智能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計

1、能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計11精品文檔本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題目智能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院電信學(xué)院專業(yè)電子信息工程班級電子信息工程統(tǒng)本（01）班學(xué)號121040110119學(xué)生姓名謝國鑫指導(dǎo)教師田新志完成日期2016年5月西安思源學(xué)院教務(wù)處制二0一六年五月收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請聯(lián)系管理員刪除人們?nèi)粘Ｉ钫彰魇潜夭豢缮俚?，隨著老百姓生活水平的提高，普通照明達(dá)不打那種隨心所欲的要求，并且電子的發(fā)展，通信和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為智能照明控制系統(tǒng)提供了條件，具有廣闊的發(fā)展前景。本課題中所設(shè)計的系統(tǒng)中使用CC253a乍為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,MSP430F261g散控制器芯片作為處理器，并結(jié)合TI公司Z-堆棧協(xié)議棧來實現(xiàn)

2、打開和關(guān)閉以及控制LED燈泡。本設(shè)計在上位機通過節(jié)點之間關(guān)系的靈活配置進(jìn)而能達(dá)到智能控制。本設(shè)計中的電氣系統(tǒng)的自組網(wǎng)功能，用戶可以通過路由器到路由器節(jié)點控制協(xié)調(diào)器發(fā)送信號任何終端設(shè)備,終端接收到命令和PWMB號，實現(xiàn)每個燈導(dǎo)致多級調(diào)光和場景模式控制功能，具有一定的實用價值。關(guān)鍵詞：智能照明系統(tǒng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)CC2530AbstractLightingisessentialtoPeople'sDailylife,aspeoplelivingstandardrise,therequirementsofgenerallightinguptodon'tplaythatfollow

3、one'sinclinations,andthedevelopmentofelectronic,communicationandcomputernetworktechnologyprovidesconditionsfortheintelligentlightingcontrolsystem,hasabroaddevelopmentprospects.ThistopicinthedesignofthesystemusedinCC2530aswirelessnetworkequipment,MSP430F2619microcontrollerchipastheprocessor,andco

4、nnectingwiththeTIcompanyZ-stackprotocolstacktoachieveopenandcloseandcontrolLEDbulbs.Thisdesignthroughthenodeintheuppermachineoftherelationshipbetweentheflexibleconfigurationwhichcanachieveintelligentcontrol.Electricalsysteminthedesignofthead-hocnetworkfunction,theusercancontrolthecoordinatortosendsi

5、gnalsthroughtheroutertorouternodesanyterminal,terminalreceivesthecommandandthePWMsignal,realizeeachlamptomultistagedimmingandscenemodecontrolfunction,hasacertainpracticalvalue.Keywords:IntelligentLightSystemZigBeewirelessnetworkCC2530目錄第一章緒論11.1 本課題研究背景11.2 智能家居照明系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.2.1 智能家居照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 短

6、距離無線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀21.3 智能家居照明控制系統(tǒng)發(fā)展方向21.4 本課題設(shè)計的主要工作和任務(wù)31.5 論文結(jié)才安排3第二章智能家居照明控制系統(tǒng)支撐技術(shù)一一zigbee技術(shù)42.1 ZigBee概述42.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)52.2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型52.2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?2.2.3 工作模式62.3 本章小結(jié)6第三章智能家居照明系統(tǒng)總體設(shè)計方案73.1 智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計要求73.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案73.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案83.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案9第四章智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)104.1 微控制器,K塊設(shè)計104.1.1 MSP430F2619微控制器芯片104.1.

7、2 MSP430F2619微控制器外圍電路設(shè)計114.2 無線射頻模塊設(shè)計144.3 傳感器采集模塊設(shè)計144.4 光控模塊設(shè)計15第五章智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計175.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)175.2 系統(tǒng)程序流程圖185.2.1 網(wǎng)絡(luò)建立過程185.2.2 路由器程序設(shè)計185.2.3 終端程序設(shè)計195.3 系統(tǒng)的核心程序設(shè)計205.4 上位機215.4.1 上位機的功能簡介215.4.2 上位機工作流程215.5 系統(tǒng)測試225.5.1 系統(tǒng)硬件測試225.5.3 協(xié)議棧的測試225.5.4 上位機的測試22第六章結(jié)論23致謝24參考文獻(xiàn)25第一章緒論1.1 本課題研究背景對于繁雜的照明控制

8、系統(tǒng)來說，若采用傳統(tǒng)的有線控制方式則價格較高，電纜鋪設(shè)繁瑣，已經(jīng)逐漸不能完全滿足現(xiàn)代都市人們的應(yīng)用需求了。因而無線通信技術(shù)應(yīng)運而生。無線通信技術(shù)的種類有很多，不同的技術(shù)應(yīng)用的場合也不相同。如藍(lán)牙技術(shù)傳輸速度快，但是傳輸距離有限，適用于近距離且組網(wǎng)節(jié)點少的場合；WIFI傳輸速度快，傳輸距離遠(yuǎn)，但其價格偏高，功耗較大，組網(wǎng)能力較差。而本文中將要使用的ZigBee技術(shù)則具有低成本、低功耗等特點，并且其在工作模式下，ZigBee傳輸速率較低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，從而導(dǎo)致信號收發(fā)時間很短，另外當(dāng)其處于非工作模式時，節(jié)點處于休眠模式以節(jié)省能源消耗。1.2 智能家居照明系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 智能家居照明

