第8章物联网实验

第八章物联网实验8.1实验设备简介8.2RFID系统的基本实验8.3无线传感器网络WSN实验8.1实验设备简介为了对物联网的概念和关键技术有更深一步的理解，基于北京泰格瑞德科技有限公司的JX200系列教学实验系统设计了有关RFID协议和无线传感器网络的实验。8.1实验设备简介JX200教学实验系统的基本参数如表8-1所示。表8-1JX200教学实验系统规格参数表频率125kHz/13.56MHz/900MHz/2.4GHz传输协议ZigBee（IEEE802.15.4）协议ID/ISO/IEC14443/ISO/IEC15693/ISO/IEC18000-6自动应答类型ID（125k）/近场（13.56MHz）/远场（900MHz）感应区域10cm以内（125k、ISO14443）/30cm（ISO15693）/1m以内（900MHz）PC接口RS232C电源9VDC/12VDC8.1实验设备简介JX200教学实验系统能提取、展现出RFID系统中整个的射频信号：编码信号、载波信号、调制信号、调制载波信号、功率放大信号、电子标签返回信号、FSK解调信号、ASK解调信号。对RFID国际标准中的技术标准ISO18000-3的相关指令按照功能作用拆开进行解析。直观、形象地感受RFID国际标准指令执行的情况，掌握这些指令的作用和使用方法。8.1实验设备简介使用API接口函数实现了RFID应用系统的设计开发，而且还培养使用者从底层学习和认识RFID的工作原理，通过命令更加直接地控制读写器，模拟实现实际系统的功能，并通过模拟整个系统的开发流程实现整个应用系统的功能。提供全部的应用系统源代码，能非常迅速地掌握应用系统开发的能力。8.1实验设备简介通过该系统的使用实现以下几个目标。（1）.通过实验观测内部硬件构造，能更加有效地学习RFID系统设计技术。（2）.可以进行实验并理解诸如防碰撞算法和125kID、ISO/IEC15693、ISO/IEC14443、ISO/IEC18000-6和ZigBee(IEEE802.15.4)等国际标准协议。8.1实验设备简介（3）通过提供的应用程序接口（API）可以进行RFID应用设计，该套设备可以培养学生在不同领域内应用RFID系统的能力。（4）了解无线传感网的功能、掌握数据通信的接口。（5）掌握物联网技术的应用方法。8.1实验设备简介系统硬件结构如图8-1所示。图8-1JX200教学实验系统硬件结构图8.1实验设备简介各功能模块如图8-2～图8-15所示。图8-2915模块图8-314443模块图8-2915模块8.1实验设备简介图8-4LCD模块图8-5电源模块8.1实验设备简介图8-6ZigBee2模块8.1实验设备简介图8-7系统跳线8.1实验设备简介图8-8125k模块8.1实验设备简介图8-9ZigBee1模块图8-10MCU模块8.1实验设备简介图8-11通信模块图8-12天线模块8.1实验设备简介图8-13射频模块图8-143×3按键模块8.1实验设备简介图8-15测量点模块8.2RFID系统的基本实验8.2.1RFID实验的配置与准备8.2.2实验一：RFID系统的编码8.2.3实验二：RFID系统的载波产生8.2.4实验三：RFID系统的信号调制8.2.5实验四：RFID系统的天线8.2.6实验五：标签信息的读写实验8.2.7实验六：数据包分析实验8.2.8实验七：UHF900MISO18000-6实验8.2.1RFID实验的配置与准备连接电源线及串口通信连线，听到一声蜂鸣器响后，可进行如下操作。打开PC_Software_Setup文件夹，按照其中的安装说明操作后，运行Tag-Reader.exe打开操作界面，设置好本机正确的端口，也可以根据情况在安装时进行设置。软件操作界面如图8-16所示。8.2.1RFID实验的配置与准备图8-16Tag-Reader软件界面图8.2.1RFID实验的配置与准备将RFID标签放于仪器天线之上，或拿在手里离天线30cm之内处。