非常重要的应用分支。

应用场合：各类商业超市、连锁店铺、中小型店铺、公园景点、文博会所、公交车辆、长途车辆等。

3、周界入侵防范

单一的智能视频分析在周界入侵防范的应用上，有着很多的不足：场景多变、误报率居高不下、识别效果不尽人意等。但是，将智能视频传感器和其他类型的传感器相结合，以多重防范探测进行综合应用，则可以取得非常好的效果。现在针对家庭、店铺、车辆的典型应用场合的综合应用方案已经获得了很好的评价。

利用物联网技术的次声压传感检测技术、泛红外和微波检测技术等传感检测技术则对周界入侵检测有很好的效果。但这些技术在检测到报警后，都没办法实现即时的确认是否为误报。如果这些技术与视频分析技术、手机视频等进行综合应用，进行双鉴探测等，则可以为用户提供高效率、低误报、可直观确认的用户体验。

应用场合：无人值守的中小型店铺、仓库、家庭、小型办公场所等。

4、驾驶员和值岗人员疲劳检测

智能视频分析技术能通过对人脸特征和人眼状态信息的分析，感知到人的疲劳状态。一个嵌入摄像头和分析模块的设备，即是一个人体的疲劳状态检测终端，一种典型的物联网智能传感终端。

在私家车、货运车、长途客运车、危险品运输车辆、特种机械操作岗等关键场合，人体疲劳状态信息是一个非常重要的指标，此时人体疲劳检测终端就有了非常好的应用机会。针对特殊的应用场合，同时集成诸如车辆信息采集、安全防范、油电路控制、GPS 定位等，这种物联网终端就能提供更为优秀的应用模式。

应用场合：私家车、货运车、长途客运车、危险品运输车辆、特种机械操作岗等。

5、人群聚集度判断

现有的方案是通过嵌入式的平台，采用智能视频分析的技术，来对视频场景内的人群聚集现象进行检测和判断，谓之智能视频分析仪，其内已嵌入GPRS/3G通讯模块，也是一种典型的物联网应用终端。智能视频分析仪，直接在需要判断的摄像头上进行前端的自动分析判断，并将结果传送到后端应用平台，提供实时的聚集现象的预警。

应用场合：平安城市、广场、政府出入口等特殊场合。

除了以上一些应用方向之外，还有烟雾检测可用于火灾初期预警、人脸捕捉可用于各种场合的人脸照片捕捉和存储等，这些技术都有很好的应用前景。

在物联网解决方案内采用嵌入式平台实现，也即是视频感知的分析和完成全部在前端设备上实现。这样一来，在产品形态上就独立具备了物联网终端的所有必要元素，可独立完成感知的所有功能。配合上网络传输和后端应用，即具备了感知、连接和应用三大要素，可完整组成一个物联网安防应用系统。

智能视频分析技术，点亮了视频监控行业的应用，在传统视频监控和物联网之间搭

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书10 建了一个畅通的桥梁，为物联网技术带来了新的活力，也能借物联网技术和思路为安防产业发展添加一个良好的支撑。

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书11 第三节物联网无线传感（ZigBee）感知系统

ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZigBee在整个协议栈中处于网络层的位置，其下是由IEEE 802.15.4规范实现PHY （物理层）和MAC（媒体访问控制层），对上ZigBee提供了应用层接口。

ZigBee可以组成星形、网状、树形的网络拓扑，可用于无线传感器网络（WSN）的组网以及其他无线应用。ZigBee工作于2.4 GHz的免执照频段，可以容纳高达65 000个节点。这些节点的功耗很低，单靠2节5号电池就可以维持工作6～24个月。除此之外，它还具有很高的可靠性和安全性。这些优点使基于ZigBee的WSN广泛应用于工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。

ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee不仅只是802.15.4的名字。IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。ZigBee 联盟还开发了安全层。

节点类型

在Zigbee网络中，节点分为三种类型：协调者、路由器和终端节点。其中ZigBee 协调者（coord）为协调者节点，每个ZigBee网络必须有一个。他的主要作用是初始化网络信息。ZigBee 路由器（router）为路由节点，他的作用是提供路由信息。ZigBee 终端节点（rfd为终端节点），它没有路由功能，完成的是整个网络的终端任务。

层的概念

在Zigbee中有几个层的概念是比较重要的。ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。每一层为其上层提供特定的服务：即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。

每个服务实体通过相应的服务接入点(SAP)为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。

（1）物理层（PHY）

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。

物理层内容：

1)ZigBee的激活；

2)当前信道的能量检测；

3)接收链路服务质量信息；

4)ZigBee信道接入方式；

5)信道频率选择；

6)数据传输和接收。

（2）介质接入控制子层（MAC）

MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN 连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。