9、系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀智能家居照明系統(tǒng)是近幾年開始發(fā)展起來的，本質(zhì)上是隸屬于智能樓宇自動化系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。進(jìn)入二十一世紀(jì)已來，智能化建筑方面的發(fā)展可謂是日新月異，在智能化建筑中涉及到有傳統(tǒng)的用于通信方面網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（包括有線與無線系統(tǒng)），有用于安全方面的智能監(jiān)控系統(tǒng)，有用于提高工作效率的智能辦公和通信自動化系統(tǒng)。智能建筑在這幾方面已經(jīng)有了長足的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也比較成熟。但是作為智能建筑中的智能照明控制系統(tǒng)方面的發(fā)展卻相對比較滯后。目前在很多成熟的智能建筑系統(tǒng)，照明方面仍然采用傳統(tǒng)的手動控制照明的方法。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要是因為智能照明控制系統(tǒng)在國外的定位太高，對于普通消費者來說只能是海市蜃樓，價格高得難以接

10、受。而在國內(nèi)以前則是主要是受傳統(tǒng)消費觀念的影響，在人們的印象中照明也只是在黑暗中提供充足的光源就可以了，沒有必要去花過多的金錢在照明控制上，正是由于普通民眾的這種想法，使得國內(nèi)一些具有這方面科研能力的院所和企業(yè)沒有也不愿投入過多的人力和財力進(jìn)行研究和推廣智能照明系統(tǒng)10現(xiàn)在隨著生活水平的提高，人們對生活品質(zhì)的追求也越來越高，因而對智能照明系統(tǒng)提出了新的要求，現(xiàn)在的智能照明控制系統(tǒng)大部分是由舞臺燈光控制系統(tǒng)演變而來，但隨著智能家居和樓宇自動化的發(fā)展，智能照明系統(tǒng)也開始從舞臺燈光控制向各種建筑物照明發(fā)展。現(xiàn)在隨著無線通信技術(shù)與計算機技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外很多的科研機構(gòu)也開始研究如何將無線通信技術(shù)引入智

11、能照明控制系統(tǒng)中。而ZigBee技術(shù)的各種特性，能夠很好的滿足智能照明系統(tǒng)的要求，成為智能照明控制系統(tǒng)研究的熱點技術(shù)。1.2.2 短距離無線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀對于智能照明系統(tǒng)來說使用的主在通信技術(shù)就是短距離無線通信技術(shù)?，F(xiàn)階段主要的無線短離距通信技術(shù)有ZigBee技術(shù)、UWB技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)等。UWB不采用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)常用的連續(xù)載波，而是通過納秒級的脈沖來完成數(shù)據(jù)信號的發(fā)送，具有很寬的頻譜范圍。藍(lán)牙技術(shù)的通信距離一般在10m以內(nèi)，現(xiàn)階段藍(lán)牙技術(shù)主要應(yīng)用在計算機外設(shè)，比如藍(lán)牙打印機、藍(lán)牙音箱等。另外目前的智能手機都內(nèi)置有藍(lán)牙模塊，用于短距離之間的數(shù)據(jù)傳輸。WiFi也是一種短距離的無

12、線通信技術(shù)，主要用于數(shù)據(jù)傳輸量大，可靠性要求較高的場合（如無線局域網(wǎng)）等，但其成本較高、功耗很大。對于ZigBee來說，其通信速率在10250kbit/s之間，通信距離在開R空間難能夠達(dá)到300m,若是在室內(nèi)等較封閉的空間也在10100m范圍之間，通信效率也比較高。適用于低成本、低功耗的場合。上述的幾種無線短距通信技術(shù)各有各的特點，因而其應(yīng)用場合也不完全相同，但它們之間的競爭非常激烈，一定的時候可能互相進(jìn)行補充101.3 智能家居照明控制系統(tǒng)發(fā)展方向傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)只為人們提供必要的照度，智能照明控制系統(tǒng)的設(shè)計主要是為了解決傳統(tǒng)照明系統(tǒng)方面的不足。縱觀智能照明控制系統(tǒng)發(fā)展，大致可分為三個階段：照