确认系统已经和计算机连接好，串口设置界面如图8-17所示。选中“Inventory”command，点击“Run”，即可得到正常标签的UID。UHF900MHzmodule的操作界面如图8-18所示。8.2.1RFID实验的配置与准备图8-17串口设置界面图8.2.1RFID实验的配置与准备图8-18UHF900MHzmodule模块操作界面图8.2.1RFID实验的配置与准备与RFID实验有关的测量点，见图8-15。（1）测量点XP500的第一脚（插针上面的脚是第一脚的位置，以下同：载波信号测试点；测量点XP500的第二脚（插针下面的脚，以下同）：信号公共地。（2）测量点XP501的第一脚：调制载波信号测试点；测量点XP501的第二脚：信号公共地。（3）测量点XP502的第一脚：末级射频信号测试点；测量点XP502的第二脚：信号公共地。8.2.1RFID实验的配置与准备（4）测量点XP503的第一脚：标签返回FSK信号放大后的信号测试点；测量点XP503的第二脚：调制信号，用作示波器检测时的同步触发信号。（5）测量点XP504的第一脚：标签返回ASK信号放大后的信号测试点；测量点XP504的第二脚：调制信号，用作示波器检测时的同步触发信号。（6）测量点XP505：信号公共地。8.2.2实验一RFID的系统的编码一、实验目的熟悉和学习ISO/IEC18000-3、ISO15693标准规范的第二部分规定的数据编码方式，掌握脉冲位置调制技术的256取1、4取1数据编码模式。二、实验内容通过示波器观测输出的编码信号。8.2.2实验一RFID的系统的编码三、基本原理ISO/IEC18000-3，ISO15693标准规范的第二部分规定包括以下两部分。(1).“256取1”编码模式一个独立字节的值可以通过一个脉冲的位置来表现，脉冲在256个连续（18.8s）时间段中的位置决定该字节的值，这样，一个字节耗时4.833ms，通信速率为1.65kbit/s。读写器发送的数据帧的最后字节要在EOF之前传输完毕。8.2.2实验一RFID的系统的编码脉冲发生在决定数值的时间段（18.8s）的后半段（9.44s）。(2).“4取1”编码“4取1”PPM模式用在同时传输两个位的情况。一个字节中连续的四个数据对，LSB先进行传输。数据传输率为26.48kbit/s。8.2.2实验一RFID的系统的编码四、所需仪器供电电源、示波器。五、实验步骤可在PC机软件的控制方式和按键的操作两种方式通过示波器，观测测试点的RF相关信号。可以观测的信号包括载波信号、调试信号、调制载波信号、射频输出信号，标签返回信号等。8.2.2实验一RFID的系统的编码1.测试线连接连接示波器：使用CH2探头，地接到XP505，探针接到XP503的Pin2。设置示波器：触发源选择CH2，其余设置可以参照图8-19。8.2.2实验一RFID的系统的编码2.操作PC机软件的控制方式，用随机配置的通信线连接PC机和RFID机器，连接随机配置的电源，开启电源,打开示波器（100MHz），Tag-Reader软件里选择“Inventory”命令，按“AutoRun”软启动启动连续Inventory测量（在连续测量模式下观察信号效果更好）。8.2.2实验一RFID的系统的编码3.观测信号，大体如图8-19所示。可通过调节示波器水平扫描刻度，精确观测编码信号波形。8.2.2实验一RFID的系统的编码图8-19示波器波形及参数设置8.2.3实验二RFID系统的载波产生一、实验目的了解系统载波信号的产生部分原理和实现方法。二、实验内容观测系统产生的载波信号。三、基本原理基于高频模拟信号产生基本原理。8.2.3实验二RFID系统的载波产生四、所需仪器供电电源、示波器。五、实验步骤1．测试线连接连接示波器：使用CH1探头，地接到XP500的Pin2，探针接到XP500的Pin1。设置示波器：触发源选择CH1，其余设置可以参照图8-20。