MAC层功能：

1）网络协调器产生信标；

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书12 2）与信标同步；

3）支持PAN(个域网)链路的建立和断开；

4）为设备的安全性提供支持；

5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入(CSMA-CA)机制；

6）处理和维护保护时隙(GTS)机制；

7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

（3）网络层

ZigBee协议栈的核心部分在网络层。网络层主要实现节点加入或离开网络、

接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。

网络层功能：

1)网络发现；

2)网络形成；

3)允许设备连接；

4)路由器初始化；

5)设备同网络连接；

6)直接将设备同网络连接；

7)断开网络连接；

8)重新复位设备；

9)接收机同步；

10)信息库维护。

（4）应用层

ZigBee应用层框架包括应用支持层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商所定义的应用对象。

应用支持层的功能包括：维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。

ZigBee设备对象的功能包括：定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。

ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书13 第四节物联网RFID射频感知系统

物联网RFID是指把射频识别装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。物联网RFID通过在物品上嵌入电子标签、条形码等能够存储物体信息的标识，通过无线网络的方式将其即时信息发送到后台信息处理系统，而各大信息系统可互联形成一个庞大的网络。从而可达到对物品进行实施跟踪、监控等智能化管理的目的。通俗来讲，物联网RFID可实现人与物之间的信息沟通。

物联网RFID感知层，主要实现标识、识别功能；其中，采用射频识别（RFID）技术、NFC技术实现物体的标识功能，采用传感器技术实现物体的识别、感知功能。传输层，主要实现信息的传输，采用无线网络技术、互联网技术。其中，感知识别是一个基础，网络传输是一个平台，是一个支撑，智能应用是一个标志和体现。

在物联网中，系统应用流程如下：

(1)对物体属性进行标识，属性包括静态和动态的属性，静态属性可以直接存储在标签中，动态属性需要先由传感器实时探测；

(2)识别设备完成对物体属性的读取，并将信息转换为适合网络传输的数据格式；

(3)将物体的信息通过网络传输到信息处理中心（处理中心可能是分布式的，如家里的电脑或者手机，也可能是集中式的，如中国移动的IDC），由处理中心完成物体通信的相关计算。

物联网主要涉及电子标签、传感器、芯片及智能卡等三大领域，而在对传感网技术的开发和市场的拓展中，其中非常关键的技术之一是RFID技术。实质是利用RFID技术结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器Reader 和无数移动的标签Tag组成比互联网更为庞大的物联网，因此RFID技术成为物联网发展的排头兵。

RFID技术的工作原理是：电子标签进入读写器产生的磁场后，接收解读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息，或者主动发送某一频率的信号；解读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

美国政府是RFID应用的积极推动者，在其推动下美国在RFID标准的建立、相关软硬件技术的开发与应用领域均走在世界前列。目前，美国、英国、德国、瑞典、瑞士、日本、南非等国家均有较为成熟且先进的RFID产品，RFID被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域，如汽车及火车交通监控、高速公路自动收费系统、停车场管理系统、物品管理、流水线生产自动化、安全出入检查、仓储管理、动物管理、车辆防盗等场合。随着RFID技术的发展演进以及成本的迅速降低，RFID技术应用领域不断拓展，产业规模正处于高速增长期。

目前，我国RFID企业总数虽然超过100家，但是缺乏关键核心技术，特别是在超高频RFID方面。从包括芯片、天线、标签和读写器等硬件产品来看，低高频RFID技术门槛较低，国内发展较早，技术较为成熟，产品应用广泛，目前处于完全竞争状况。

在物联网 rfid的概念中，所有物体可以通过Intenet主动进行交互，除了互联网外，主要涉及RFID技术、传感器技术、智能嵌入技术、微波/纳米技术等。预计物联网 rfid 是继计算机、互联网与移动通信网之后的又一次信息产业浪潮。物联网rfid技术是物联

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书14 网中关键技术之一。以简单RFID系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比Internet更为庞大的物联网成为RFID技术发展的趋势。

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书15

第二章系统组成

一、硬件平台

1、硬件组成

从硬件角度看，系统由4大部分组成：位于最底层的传感器采集节点、中间的路由节点、将数据传送到PC机的协调器节点以及PC机几个平台。系统框图如图2-1所示：

图2-1 系统框图

从上图可以看到，除协调器与PC机的通讯可采用以太网或USB外，其他各个部分之间都采用ZigBee网络。整个系统除了PC机外的其他部分都采用当前最流行的低功耗、小封装的Cortex-M3芯片做主控芯片。其中的终端节点和路由节点采用LM3S811，汇聚节点采用内部集成以太网和USB控制器的LM3S6952或LM3S9B96，终端节点除ZigBee部分进行数据传输外，还有不同的传感器信号处理部分。具体见下面介绍。