13、明系統(tǒng)的電子化、照明系統(tǒng)自動化和照明系統(tǒng)智能化2。在智能照明系統(tǒng)中用戶可以根據(jù)需要設(shè)置不同的情景模式，另外還可以通過一些傳感器感應(yīng)周圍環(huán)境變化，從而實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，為人們的工作、學(xué)習(xí)和生活提供更好的環(huán)境。就目前的發(fā)展來看智能照明控制發(fā)展的主要趨勢主要在以下幾個方面1：1）更加人性化。根據(jù)人們的不同需求來實現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)，目的就是實現(xiàn)人機合一。2）網(wǎng)絡(luò)化。由于維護(hù)方面?zhèn)鹘y(tǒng)照明比較有局限性，所以網(wǎng)絡(luò)化能及時監(jiān)測到各種信息并及時反饋方便人們的使用。3）可擴展性。智能照明系統(tǒng)因?qū)崿F(xiàn)可擴展，方便新設(shè)備能隨意接入網(wǎng)絡(luò)。4）標(biāo)準(zhǔn)化。智能照明系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化很重要，如果說不同廠商生產(chǎn)出來的用時不能使用會給人們帶來極大

14、地不便。1.4 本課題設(shè)計的主要工作和任務(wù)智能家居照明系統(tǒng)是一項實踐性很強的課題。需要具有一定的理論基礎(chǔ)知識，還要求具有一定的動手實踐能力。為了很好的完成本次畢業(yè)設(shè)計，從畢設(shè)的準(zhǔn)備到最后的完成主要做了以下幾方面的工作。(1)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料，搜集相應(yīng)的理論基礎(chǔ)知識。在此基礎(chǔ)上做好理論知識準(zhǔn)備。(2)進(jìn)行了相應(yīng)的實地考察，理論與現(xiàn)實相結(jié)合，分析判斷考慮設(shè)計的整體框架。(3)深入了解了ZigBee技術(shù)的特性和通信原理以及智能照明的技術(shù)要求(4)在相關(guān)理論基礎(chǔ)完備的情況下設(shè)計了基于ZigBee的智能家居照明系統(tǒng)(5)4)最后進(jìn)行仿真與調(diào)試，完成課題設(shè)計。1.5論文結(jié)構(gòu)安排論文第一部分為“緒論”，該

15、部分首先說本課題的研究背景做了較為詳細(xì)的闡述，隨后就智能照明控制系統(tǒng)的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀過行了系統(tǒng)的分析。論文第二部分為“智能照明控制系統(tǒng)支撐技術(shù)一一Zigbee技術(shù)”，該部分主要對Zigbee技術(shù)進(jìn)行了具體的說明。論文的第三部分為“系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)”，該部分主要介紹智能照明控制技術(shù)中的硬件部分的設(shè)計。論文第四部分為“系統(tǒng)的軟件設(shè)計實現(xiàn)”，該部分就系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，功能以及相對應(yīng)的程序的設(shè)計與實現(xiàn)分別進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)說明分析。第五部分為“結(jié)論”，該部分用于描述本課題的實施結(jié)論并給出了進(jìn)一步的展望。第二章智能家居照明控制系統(tǒng)支撐技-zigbee技術(shù)2.1ZigBee概述ZigBee技術(shù)一種應(yīng)用于傳輸距離

16、短、速率低的電子設(shè)備間的無線通信技術(shù)。是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。Zigbee協(xié)議棧由子層組成，每一層為其上層提供服務(wù)：如果是一個數(shù)據(jù)實體就提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；如果是一個管理實體就提供管理、維護(hù)服務(wù)。每個服務(wù)實體通過一個提供了一系列的基本服務(wù)指令來實現(xiàn)相應(yīng)的功能服務(wù)接入點（SAP）為其上層提供服務(wù)接口。其協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。為用餐（上電月?lián)Э趯樱┝⒂檬砍肿訉觽鬏攲覯AC導(dǎo)將理層用戶t一ZigBee部電11IEEE802.15.4圖2-1ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)從圖中可以看出，ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)

17、絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）（應(yīng)用支持子層和應(yīng)用層）3。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用支持子層則遵循ZigBee聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。從協(xié)議的工作過程來看，ZigBee協(xié)議中層與層之間與OSI參考模型的工作過程類似都是通過原語進(jìn)行信息的交換和應(yīng)答的。層與層之間通過服務(wù)接口來完成相關(guān)服務(wù)與相關(guān)數(shù)據(jù)的傳遞的。ZigBee協(xié)議提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)兩種服務(wù)接口，數(shù)據(jù)服務(wù)接口的主要任務(wù)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)，管理服務(wù)接口的主要任務(wù)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制4。在本課題所設(shè)計的系統(tǒng)中，為了達(dá)到節(jié)能的目的，系統(tǒng)將會采用Zi

18、gbee技術(shù)來構(gòu)建智能家居照明系統(tǒng)。2.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡(luò)是不同的。本文主要從ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備類型，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及工作模式這三方面的內(nèi)容進(jìn)行介紹，在ZigBee標(biāo)準(zhǔn)中，網(wǎng)絡(luò)主要有三類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及兩種工作模式。三類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分別是網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和終端節(jié)點(EndDevice)；三種拓?fù)湫问绞切切屯負(fù)?、樹型拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)?；兩種工作模式為信標(biāo)(Beacon濮式和非信標(biāo)(Non-beacon鹿式。2.2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型(1)協(xié)調(diào)器(Coordinator)協(xié)調(diào)器顧名思義就是在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行協(xié)調(diào)的，

