物聯(lián)網(wǎng)課件匯總全書電子教案完整版課件(最新)

1、 嵌入式物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)大綱物聯(lián)網(wǎng)的基本概念物聯(lián)網(wǎng)的定義與特征物聯(lián)網(wǎng)的應用物聯(lián)網(wǎng)的體系架構嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)的組成物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)的關系嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件Keil物聯(lián)網(wǎng)設備開發(fā)與Mbed物聯(lián)網(wǎng)的基本概念物聯(lián)網(wǎng)的定義與特征物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。其定義為：通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)的應用物聯(lián)網(wǎng)智能農業(yè)智能家居智能電網(wǎng)智能安保智能工業(yè)

2、智能醫(yī)療智能交通智能物流物聯(lián)網(wǎng)的體系架構物聯(lián)網(wǎng)作為一種形式多樣的聚合性復雜系統(tǒng)，涉及了信息技術自上而下的每一個層面，其體系架構一般可分為感知層、網(wǎng)絡層、應用層3 個層面。其中，公共技術不屬于物聯(lián)網(wǎng)技術的某個特定層面，而是與物聯(lián)網(wǎng)技術架構的3 層都有關系，它包括標識與解析、安全技術、網(wǎng)絡管理和服務質量（QoS）管理等內容。物聯(lián)網(wǎng)的體系架構嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是以計算機技術為基礎，以應用為中心，并且軟、硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、功耗、成本等有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的主要研究內容如下：（1）VHDL/Verilog 硬件描述語言；FPGA/CPLD 固件載體；

3、相應EDA 工具。（2）IP Core 與基于IP Core 的SoC/SoPC 芯片級設計。（3）EMPU/EMC/DSP 與基于平臺的嵌入式系統(tǒng)設計。（4）CPU 硬核（硬微處理機）與固核（固微處理器）。（5）RTOS 的移植與裁減。（6）嵌入式系統(tǒng)軟/硬件協(xié)同設計。（7）嵌入式系統(tǒng)低功耗設計。（8）嵌入式Internet 系統(tǒng)。（9）關鍵技術：USB、TCP/IP、FAT、GUI。嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的組成1硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲器（SDRAM、ROM、Flash 等）、通用設備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O 等）。在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時

4、鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應用程序都可以固化在ROM 中。（1）嵌入式微處理器。（2）存儲器：Cache，主存，輔助存儲器。2中間層（1）嵌入式系統(tǒng)硬件初始化。 片級初始化、板級初始化、系統(tǒng)初始化。（2）硬件相關的設備驅動程序。3系統(tǒng)軟件層（1）嵌入式操作系統(tǒng)。（2）實時操作系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)的關系嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件KeilKeil MDK，也稱MDK-ARM，Realview MDK、I-MDK、uVision4 等。MDK-ARM軟件為基于Cortex-M、Cortex-R4、ARM7、ARM9處理器設備提供了一個完整的開發(fā)環(huán)境。 MDK-AR

5、M專為微控制器應用而設計，不僅易學易用，而且功能強大，能夠滿足大多數(shù)苛刻的嵌入式應用。物聯(lián)網(wǎng)設備開發(fā)與MbedMbed 是面向物聯(lián)網(wǎng)設備和連接服務的開發(fā)平臺，其中對物聯(lián)網(wǎng)設備提供了基于Mbed OS及各種模塊，包括連接、安全、實時操作系統(tǒng)、傳感器和其他輸入輸出設備的接口。Mbed OS 支持幾十種基于Arm Cortex-M 處理器的微控制器、上百個型號的原型開發(fā)板以及數(shù)百種傳感器和輸入輸出設備。這些板卡可以做為原型開發(fā)階段的調試工具，并以原理圖開放的方式為硬件開發(fā)者提供參考。ARM Cortex-M4 技術大綱ARM 版本內部架構內核比較流水線技術寄存器工作模式異常ARM 版本目前V1、V2

6、、V3 版架構已廢棄現(xiàn)存的版本有：ARM 版本：V4 版架構ARM 版本：V5 版架構ARM 版本：V6 版架構ARM 版本I ：V7 版架構ARM V7 架構分成三類：Cortex-A/R/M。Cortex-A 系列面向尖端的基于虛擬內存的操作系統(tǒng)和用戶應用；Cortex-R 系列針對實時系統(tǒng)；Cortex-M 系列針對微控制器。內部架構內部架構ARMv7M 架構：Thumb-2 技術。SIMD 和DSP。單周期乘加指令(支持32x32+64-)64?？蛇x配的單精度浮點運算單元。集成可配置的可嵌套矢量中斷控制器NVIC。 兼容Cortex-M3。內核比較經(jīng)典ARM 處理器與Cortex-M