2、主要器件介绍

l Cortex-M3简介

ARM公司于2005年推出了Cortex-M3内核，就在当年ARM公司与其他投资商合伙成立了Luminary（流明诺瑞）公司，由该公司率先设计、生产与销售基于Cortex-M3内核的ARM芯片——Stellaris（群星）系列ARM。

Cortex-M3内核是ARM公司整个Cortex内核系列中的微控制器系列（M）内核，还是其它两个系列分别是应用处理器系列（A）与实时控制处理系列（R），这三个系列又分别简称为A、R、M系列，当然这三个系列的内核分别有各自不同的应用场合。

Cortex-M3内核主要是应用于低成本、小管脚数和低功耗的场合，并且具有极高的运

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书16 算能力和极强的中断响应能力。

Cortex-M3处理器采用纯Thumb2指令的执行方式，使得这个具有32位高性能的ARM 内核能够实现8位和16位的代码存储密度。ARM Cortex-M3处理器是使用最少门数的ARM CPU，核心门数只有33K，在包含了必要的外设之后的门数也只有60K，使得封装更为小型。

Cortex-M3采用了ARM V7哈佛架构，具有带分支预测的3级流水线，中断延迟最大只有12个时钟周期，在末尾连锁的时候只需要6个时钟周期。同时具有1.25DMIPS/MHZ 的性能和0.19mW/MHZ的功耗。

l Cortex-M3内核结构与特性

基于ARMv7架构的Cortex-M3处理器带有一个分级结构。它集成了名为 CM3Core 的中心处理器内核和先进的系统外设，实现了内置的中断控制、存储器保护以及系统的调试和跟踪功能。这些外设可进行高度配置，允许 Cortex-M3 处理器处理大范围的应用并更贴近系统的需求。目前 Cortex-M3 内核和集成部件（右图中所示）已进行了专门的设计，用于实现最小存储容量、减少管脚数目和降低功耗。Cortex-M3 内核框图如图2-2所示：

Cortex-M3中央内核基于哈佛架构，指令和数据各使用一条总线（右图中所示）。与Cortex-M3不同，ARM7 系列处理器使用冯·诺依曼（Von Neumann）架构，指令和数据共用信号总线以及存储器。由于指令和数据可以从存储器中同时读取，所以 Cortex-M3 处理器对多个操作并行执行，加快了应用程序的执行速度。

内核流水线分3个阶段：取指、译码和执行。当遇到分支指令时，译码阶段也包含预测的指令取指，这提高了执行的速度。处理器在译码阶段期间自行对分支目的地指令进行取指。在稍后的执行过程中，处理完分支指令后便知道下一条要执行的指令。如果分支不跳转，那么紧跟着的下一条指令随时可供使用。如果分支跳转，那么在跳转的同时分支指令可供使用，空闲时间限制为一个周期。

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书17

图2-2 ARM Cortex-M3内核结构框图

Cortex-M3内核包含一个适用于传统Thumb 和新型 Thumb-2 指令的译码器、一个支持硬件乘法和硬件除法的先进ALU、控制逻辑和用于连接处理器其他部件的接口。

Cortex-M3处理器是一个32位处理器，带有 32 位宽的数据路径，寄存器库和存储器接口。其中有 13 个通用寄存器，两个堆栈指针，一个链接寄存器，一个程序计数器和一系列包含编程状态寄存器的特殊寄存器。

Cortex-M3处理器支持两种工作模式（线程（Thread）和处理器（Handler））和两个等级的访问形式（有特权或无特权），在不牺牲应用程序安全的前提下实现了对复杂的开放式系统的执行。无特权代码的执行限制或拒绝对某些资源的访问，如某个指令或指定的存储器位置。Thread 是常用的工作模式，它同时支持享有特权的代码以及没有特权的代码。当异常发生时，进入 Handler模式，在该模式中所有代码都享有特权。此外，所有操作均根据以下两种工作状态进行分类，Thumb 代表常规执行操作，Debug 代表调试操作。

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书18 Cortex-M3处理器是一个存储器映射系统，为高达 4GB 的可寻址存储空间提供简单和固定的存储器映射，同时，这些空间为代码（代码空间）、SRAM（存储空间），外部存储器/器件和内部/外部外设提供预定义的专用地址。另外，还有一个特殊区域专门供厂家使用。