19、在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的主要作用有：1)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中通信頻道的選擇；2)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立；3)為其他節(jié)點提供必要的路由信息，管理其它節(jié)點的安全及其他服務(wù)。根據(jù)ZigBee協(xié)議的規(guī)定在一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點。(2)路由器(Router)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，路由器的主要作用有：1)路由器節(jié)點自身信息的收發(fā)；2)節(jié)點之間轉(zhuǎn)發(fā)信息的收發(fā)；3)協(xié)助其它節(jié)點加入到網(wǎng)絡(luò)中；4)為網(wǎng)絡(luò)提供路由信息。(3)終端節(jié)點終端節(jié)點是Zigbee系統(tǒng)中的最小單元，其主要作用有：1)發(fā)送和接收信息；2)為了達(dá)到節(jié)能的目的，一般當(dāng)終端節(jié)點不需要數(shù)據(jù)收發(fā)時，就會進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低能耗。

20、2.2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?1)星型拓?fù)湓谛切屯負(fù)渲杏幸粋€協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干個終端節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)全網(wǎng)的運行，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中最簡單的拓?fù)湫问剑鐖D2-2所示。圖2-2星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu). 協(xié)調(diào)黑 o路由暴(2)樹型拓?fù)湓跇湫瓮負(fù)浣Y(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡(luò)的根節(jié)點，它可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點，路由器節(jié)點可以連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點，而終端節(jié)點下面則不能再連接任何其它節(jié)點。樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-3所示。*陸調(diào)器C、5、Q0。遨圖2-3樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(3)網(wǎng)狀拓?fù)湓谠赯igBee網(wǎng)狀拓?fù)渲?，網(wǎng)狀拓?fù)涫亲顝?fù)雜的一種方式，當(dāng)然也是最靈活的一種方式，具有很好的容錯能力，如果某個路由

21、路徑出現(xiàn)問題，信息可自動選擇他路徑進(jìn)行傳輸。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.2.3 工作模式不同的應(yīng)用需求，對網(wǎng)絡(luò)的工作方式的要求也不同。為了滿足不同的應(yīng)用需求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式分為信標(biāo)(Beacon欣式和非信標(biāo)(Non-beaconl奠式兩種。在信標(biāo)模式下，網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備的工作與休眠都是同步的，這樣做的目的是可以在最大程度上節(jié)省能源的消耗。而在而非信標(biāo)模式進(jìn)行周期性休眠，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備的工作與休眠不是同步的，網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和所有路由器設(shè)備長期處于工作狀態(tài)，以確保系統(tǒng)時刻處于響應(yīng)中。2.3 本章小結(jié)本章就ZigBee技術(shù)給與一些基本的介紹，并且對節(jié)點類型和拓?fù)湫问?/p>

22、以及工作模式有了一定的了解，在第三章和第四章會介紹如何基于硬件完成設(shè)計。第三章智能家居照明系統(tǒng)總體設(shè)計方案3.1 智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計要求現(xiàn)代家居照明系統(tǒng)的要求與過去相比有了很大的不同。一方面讓用戶在適合的光照下生活學(xué)習(xí)，另一方面還要求系統(tǒng)具有節(jié)能功能以及用戶操作的方便性。因而在設(shè)計智能家居照明系統(tǒng)時應(yīng)圍繞這幾個方面來考慮。針對以上要求智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方面應(yīng)在無線感知網(wǎng)絡(luò)方面、接入節(jié)點功能方面、遠(yuǎn)端用戶和數(shù)據(jù)中心方面進(jìn)行重點考慮。各方面需完成的主要功能如下。無線感知層：作為感知層方面來說系統(tǒng)應(yīng)該能夠監(jiān)測室內(nèi)的溫度、濕度、室內(nèi)光照強度及設(shè)備電池電壓等環(huán)境信息，然后將感知到的結(jié)果通過系統(tǒng)中的接入

23、節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)端用戶或數(shù)據(jù)中心50接入節(jié)點：對于接入點來說，首先收集感知層傳感節(jié)點采集到的室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室內(nèi)光照強度及設(shè)備電池電壓等環(huán)境信息，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程用戶或PC機上的數(shù)據(jù)中心；另外對于遠(yuǎn)端用戶或者數(shù)據(jù)中心發(fā)送的時候關(guān)查詢命令、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓旅詈蚅ED燈具的開/關(guān)燈及調(diào)光控制命令等接入節(jié)點應(yīng)當(dāng)能夠及時的進(jìn)行解析，并根據(jù)解析的結(jié)果將信息轉(zhuǎn)發(fā)給底層的感知節(jié)點50遠(yuǎn)端用戶和數(shù)據(jù)中心：對于遠(yuǎn)端用戶來說，一般都是采用手機監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境信息，這樣用戶就可以利用手機等終端設(shè)備通過短信的形式向感知節(jié)點發(fā)送查詢或者控制命令，并接收感知節(jié)點反饋的信息等；讓用戶可能很方便的監(jiān)控室內(nèi)的