7、處理器的比較不同于老的經(jīng)典ARM 處理器（例如ARM7TDMI、ARM9），Cortex-M 處理器有一個非常不同的架構：從僅支持ARM Thumb 指令，擴展到同時支持16 位和32 位指令的Thumb-2 版本。內置的嵌套向量中斷控制負責中斷處理，自動處理中斷優(yōu)先級，中斷屏蔽，中斷嵌套和系統(tǒng)異常處理。中斷處理函數(shù)可以使用標準的C 語言編程，嵌套中斷處理機制避免了使用軟件判斷哪一個中斷需要響應處理。同時，中斷響應速度是確定性的，低延遲的。向量表從跳轉指令變?yōu)橹袛嗪拖到y(tǒng)異常處理函數(shù)的起始地址。寄存器組和某些編程模式也做了改變。內核比較Cortex-M0、M0+、M3、M4 和M7 之間有很多的

8、相似之處：基本編程模型。嵌套向量中斷控制器（NVIC）的中斷響應管理。架構設計的休眠模式：睡眠模式和深度睡眠模式。操作系統(tǒng)支持特性。調試功能。易用性。流水線技術三級指令流水線（1）獲取指令Fetch：通過PC 指針，從內存中獲取指令碼。（2）解析指令Decode：使用CPU 內部的指令解碼器對指令碼進行解析，從而得知指令功能。（3）執(zhí)行指令Execute：按照解碼器得知的功能，調用寄存器、ALU（及Shift）運算單元和內存及寄存器的回寫功能來完成操作。流水線技術五級指令流水線ARM 的五級指令流水線是在執(zhí)行階段中，添加兩級，用來專門執(zhí)行存儲器訪問和寄存器寫入之類的功能寄存器寄存器工作模式AR

9、M 體系的CPU 有兩種工作狀態(tài)：（1）ARM 狀態(tài)：處理器執(zhí)行32 位的字對齊的ARM 指令。（2）Thumb 狀態(tài)：處理器執(zhí)行16 位的、半字對齊的Thumb 指令。ARM 體系的CPU 有以下7 種工作模式：（1）用戶模式（Usr）：用于正常執(zhí)行程序。（2）快速中斷模式（FIQ）：用于高速數(shù)據(jù)傳輸。（3）外部中斷模式（IRQ）：用于通常的中斷處理。（4）管理模式（svc）：操作系統(tǒng)使用的保護模式。（5）數(shù)據(jù)訪問終止模式（abt）：當數(shù)據(jù)或指令預取終止時進入該模式，可用于虛擬存儲以及存儲保護。（6）系統(tǒng)模式（sys）：運行具有特權的操作系統(tǒng)任務。（7）未定義指令中止模式（und）：當未定義

10、的指令執(zhí)行時進入該模式，可用于支持硬件。異?？偩€Fault：在取址、數(shù)據(jù)讀/寫、取中斷向量、進入/退出中斷時、寄存器堆棧操作（入棧/出棧）時檢測到內存訪問錯誤。存儲器管理Fault：檢測到內存訪問違反了MPU 定義的區(qū)域。用法Fault：檢測到未定義的指令異常，未對齊的多重加載/存儲內存訪問。如果使能相應控制位，還可以檢測出除數(shù)為零以及其他未對齊的內存訪問。硬Fault：如果上面的總線Fault、存儲器管理Fault、用法Fault 的處理程序不能被執(zhí)行（例如禁能了總線Fault、存儲器管理Fault、用法Fault 或者在這些異常處理程序執(zhí)行過程中又出現(xiàn)了Fault）則觸發(fā)硬Fault。通用

11、IO接口大綱通用I/O功能描述GPIO端口輸入輸出多路復用器和映射I/O端口寄存器GPIO模式 通用I/O配置寄存器應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明通用I/O功能描述GPIO端口GPIO引腳的狀態(tài)：輸出狀態(tài)（推挽、開漏和上拉、下拉）輸入狀態(tài)（浮空、上拉、下拉和模擬）輸出數(shù)據(jù)來源：輸出數(shù)據(jù)寄存器外部設備 輸入數(shù)據(jù)來源輸入數(shù)據(jù)寄存器外部設備輸入輸出多路復用器和映射I/O端口寄存器每個GPIO都有四個32位內存映射控制寄存器：GPIOx_MODERGPIOx_OTYPERGPIOx_OSPEEDRGPIOx_PUPDR 每個GPIO都有兩個16位內存映射數(shù)據(jù)寄存器：GPIOx_ODRGPIOx_IDRGP