借助bit-banding技术（图 2-3），Cortex-M3 处理器可以在简单系统中直接对数据的单个位进行访问。存储器映射包含两个位于SRAM的大小均为1MB的bit-band区域和映射到32MB别名区域的外设空间。在别名区域中，某个地址上的加载/存储操作将直接转化为对被该地址别名的位的操作。对别名区域中的某个地址进行写操作，如果使其最低有效位置位，那么bit-band位为 1，如果使其最低有效位清零，那么bit-band位为零。读别名后的地址将直接返回适当的bit-band位中的值。除此之外，该操作为原子位操作，其他总线活动不能对其中断。

基于传统 ARM7 处理器的系统只支持访问对齐的数据，只有沿着对齐的字边界才可以对数据进行访问和存储。Cortex-M3处理器采用非对齐数据访问方式，使非对齐数据可以在单核访问中进行传输。当使用非对齐传输时，这些传输将转换为多个对齐传输，但这一过程不为程序员所见。

图2-3 传统的位处理方法和 Cortex-M3 bit-banding 的比较Cortex-M3处理器除了支持单周期 32 位乘法操作之外，还支持带符号的和不带符号的除法操作，这些操作使用 SDIV 和 UDIV 指令，根据操作数大小的不同在 2 到 12 个周期内完成。如果被除数和除数大小接近，那么除法操作可以更快地完成。Cortex-M3 处理器凭借着这些在数学能力方面的改进，成为了众多高数字处理强度应用（如传感器读取和取值或硬件在环仿真系统）所亲昧的理想选择。

l LM3S6952：

支持最大主频为50MHz的ARM Cortex-M3内核，256 Kbyte FLASH,64 KByte SRAM，LQFP-100封装。集成10/100MHz以太网、睡眠模块、正交编码器、3路10位ADC、带死区PWM、模拟比较器、3路UART、SSI、通用定时器，I2C、CCP等外设。

l LM3S9B96：

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书19 支持最大主频为80 MHz的ARM Cortex-M3内核，256 KByte FLASH,96 KByte SRAM，LQFP-100封装。集成10/100MHz以太网、2路CAN控制器、USB OTG、外部总线EPI、ROM 片上StellarisWare软件、睡眠模块、正交编码器、16路ADC、带死区PWM、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器、I2S、I2C、CCP、高精度振荡器、DMA等外设。

l LM3S811：

支持最大主频为50 MHz的ARM Cortex-M3内核，64 KByte FLASH,8 KByte SRAM，LQFP-48封装。集成正交编码器、4路10位ADC、带死区PWM、模拟比较器、2路UART、SSI、3个通用定时器，I2C、CCP等外设。

l CC2420：

CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps 可以实现多点对多点的快速组网。

CC2420的主要性能参数如下：

●工作频带范围：2.400～2.4835GHz；

●采用IEEE 802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；

●数据速率达250kbps，码片速率达2MChip/s；

●采用O-QPSK调制方式；

●超低电流消耗（RX:18.8mA,TX:17.4mA）高接收灵敏度（-95dBm）；

●抗邻频道干扰能力强(39dB)；

●内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，采用低电压供电(2.1～3.6V)；

●输出功率编程可控；

●IEEE 802.15.4的ＭＡＣ层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、

16bitCRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBC－MAC,CCM)；

●与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)；

●开发工具齐全，提供有开发套件和演示套件；

●采用QLP-48封装，外形尺寸只有７×７ｍｍ。

二、协调器介绍

（一）、协调器主要负责将路由器或采集节点上传的数据发送到上位机，因此采用集成USB控制器的LM3S9B96芯片，LM3S9B96芯片资源如下：

支持最大主频为80 MHz的ARM Cortex-M3内核，256 KByte FLASH,96 KByte SRAM，LQFP-100封装。集成10/100MHz以太网、2路CAN控制器、USB OTG、外部总线EPI、ROM 片上StellarisWare软件、睡眠模块、正交编码器、16路ADC、带死区PWM、模拟比较器、UART、SSI、通用定时器、I2S、I2C、CCP、高精度振荡器、DMA等外设。

（二）、协调器为EL-IOT-II实验箱，结构框图如图2-4所示：

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书20

物联网实训系统-M3+ZigBee使用说明书21

图2-5 电源部分电路

2、UART1单元

该部分主要完成LM3S9B96与PC机通信或者控制实验箱上的外扩WIFI 模块，所用芯片为MAX3232。电路图如图2-6所示：

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