24、環(huán)境。對于數(shù)據(jù)中心來說，則需要進(jìn)行接收并顯示感知層監(jiān)測到的數(shù)據(jù)、實時顯示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、發(fā)送控制命令并顯示查詢結(jié)果，還具有歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計信息顯示等功能503.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案智能家居照明系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及到通信技術(shù)、智能控制技術(shù)以及計算機技術(shù)等方面，本課題經(jīng)過充分的認(rèn)證后決定采用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來設(shè)計本系統(tǒng)。本系統(tǒng)的主要組成部分有感知節(jié)點、接入節(jié)點、路由節(jié)點、終端節(jié)點和數(shù)據(jù)中心/遠(yuǎn)端用戶。如圖3-1所示。理人節(jié)點由/然玷節(jié)點數(shù)據(jù)中心5R3網(wǎng)第圖3-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的所有節(jié)點通過自適應(yīng)方式組成一個網(wǎng)狀的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在該網(wǎng)絡(luò)中接入節(jié)點承擔(dān)zig

25、bee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，該節(jié)點上電后會自動建立網(wǎng)絡(luò)，隨后路由節(jié)點和終端節(jié)點能自由地加入網(wǎng)絡(luò)。在本系統(tǒng)中，各部分的作用如下。3.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計方案本課題中的硬件部分的設(shè)計本質(zhì)上就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點的設(shè)計。由于系統(tǒng)需要實現(xiàn)無線方式照度的調(diào)節(jié)，燈具的開與關(guān)，因此本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要有微處理器模塊、光控模塊、無線射頻收發(fā)模塊、電源模塊、串口單元和調(diào)試接口等的設(shè)計，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。在Ig系統(tǒng)中，微處理器單元需要與光控模塊、射頻模塊、串口單元以及調(diào)試接口進(jìn)行通信，是系統(tǒng)的核心部件電源模塊V v*a |rai v«i ,U-J?P.g f ！調(diào)1圖3-2節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖3.4 系統(tǒng)

26、軟件設(shè)計方案系統(tǒng)的硬件是系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)，而系統(tǒng)中的軟件部分則是系統(tǒng)的靈魂，一個好的系統(tǒng)離不開優(yōu)秀的軟件系統(tǒng)。為了實現(xiàn)本課題中的智能家居照明系統(tǒng)的設(shè)計，在該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)中心/遠(yuǎn)端用戶、接入節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點部分的軟件功能如下應(yīng)做到以下幾個方面5。?實時地顯示家居環(huán)境信息（自然光照度）數(shù)據(jù)中心”?用戶能夠通過數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的管理、控制智能?燈卻覆1»晶»居環(huán)境信息遠(yuǎn)端用戶.）?可以通過短信的形式向感知節(jié)點發(fā)送查詢、控制命令接入節(jié)點<路由節(jié)點?并搠建酬勉感楸慚!息；?發(fā)送與接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與指令?奚醵娜醐卻露由屈時”螭夔偏絡(luò)覆蓋范圍終端節(jié)點?具備終端節(jié)點的所有功

27、能實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境信息的采集通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)及拓?fù)湫畔⒌浇尤牍?jié)點第四章智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)按照系統(tǒng)的規(guī)劃，智能家居照明系統(tǒng)的硬件部分的設(shè)計與實現(xiàn)也就是微控制器模塊、射頻模塊、光控模塊、傳感器采集模塊、電源模塊、串口單元及調(diào)試接口的設(shè)計與實現(xiàn)。4.1 微控制器模塊設(shè)計4.1.1 MSP430F2619微控制器芯片微控制器(MCU),也被稱為單片機，可以被認(rèn)為在其內(nèi)部集成了許多完成算術(shù)運算和邏輯運算等功能的邏輯電路模塊。微控制器的每一條匯編指令對應(yīng)一個邏輯電路模塊。微控制器依靠所運行的程序來完成工作。這個程序是設(shè)計者對微控制器的一組完整的指令，指令告訴微控制器具操作的每一步應(yīng)該

28、去調(diào)用什么邏輯電路模塊，以及如何調(diào)用這個邏輯電路模塊。這些指令以二進(jìn)制代碼的形式存儲在存儲器中，微控制器從存儲器中一次讀取一條指令代碼，并完成由指令代碼指定的操作。通過編寫設(shè)計文件，或者程序，可以在可編程邏輯器件內(nèi)部產(chǎn)生希望的硬件電路，或者控制微控制器完成不同的工作，正時由于這個特點，使得硬件系統(tǒng)的設(shè)計變得非常方便。當(dāng)由于需求的更改而需要修改系統(tǒng)的部分設(shè)計時，設(shè)計者只需要進(jìn)行少量的工作就可以完成。由于微控制器一次只能執(zhí)行一條指令，因此它的主要局限性是工作速度。采用硬件方案設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)總是比軟件方案設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)的工作速度快6c可編程邏輯器件在下載設(shè)計文件以后，在它的內(nèi)部將形成對應(yīng)的硬件電路，