12、IOx_BSRRGPIOx_LCKRGPIOx_AFRL和GPIOx_AFRH GPIO模式輸入模式輸出模式復用功能模式模擬模式通用I/O配置寄存器中斷控制寄存器GPIOx_MODERGPIOx_OTYPERGPIOx_OSPEEDRGPIOx_PUPDRGPIOx_IDRGPIOx_ODRGPIOx_BSRRGPIOx_LCKRGPIOx_AFRLGPIOx_AFRHGPIOx_AHB1ENR應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明硬件：NUCLEO F401RE 開發(fā)板5V 電源線PCNUCLEO MEMS 擴展板軟件：Keil-ARM 開發(fā)軟件，安裝Keil:STM32F4xx_DFP.2.8.0.p

13、ack。實例說明：本實例要求讀者完成GPIO程序。使用按鍵來控制LED的亮滅。STM32F401 中斷機制大綱中斷控制基本概念中斷優(yōu)先級中斷控制位中斷過程外部中斷/事件控制器（EXTI）外部中斷/事件線映射 中斷控制寄存器NVIC 寄存器EXTI 寄存器應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明中斷控制基本概念ARM Cortex-M4 內核支持256 個中斷（16 內核+240 外部）和可編程256 級中斷優(yōu)先級的設置，與其相關的中斷控制和中斷優(yōu)先級控制寄存器（NVIC、SYSTICK 等）也都屬于Cortex-M4內核的部分。STM32F401 采用Cortex-M4 內核，所以這部分仍舊保留使用，但ST

14、M32 并沒有使用Cortex-M4 內核全部的東西（如內存保護單元MPU 等）因此它的NVIC 是Cortex-M4 內核的NVIC 的子集。STM32F401 具有82 個可屏蔽中斷通道（不包括Cortex-M4F 的16 根中斷線），16 個可編程優(yōu)先級（使用了4 位中斷優(yōu)先級）。中斷優(yōu)先級中斷控制位Cortex-M4 內核對于每一個外部中斷通道都有相應的控制字和控制位，用于單獨地和總地控制該中斷通道，它們包括：中斷優(yōu)先級控制字：PRI_n。中斷允許設置位：在ISER 寄存器中。中斷允許清除位：在ICER 寄存器中。中斷懸掛Pending（排隊等待）位置位：在ISPR 寄存器中（類似于置

15、中斷通道標志位）。中斷懸掛Pending（排隊等待）位清除：在ICPR 寄存器中（用于清除中斷通道標志位）。正在被服務（活動）的中斷（Active）標志位：在IABR 寄存器中，（只讀，可以知道當前內核正在處理哪個中斷通道）。中斷過程初始化過程：中斷響應過程：執(zhí)行TIMEx 的中斷服務程序：中斷返回：外部中斷/事件控制器（EXTI）EXTI 控制器的主要特性如下：每個中斷/事件線上都具有獨立的觸發(fā)和屏蔽。每個中斷線都具有專用的狀態(tài)位。支持多達23 個軟件事件/中斷請求。檢測脈沖寬度低于APB2 時鐘寬度的外部信號。外部中斷/事件控制器（EXTI） 外部中斷/事件控制器框圖外部中斷/事件線映射外

16、部中斷映射圖中斷控制寄存器中斷控制寄存器NVIC 寄存器1ISER82CER83ISPR84ICPR85IABR86IPR60 EXTI 寄存器1中斷屏蔽寄存器（EXTI_IMR）2事件屏蔽寄存器（EXTI_EMR）3上升沿觸發(fā)選擇寄存器（EXTI_RTSR）4下降沿觸發(fā)選擇寄存器（EXTI_FTSR）5軟件中斷事件寄存器（EXTI_SWIER）6掛起寄存器（EXTI_PR）應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明硬件：NUCLEO F401RE 開發(fā)板5V 電源線PCNUCLEO MEMS 擴展板軟件：Keil-ARM 開發(fā)軟件，安裝Keil:STM32F4xx_DFP.2.8.0.pack。實例說明：本

17、實例要求讀者完成中斷控制程序。使用按鍵觸發(fā)的中斷來控制LED的閃爍。STM32F401 串行通信大綱USART簡介USART功能描述USART結構USART字符描述發(fā)送器接收器多處理器通信LIN（局域互連網(wǎng)絡）模式USART同步模式單線半雙工通信應用實例USART簡介USART簡介USART特點通過小數(shù)波特率發(fā)生器提供多種波特率支持同步單向通信和半雙工單線通信支持LIN（局域互連網(wǎng)絡）、智能卡協(xié)議與IrDA（紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會）SIR ENDEC規(guī)范調制解調器操作（CTS/RTS）支持多處理器通信USART功能描述功能描述USART結構RX：接收數(shù)據(jù)輸入引腳TX：發(fā)送數(shù)據(jù)輸出引腳同步模式：SCLK

