基于ZigBee协议的物联网实验教学平台的设计与开发

随着国家对物联网产业的重视，物联网相关人才的培养显得日益紧迫，大多数高校培养的人才主要就业于相关的行业、企业，主要完成传感器制造、网络融合、集成应用开发等多领域的工作。为了物联网人才培养目标的实现，物联网专业的教学就必须与实验教学紧密相连。只有为学生的技术创新搭建平台，才能加强过程训练以及培养学生的创新思维，帮助学生学以致用把理论知识转化为实践水平。

本文研究的 ZigBee 无线技术是一种低速率、低功耗、低成本的短距离无线通信技术，另外，伴随着嵌入式技术与信息技术的发展，两者的关系变得越来越密不可分，这也是目前物联网专业学生进行开发学习的重点。

本文根据市面上存在的物联网实验平台做了详细的性能比较，在综合考虑目前国内高校物联网人才培养目标以及国内外相关平台开发资料的基础上，设计开发了一款包含了ARM9 嵌入式网关以及基于 CC2530 的 ZigBee 无线通信模块的物联网实验教学平台。该实验平台与以往的实验平台相比，主要有两个特色：①功能模块完善，②接口资源丰富。对于硬件设计部分，本文网关的核心板采用的是 6 层板设计，MCU 选择的是 16/32 位ARM920T 的 RISC 处理器--S3C2440。网关核心板的功能测试扩展底板采用的是 2 层板设计，上面同时设计完成了各种学生常用的接口，如标准 RJ-45 接口、音频输入输出接口、JTAG 接口、USB 接口等。本文的 ZigBee 无线模块核心板采用的是 2 层板设计，CPU 选择的是业界标准的增强型 8051 CPU--CC2530，是典型的 SoC 解决方案，另外还设计了配套核心模块的全功能扩展底板，方便进行 ZigBee 的学习和开发。

对于软件设计部分，本文采用流行的嵌入式 Linux 技术，并通过交叉编译环境的建立、内核的移植、根文件系统的制作等构建了网关软件平台，为上层软件的开发提供了环境。接着重点分析研究了 Z-Stack 协议栈的工作原理如任务处理机制、各个函数的功能调用等，最后给出了 ZigBee 无线模块的软件实现方法。虽然本实验平台达到了设计目标，但由于本人的技术水平还有很多需要提高的地方，所以本文仍然有一些不足之处。首先就是 ZigBee 拓扑结构，星型结构虽然易实现但是系统稳定性不足，下一步工作渴望研究出适合不同应用的拓扑结构。第二，本文逐一地对硬件平台进行了分模块调试，并使用以上硬件完成了基础的基于 ZigBee 技术的通信功能测验，测验结果表明了本物联网平台的硬件设计原理是可行的。但是本文并没有对这个实验平台进行大规模、多方面的集成联调及检验，于是系统就可能还存在一些隐藏的问题，这需要在今后的实际应用中找到一个合适的切入点，将自己的研究成果在具体的实践类课题中得以发现问题、解决问题。