29、這些電路是可以同時工作的。例如向2個數(shù)碼管傳送顯示代碼，這時可以同時進(jìn)行。在微控制器中，向2個數(shù)碼管傳送顯示代碼的工作只能是逐個傳送?？删幊踢壿嬈骷?nèi)部電路模塊中信號處理的時間只來源于硬件電路產(chǎn)生的時間延遲，不存在指令讀取和執(zhí)行產(chǎn)生的時間延遲。上述工作特點使得可編程邏輯器件的工作速度比微控制器芯片快。在本課題的設(shè)計中采用MSP430F2619微控制器模塊，該芯片是由德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的64管腳PM包裝。MSP430F2619芯片管腳排列圖和功能方框圖分別如圖4-1和圖4-2所示。Mgw il-m 箝工一calg.一昱JM sb sr1 sruI聲 F WES 三百 a籃s1S3*bwet

30、i 叫”地 u 所 gLQy P事而濫*gQDF5.7-A7.'D*； 1SWHN工網(wǎng) XlmJTn=*1 > TA3JLK-CACH.TPl eT*1 P> STA? 打 d S .IM小 TEOpa 用”i.airamii.04%電落l>P:4 .11 II.*I印 I PliII；A «M4Ml l.*PS.uem CUCO AI CTCx黑urHi、盤3 3金一i “,帛 £ UI午.我 £ w0103hMsia:?N XIairmbE s. riw 己號r'!?L.壯B' 售 UHrrrs?munc*£

31、 展 當(dāng)xdnw ud arvwrgfxs£圖4-1 MSP430F2619芯片管腳排歹【圖AVCCa.v.ssrTIIW_S7TirnMi_4j3op_AiRST>1WIJTAGIn 口也日MulliW1%1M£ GPU 1出舊Ih&l. W R+翡”白YYMtdogDM£6 憫 IX*lTpgjcfM P6XPS.Xg;i 7 MRTJLHIrOA. 5pl* XCMLiT/*T2IN XTWWrosLiiitnrB«l:= <1c<KEmulMWHfrW便隊日41£A&C1219 BitDACU 說rr卬

32、藺 pi.g的rte pafl3ja JijniiTkzCTanrn6t5 得Ma承 gt陽p前明附4* IdUSCIA&UitWTXLM irtSPIUSGIBi? 例ECMDGBrgmudProtecUcnSVS. S'ddMPT,MPVS.MAC.15HBI9OCRgfotera7CC 鬲dowAGhanneis圖4-2MSP430F2619芯片功能方框圖4.1.2 MSP430F2619散控制器外圍電路設(shè)計1MSP430F2619系歹【芯片的時鐘系統(tǒng)MSP430F2619芯片的時鐘系統(tǒng)具有4種時鐘信號源：內(nèi)部數(shù)控振蕩器（DCO）內(nèi)部低功耗振蕩器（VLO）低頻振蕩器（LF

33、XT1）高頻振蕩器（XT2）。這些時鐘信號源被用來產(chǎn)生芯片內(nèi)部使用的3種時鐘信號:主時鐘信號（MCLK）子時鐘信號（SMCLK）輔助時鐘信號（ACLK）主時鐘信號（MCLK）支持芯片CPU的工作，子時鐘信號（SMCLK）和輔助時鐘信號（ACLK）支持芯片內(nèi)部外圍模塊的工作。MSP430F2619微控制器芯片的時鐘系統(tǒng)方框圖如圖4-3所示。圖4-3MSP430系列芯片的時鐘系統(tǒng)方框圖2）傳感器電路傳感節(jié)點的作用就是感知信息的，在本系統(tǒng)中傳感電電路的設(shè)計中使用了溫度方面的傳感器。在該系統(tǒng)中溫度采集使用ds18b20傳感芯片，具體電路如圖4-4所示。VCX tc L"dsI fibJO T

34、 vcc_tcv圖4-4溫度傳感器電路圖圖4-5按鍵復(fù)位電路圖3）按鍵復(fù)位電路按鍵復(fù)位電路的作用是可以通過按鍵的斷開和閉合在運行的系統(tǒng)中控制其復(fù)位。圖4-5是系統(tǒng)的按鍵復(fù)位電路。4）串口連接電路申行數(shù)據(jù)通信中數(shù)據(jù)位的傳送，按位順序進(jìn)行，最少只需一根傳輸線即可完成；成本低但傳送速度慢。在本系統(tǒng)中PC與接入點采用的就是串口通信串口連接電路圖如圖4-6所示。TC llv DBO5RS232 POR1L'LXXmVCC11o10oALVlj222CSEClot-C2*V CC XtCL TC_C lu OMS i hiJFCC MLLtf_T CJ-H圖4-6串口模塊原理圖5）調(diào)試接口電路調(diào)試