18、（發(fā)送器時鐘輸出）智能卡模式：nCTS,nRTSUSART字符描述發(fā)送器字符發(fā)送可配置的停止位發(fā)送配置步驟單字節(jié)通信斷開符號空閑符號USART功能描述接收器起始位偵測字符接收中斷字符空閑字符溢出錯誤選擇適當過采樣率方法幀錯誤接收期間可配置停止位多處理器通信空閑總線檢測（WAKE=0）地址標記檢測（WAKE=1）USART功能描述LIN（局域互連網(wǎng)絡）模式LIN發(fā)送LIN接收USART同步模式單線半雙工通信應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明硬件：NUCLEO F401RE 開發(fā)板5V 電源線PC兩節(jié)五號電池兩個1M的電阻導線若干及面包板軟件：Keil-ARM 開發(fā)軟件，安裝Keil:STM32F4xx_

19、DFP.2.8.0.pack。實例說明：本實例采用NUCLEO F401RE開發(fā)板進行實驗，使用ADC功能編寫程序實現(xiàn)電源電壓的測量，通過在線調試軟件來驗證實例。STM32F401 AD轉換器大綱功能描述ADC介紹ADC功能描述ADC寄存器配置應用實例功能描述功能描述ADC介紹逐次趨近型模數(shù)轉換器，可配置12位、10位、8位或6位分辨率。具有多達19個復用通道，可測量來自16個外部源、2個內部源和VBAT通道的信號。結果存儲在一個左對齊或右對齊的16位數(shù)據(jù)寄存器中具有模擬看門狗特性輸入范圍在VREF-到VREF+之間ADC功能描述ADC開關控制ADC時鐘通道選擇單次轉換模式連續(xù)轉換模式功能描述

20、模擬看門狗掃描模式注入通道管理不連續(xù)采樣模式數(shù)據(jù)對齊可獨立設置的各通道采樣時間外部觸發(fā)轉換和觸發(fā)極性快速轉換模式數(shù)據(jù)管理溫度傳感器電池充電監(jiān)視ADC中斷ADC寄存器配置ADC寄存器配置ADC狀態(tài)寄存器（ADC_SR）ADC控制寄存器1（ADC_CR1）ADC寄存器（ADC_CR2）ADC采樣時間寄存器1（ADC_SMPR1）ADC采樣時間寄存器2（ADC_SMPR2）ADC注入通道數(shù)據(jù)偏移寄存器（ADC_JOFRx）（x=1.4）ADC看門狗高閾值寄存器（ADC_HTR）ADC看門狗低閾值寄存器（ADC_LTR）ADC規(guī)則序列寄存器（ADC_SQRx）(x=1.3)ADC注入序列寄存器（ADC

21、_JSQR）ADC注入數(shù)據(jù)寄存器x（ADC_JDRx）(x=1.4)ADC規(guī)則數(shù)據(jù)寄存器（ADC_DR）ADC通用控制寄存器（ADC_CCR）ADC寄存器映射（ADC_CR2）ADC采樣時間寄存器1（ADC_SMPR1）ADC采樣時間寄存器2（ADC_SMPR2）ADC注入通道數(shù)據(jù)偏移寄存器（ADC_JOFRx）（x=1.4）ADC看門狗高閾值寄存器（ADC_HTR）ADC看門狗低閾值寄存器（ADC_LTR）ADC規(guī)則序列寄存器（ADC_SQRx）(x=1.3)ADC注入序列寄存器（ADC_JSQR）ADC注入數(shù)據(jù)寄存器1（ADC_SQR1）應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明硬件：NUCLEO F40

22、1RE 開發(fā)板5V 電源線PC兩節(jié)五號電池兩個1M的電阻導線若干及面包板軟件：Keil-ARM 開發(fā)軟件，安裝Keil:STM32F4xx_DFP.2.8.0.pack。實例說明：本實例采用NUCLEO F401RE開發(fā)板進行實驗，使用ADC功能編寫程序實現(xiàn)電源電壓的測量，通過在線調試軟件來驗證實例。STM32F401 低功耗藍牙大綱功能描述藍牙技術簡介BlueNRGBALF-NRG-01D3藍牙模塊配置Mbed可能用到的函數(shù)程序框架應用實例功能描述功能描述藍牙技術簡介傳輸與應用通信連接藍牙配置文件規(guī)格和特性藍牙協(xié)議棧基帶糾錯設置連接配對和連接空中接口BlueNRGBALF-NRG-01D3藍

