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3.3开源协议栈
(1) XBOW及TinyOS
Crossbow(简称XBOW,现被新美半导体收购)技术来源于UC Berkeley相关团队,而后者是无线传感器网络领域的开拓者和引领者,共同推出的TinyOS是传感网领域研究者使用最多的平台,其硬件节点包括MICA、MICA2、MICAZ等,也是国际上最流行的硬件平台,是研究者和学习者理想的实验环境。MICAz产品能够工作在全球2.4 GHz ISM波段上,且支持IEEE 802.15.4微型无线测量系统和 ZigBee协议标准,可以直接使用XBOW提供的成熟xmesh协议栈,搭建自己的传感器网络。它可以说是做得最正统的传感器网络,基于TinyOS、nesC开发。
(2) ZStack协议栈
ZStack协议栈是由Chipcon公司(后被TI公司收购)开发的较全面支持ZigBee协议的开源协议栈,也是业界广泛使用的离产品化较近的协议栈。ZStack协议栈支持的芯片包括TI公司的8位MCU CC2530/CC2430、16位MCU MSP430、32位MCU LM3S9B96,Atmel公司的AVR系列MCU,Microchip公司的PIC系列MCU以及Freescale公司的MC1319x等。
TI公司最新提供的32位微控制器LM3S9B96+CC2520做协调器节点,配8位8051核CC2530传感器采集节点的无线传感器网络套件是较理想的教学平台。LM3S9B96片内有串口、网口、USB口,与主机通信也可用USB虚拟串口实现,根本不需要什么嵌入式网关。
我们与TI公司成立了“北京理工大学—美国德州仪器物联网技术联合实验室”,TI公司提供了原厂32位MCU和8位MCU评估套件。我们期待国内公司能够生产出这种方案的实验箱。8051内核的CC2530到ARM CortexM3内核的LM3S9B96都是MCU,这样的实验方案学生更容易接受,跨度不大。TI原厂方案已评估,用在物联网竞赛上,设计了“智能泊车引导系统”。在本刊发表论文“LM3S9B96与CC2520平台上的ZigBee无线组网技术及应用”。
另外,我们还得到TI公司大学计划支持,为推广TI公司32位微控制器,编写了《ARM Cortex核TI微控制器教程》一书。其中“物联网数据采集与传输”这一章,专门针对物联网技术涉及的温湿度、光照度、加速度传感器和RFID,给出采集程序。还包括ZigBee点对点通信和32位网络协调器节点设计内容。
ZStack协议栈上层网络部分源码开放,但和硬件相关的关键部分是封装好的,未开放,没有厂家的支持是没办法移植协议栈的。笔者的研究生曾开题设计32位微控制器的协调器节点,在移植协议栈时碰到了无法解决的问题,后转到完全开源的MsstatePAN。
(3) MsstatePAN协议栈
源代码完全开放的MsstatePAN协议栈,是由密西西比州立大学的Robert Reese教授在参考Microchip ZigBee Stack的基础上自己编写的。该协议栈支持硬件平台CC2430、PIC18C4620+CC2420和MSP430+CC2420。国内一些研究机构也在此精简协议栈上进行扩充,实现了一些其原本不具备的功能。
我们利用TI公司收购的LM3S系列微控制器设计ZigBee硬件节点,实现了该平台节点间的点对点通信,掌握了LM3S系列微控制器对射频模块CC2420的操作。在本刊发表论文“LM3S1138与CC2420的无线传感器网络通信”。最终,我们成功将MsstatePAN协议栈移植到了LM3S系列微控制器结合CC2420无线模块的硬件平台上,与TI公司第三方合作设计了物联网教学实验平台。
物联网教学实验平台主要由LM3S811、LM3S9B96和CC2420无线传输模块构成,支持LM3S811与LM3S9B96的硬件实验及ZigBee组网实验。该平台还可与CC2430终端节点一起组网。ZigBee组网实验部分,根据需要可配置成星状或树状网通信。同时,为直观获知当前的组网状况,针对此实验平台专门编写相应的PC机监控软件,能实时动态监控网络组网状态及数据。该ZigBee网络平台可实现温湿度、湿敏电阻、可燃气体浓度、烟雾浓度、二氧化碳浓度、光照度、热释电人体红外测温、红外线防盗信号、加速度、氧气浓度等一系列传感器的数据采集及无线传输。
(4) GOS协议栈
GOS是中国科学院推出的基于C语言的无线传感网低功耗协议栈(目前该平台由深联科技进行维护),其突出特点是完全使用C语言开发,简单高效,具有很好的健壮性,适合于很多工控及其他行业领域应用。目前GOS主要支持的硬件包括ATmega128、MSP430+CC1000或CC2420,或者其他支持相关指令集的处理器,以及具有一定开放接口的射频芯片。
(5) ZigBee 精简协议栈
美国密西西比州立大学的Robert Reese 教授出于教学、科研目的开发出一套精简版(subset) ZigBee 协议栈。该精简协议栈实现了ZigBee协议的主要功能。国内一些研究机构在此精简协议上进行扩充, 实现了一些其原本不具备的功能。
3.4RFID读卡器
在嵌入式系统联谊会交流过程中,知晓一种RFID读卡器模块,可读校园一卡通和身份证的ID码,当然余额和身份证信息是不允许读的。但仅根据每个卡的唯一ID码,也可以设计很多应用。我们设计了“基于校园一卡通的考勤管理系统”,弥补学生考勤管理的缺陷。一卡通作为学生在校身份证明及日常消费卡,每个学生都有,不用再买其他卡,可用其设计很好的物联网教学案例。
结语
本文是笔者近一年多来学习物联网、参加各种会议的总结。由于个人的知识面有限,考虑问题可能片面,望和国内业界同仁共同探讨国内的物联网教学,为物联网应用推广尽自己的微薄之力。物联网工程专业不是以理论为主导,重点是在工程应用。教学应该由应用来驱动,时刻做好准备,不断调整教学内容。因很难有适合所有学校的通用课程体系,课程设置及内容应重在特色。
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