35、接口是單片機系統(tǒng)中常用接口，調(diào)試接口也有很多很多，在本系統(tǒng)中調(diào)試接口采用JTAG,JTAG（JointTestActionGroup,聯(lián)合測試行動小組）是一種適合于國際性的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議測試，主要用于芯片內(nèi)部的測試。JTAG屬于在線編程，具體的做法是，先對芯片進(jìn)行預(yù)編譯，沒問題后裝配到目標(biāo)板上。利用該項技術(shù)可以改變其設(shè)計流程，簡化元器件，從而提高工作效率，加快工程進(jìn)度。JTAG接口原理圖如圖4-7所示。D13VJTAGU2圖4-7JTAG接口原理圖6）復(fù)位電路系統(tǒng)在啟動運行時都需要復(fù)位，復(fù)位使MCU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的工作狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。在系統(tǒng)中，有時也會出現(xiàn)顯示不正常，也

36、為了調(diào)試方便，需要設(shè)計一個復(fù)位電路。4.2 無線射頻模塊設(shè)計無線射頻是20世紀(jì)90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術(shù)。射頻技術(shù)相對于傳統(tǒng)的磁卡及IC卡技術(shù)具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點。無線射頻技術(shù)在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的。與傳統(tǒng)的條型碼、磁卡及IC卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、無磨損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用的特點和具有防沖突功能，能同時處理多張卡片7。在本課題的設(shè)計過程中，考慮到智能家居照明系統(tǒng)的低功耗、響應(yīng)快等特點，在本系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器、路由器和各個終端節(jié)點的RF芯片都采用TI公司的CC2530F256芯片。ZigBe

37、eCC2530片上系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的性能并且節(jié)省系統(tǒng)的成本；CC2530的RF收發(fā)器能有效地與MCU融為一體,大大簡化了其外圍電路，因此在設(shè)計本系統(tǒng)也提供了很大的便捷性。4.3 傳感器采集模塊設(shè)計本課題所設(shè)計的智能家居照明控制系統(tǒng)需要采集照明現(xiàn)場的光照度、移動目標(biāo)、溫度、LED狀態(tài)等環(huán)境參數(shù)等，而要完成這一功能則是由系統(tǒng)中布置的大量傳感器模塊來完成的，當(dāng)傳感節(jié)點收集到這些信息后通過RF無線射頻模塊發(fā)送到系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點，而系統(tǒng)中的MCU微處理器則需要對收集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、依據(jù)內(nèi)置條件進(jìn)行邏輯分析和智能判斷，然后根據(jù)結(jié)論來實現(xiàn)LED燈具的PWM線性無極智能調(diào)光、智能調(diào)色溫、分組群控、情景

38、模式等復(fù)雜功能。在該系統(tǒng)中傳感器采集模塊主要由以下內(nèi)部分組成：用于采集自然光照度的GL45I6光敏電阻，用于檢測人體移動目標(biāo)的LHI787熱釋電紅外探頭，用于采集環(huán)境溫度的DS18B20溫度傳感器組成。傳感器采集模塊方案框圖如圖4-8所示。0U2D常華匚啊亨汨¥.年枚坡生產(chǎn)版盥刎節(jié)點RFC辱劣信息采隼前kFiMO.也延百星|IlliM吧口|要但也嗎|陽1硬件設(shè)計牛本汀;門圖4-8傳感器采集模塊方案框圖4.4 光控模塊設(shè)光控模塊是系統(tǒng)中的主要控制模塊，在該系統(tǒng)中所有的燈具均采用LED燈源，LED作為照明燈是這兩年來使用頻率越來越高的一種照明技術(shù)。綠色低碳、節(jié)能減排是LED燈的一個重要特

39、點。本系統(tǒng)選用LED作為被控?zé)艟?，相比傳統(tǒng)的LED燈，在這里的LED燈具中集成了CC2530微處理器、RF無線射頻模塊以及PT4115脈沖恒流驅(qū)動器。具體的工作過程是系統(tǒng)中的MCU對室內(nèi)環(huán)境參數(shù)（光照度、移動目標(biāo)、溫度等）數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，結(jié)合特點進(jìn)行邏輯判斷，然后通過智能分析，最終實現(xiàn)對LED燈具的PWM無極智能調(diào)光、智能調(diào)色溫、分組群控、情景模式等復(fù)雜功能。LED驅(qū)動調(diào)光節(jié)點方案框圖如圖4-9所示。圖4-9LED驅(qū)動調(diào)光節(jié)點方案框圖第五章智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計5.1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本課題所設(shè)計的智能家居照明系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、繼電器器節(jié)點組成。ZigBee協(xié)調(diào)器的主要任務(wù)

40、是進(jìn)行分布式處理。它能夠和若干個繼電器節(jié)點進(jìn)行通信，從而完成控制任務(wù)。這樣可以使本系統(tǒng)同時控制多個區(qū)域?；诠?jié)能方面的考慮，當(dāng)系統(tǒng)沒有數(shù)據(jù)請求時，相關(guān)的傳感器節(jié)點只進(jìn)行低功耗的信道掃描。.電腦(上位(2)本系統(tǒng)中的繼電器節(jié)點主在是用于控制LED燈光，放置在需要控制的地方。同時繼電器終端能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的加入、與協(xié)調(diào)器綁定來建立LED控制。(3)本系統(tǒng)中的上位機主要作用是完成對所有區(qū)域LED的控制，一般位于監(jiān)控室。5.2 系統(tǒng)程序流程圖LED的控制是本課題所設(shè)計的關(guān)鍵，是系統(tǒng)能否達(dá)到節(jié)能的關(guān)鍵所在，系統(tǒng)采用的是基于ZigBee技術(shù)的智能LED控制。5.2.1 網(wǎng)絡(luò)建立過程本課題的設(shè)計中，各個終端節(jié)點