23、牙模塊設置藍牙模塊設置MbedSDKHDK同步模式：SCLK（發(fā)送器時鐘輸出）可能用到的函數(shù)程序框架初始化處理程序主函數(shù)應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明硬件：NUCLEO F401RE 開發(fā)板5V 電源線PCNUCLEO藍牙擴展板智能手機軟件：Keil-ARM 開發(fā)軟件，安裝Keil:STM32F4xx_DFP.2.8.0.pack，安卓系統(tǒng)下的BLE Tool,IOS系統(tǒng)下的Alpwisei-BLE實例說明：本實例要求讀者建立一個BLE心率設備，在手機上搜索到該設備并且能連接，對心率數(shù)據(jù)進行讀取。STM32F401 傳感器模塊大綱功能描述傳感器模塊配置傳感器IC 地址的選擇傳感器的斷開可能用到的函

24、數(shù)程序框架應用實例開發(fā)環(huán)境與實例說明功能描述功能描述X-NUCLEO-IKS01A1 擴展板是一個MEMS 慣性和環(huán)境傳感器評估板，適用于Arduino UNO R3 連接器，也可以安裝到STM32 NUCLEO 板子上：功能描述主要功能芯片：三軸加速度計和三軸陀螺儀（ST LSM6DS0）三軸磁力計（LIS3MDL）濕度傳感器（HTS221）數(shù)字氣壓傳感（LPS25H）傳感器模塊配置傳感器模塊配置傳感器IC 地址的選擇：大多數(shù)的傳感器可以通過將SD0 引腳拉低或高，來對IC 地址的LSB 選擇。板子上已焊接通路來控制SD0 的電平。傳感器的斷開：斷開傳感器時，應斷開IC 總線以及電源的連接。

25、表10-4 將幫助確定適當?shù)奶€和焊接橋。可能用到的函數(shù)：利用ST 提供的軟件包“X-CUBE-MEMS1”使用擴展板。它包含配置和使用X-NUCLEO-IKS01A1 擴展板上傳感器的驅動程序。這些驅動基于STM32 微處理器的通用APISTM32Cube 軟件。還可以使用X-NUCLEO-IKS01A1 擴展板的MBED API。程序框架初始化：為USB 轉串口通信創(chuàng)建一個Serial 對象。創(chuàng)建Ticker 對象實現(xiàn)重復任務。初始化變量。函數(shù)：更新測量結果。產生一個標志表示測量結果需要重新讀取并顯示。主函數(shù)：檢查標志是否為1。從傳感器讀數(shù)。通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)。進入睡眠模式等待中斷。應用實例

26、開發(fā)環(huán)境與實例說明硬件：NUCLEO F401RE 開發(fā)板5V 電源線PCNUCLEO MEMS 擴展板軟件：Keil-ARM 開發(fā)軟件，安裝Keil:STM32F4xx_DFP.2.8.0.pack。實例說明：本實例要求讀者建立一個氣象站，實時地監(jiān)控環(huán)境中的溫度、濕度以及壓力。使用串口程序每3 秒輸出一次當前環(huán)境的信息數(shù)據(jù)。嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設計與實例大綱傳感器數(shù)據(jù)采集藍牙氣象站實例開發(fā)環(huán)境與實例說明設計建議傳感器數(shù)據(jù)采集傳感器數(shù)據(jù)采集溫度傳感器：熱電偶熱敏電阻溫濕傳感器超聲波傳感器煙霧傳感器聲音傳感器光敏傳感器：光電二極管光敏電阻光電三極管紅外線傳感器藍牙氣象站實例開發(fā)環(huán)境與實例說明硬件：NUCLEO F401RE 開發(fā)板5V 電源線PCNUCLEO MEMS 擴展板NUCLEO 藍牙擴展板安卓手機聲音傳感器軟件：Keil-ARM 開發(fā)軟件，安裝Keil:STM32F4xx_DFP.2.8.0.pack 實例說明：本實例要求讀者建立一個藍牙氣象站，實時地監(jiān)控環(huán)境中的溫度、濕度以及壓力和風向。使用藍牙來傳輸測得的數(shù)據(jù)。設計建議設計建議智能可穿戴系統(tǒng)智能水杯澆花提醒器火災報警系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)和云大綱