8.2.3实验二RFID系统的载波产生2．操作启动连续Inventory测量。3．观测信号，如图8-20所示产生此载波信号的实际电路板的部分，见图8-21中标识1。8.2.3实验二RFID系统的载波产生图8-20RFID载波波形8.2.3实验二RFID系统的载波产生图8-21RFID载波产生电路上图中标识1为产生载波信号的实际电路板部分8.2.4实验三RFID系统的信号调制一、实验目的熟悉和学习ISO/IEC18000-3，ISO15693标准规范的第二部分规定的通信信号调制部分，掌握标准的ASK调制技术。二、实验内容通过示波器观测输出的调制信号。8.2.4实验三RFID系统的信号调制三、基本原理ISO/IEC18000-3，ISO15693标准规范的第二部分规定为读写器和标签之间通信用ASK调制原理进行，两种调制指数为10%和100%。标签均可解码，而读写器决定用哪种指数。四、所需仪器供电电源、示波器。8.2.4实验三RFID系统的信号调制五、实验步骤1．测试线连接连接示波器：使用CH1探头，地接到XP501的Pin2，探针接到XP501的Pin1。设置示波器：触发源选CH1，其余设置参照图8-22。2．操作：连续Inventory测量3．观测调制信号，如图8-22所示。8.2.4实验三RFID系统的信号调制图8-22RFID调制信号波形及参数设置8.2.4实验三RFID系统的信号调制图8-23RFID调制信号电路上图中标识2为完成信号调制功能的实际电路板部分8.2.5实验四：RFID系统的天线一、实验目的二、实验内容三、基本原理四、所需仪器五、实验步骤一、实验目的熟悉和学习ISO/IEC18000-3，ISO15693标准规范的天线使用技术。二、实验内容通过示波器观测从电子标签返回的信号。三、基本原理电磁耦合、电磁波传送的基本原理。四、所需仪器供电电源、示波器。五、实验步骤1．测试线连接连接示波器：同时使用CH1、CH2探头，地都接到XP505，CH1探针接到XP503的Pin1，CH2探针接到XP503的Pin2。设置示波器：触发源选择CH2，其余设置可以参照图片8-24。图8-24RFID天线信号波形及参数设置2．操作在Modulation下拉菜单处，选择FSK，启动连续Inventory测量。3．观测信号在天线底部或顶部放置金属板，用示波器观测信号，了解并评估在FSK模式下金属环境对天线工作的影响。4．测试线连接连接示波器：同时使用CH1、CH2探头，地都接到XP505，CH1探针接到XP504的Pin1，CH2探针接到XP503的Pin2。设置示波器：触发源选择CH2，其余设置可以参照图片8-24。5．操作在Modulation下拉菜单处，选择ASK，启动连续Inventory测量。6．观测信号在天线底部或顶部放置金属板，用示波器观测信号，了解并评估在ASK模式下金属环境对天线工作的影响。如条件允许，还可以加入铁氧体，用示波器观测信号，了解并评估铁氧体在这种环境下的作用效果。8.2.5实验五：标签信息的读写实验一、实验目的二、实验内容三、基本原理四、所需仪器五、实验步骤一、实验目的熟悉和学习ISO/IEC18000-3，ISO15693标准规范第三部分协议和指令内容中的读取和写入标签数据操作部分内容。二、实验内容通过发送不同的基本指令，观察返回的数据，了解指令的作用。三、基本原理ISO15693标准规范第三部分。四、所需仪器供电电源、电子标签。五、实验步骤1．读取UID将1个标签放于仪器天线之上，给系统上电，打开系统软件Tag-Reader.exe，正确设置串口，选择确定当前使用的串口，按“connect”连接串口。运行“Inventory”command，得到正常标签的UID。操作如图8-25所示。图8-25标签UID读取2．读取单个BLOCK数据确认系统已经得到了单个标签的UID，在“SpecialOperation”处，运行“Rea