41、具有自動加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的功能，要完成這一功能需要系統(tǒng)自動建立網(wǎng)絡(luò)，在這一過程中首先協(xié)調(diào)器發(fā)起網(wǎng)絡(luò)的建立并進(jìn)行信道選擇；隨后相關(guān)的路由節(jié)點和終端節(jié)點才能加入網(wǎng)絡(luò)中。系統(tǒng)流程圖如圖5-2所示。圖5-2網(wǎng)絡(luò)建立過程具體的工作過程是，相關(guān)設(shè)備經(jīng)過一系列的初始化后，系統(tǒng)中的繼電器節(jié)點依據(jù)ZigBee協(xié)議來搜尋網(wǎng)絡(luò)，一旦發(fā)現(xiàn)有相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)存在就發(fā)送指令請求加入節(jié)點。在請求得到確認(rèn)后，繼電器節(jié)點將自身的地址信息發(fā)送給系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器，并自動與協(xié)調(diào)器進(jìn)行綁定。在接受到數(shù)據(jù)傳送請求之后，繼電器節(jié)點就會將LED電路及時傳送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將新建無線網(wǎng)絡(luò)。若成功，允許協(xié)調(diào)器設(shè)定為綁定。協(xié)調(diào)器檢測是否有節(jié)點要求加入網(wǎng)

42、絡(luò)，如果接收到節(jié)點的加入請求，記錄下節(jié)點的地址，并建立綁定，同時向節(jié)點發(fā)出傳送數(shù)據(jù)請求，得到節(jié)點的確認(rèn)后，協(xié)調(diào)器開始接收數(shù)據(jù)，最后通過RS-232串口發(fā)送給上位機805.2.2 路由器程序設(shè)計在本系統(tǒng)中，路由器的作用是對數(shù)據(jù)進(jìn)行中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，并管理及維持網(wǎng)絡(luò)的正常運行，當(dāng)然為了達(dá)到節(jié)能的目的，路由器可能會不定時休眠。而對于應(yīng)用層精品文檔來說，路由是透明的，應(yīng)用程序只負(fù)責(zé)向下發(fā)送去往任何設(shè)備的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的棧中棧會負(fù)責(zé)尋找相關(guān)路徑，本系統(tǒng)中路由的程序設(shè)計包括路徑的發(fā)現(xiàn)、路徑的選擇、路徑的保持維護(hù)、路由表維護(hù)和終端與協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)交換的中繼。程序流程如下圖5-3所示：發(fā)5.3.3終端程序設(shè)計本系統(tǒng)中終端節(jié)

43、點主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)溫濕度和室內(nèi)光照度等信息，并將采集的相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給父節(jié)點來進(jìn)行傳送，另外終端節(jié)點還要接收控制端發(fā)送過來的脈沖信號來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制輸出口的脈沖的占空比來控制LED燈的亮度，終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)通信功能比較簡單，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序和網(wǎng)絡(luò)通信控制程序如圖5-4所示：據(jù)采集命令精品文檔圖5-4終端程序設(shè)計流程5.3 系統(tǒng)的核心程序設(shè)計(1)設(shè)備的描述程序在該系統(tǒng)中，繼電器和中心收集設(shè)備需要進(jìn)行配置，中心收集設(shè)備將作為協(xié)調(diào)器或路由器啟動，具體描述為：constSimpleDescriptionFormat_tzigb_SimpleDesc=MY_ENDPOINT_ID,MY_PROFIL

44、E_ID,DEV_ID_COLLECTOR,DEVICE_VERSION_COLLECTOR,NUM_IN_CMD_COLLECTOR,(cId_t*)zb_InCmdList,NUM_OUT_CMD_COLLECTOR,(cId_t*)NULL(2)繼電器設(shè)備的描述為：constSimpleDescriptionFormat_tzigb_SimpleDesc=MY_ENDPOINT_ID,MY_PROFILE_ID,DEV_ID_COLLECTOR,DEVICE_VERSION_COLLECTOR,M_INNU_CMD_COLLECTOR,(cId_t*)zb_InCmdList,NUM_OUT_CMD_SENSOR,(cId_t*)zb_OutCmdList5.4 上位機5.4.1 上位機的功能簡介上位機軟件主要完成對每個區(qū)域的控制分析與顯示。本課題的設(shè)計中，上位機通過串口來對協(xié)調(diào)器進(jìn)行實時控制，可以通過上位機可以選擇控制一個區(qū)域也可以同時控制多個區(qū)域，并有很人性化的顯示界面提升用戶體驗。5.4.2 上位機工作流程在上