智能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計

年4月19日智能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計文檔僅供參考本科畢業(yè)論文(設(shè)計)題目智能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計學院電信學院專業(yè)電子信息工程班級電子信息工程統(tǒng)本(01)班學號學生姓名謝國鑫指導(dǎo)教師田新志完成日期5月西安思源學院教務(wù)處制二〇一六年五月摘要人們?nèi)粘Ｉ钫彰魇潜夭豢缮俚?隨著老百姓生活水平的提高,普通照明達不打那種隨心所欲的要求,而且電子的發(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CC2530作為無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,MSP430F2619微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)打開和關(guān)閉以及控制LED燈泡。本設(shè)計在上位機經(jīng)過節(jié)點之間關(guān)系的靈活配置進而能達到智能控制。本設(shè)計中的電氣系統(tǒng)的自組網(wǎng)功能,用戶能夠經(jīng)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PWM信號,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'tplaythatfollowone'sinclinations,andthedevelopmentofelectronic,communicationandcomputernetworktechnologyprovidesconditionsfortheintelligentlightingcontrolsystem,hasabroaddevelopmentprospects.ThistopicinthedesignofthesystemusedinCC2530aswirelessnetworkequipment,MSP430F2619microcontrollerchipastheprocessor,andconnectingwiththeTIcompanyZ-stackprotocolstacktoachieveopenandcloseandcontrolLEDbulbs.Thisdesignthroughthenodeintheuppermachineoftherelationshipbetweentheflexibleconfigurationwhichcanachieveintelligentcontrol.Electricalsysteminthedesignofthead-hocnetworkfunction,theusercancontrolthecoordinatortosendsignalsthroughtheroutertorouternodesanyterminal,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)構(gòu)安排 4第二章智能家居照明控制系統(tǒng)支撐技術(shù)——zigbee技術(shù) 52.1ZigBee概述 52.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ) 62.2.1網(wǎng)絡(luò)節(jié)點類型 62.2.2網(wǎng)絡(luò)拓撲形式 62.2.3工作模式 82.3本章小結(jié) 8第三章智能家居照明系統(tǒng)總體設(shè)計方案 93.1智能家居照明系統(tǒng)設(shè)計要求 93.2系統(tǒng)總體設(shè)計方案 93.3系統(tǒng)硬件設(shè)計方案 113.4系統(tǒng)軟件設(shè)計方案 11第四章智能照明系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 134.1微控制器模塊設(shè)計 134.1.1MSP430F2619微控制器芯片 134.1.2MSP430F2619微控制器外圍電路設(shè)計 144.2無線射頻模塊設(shè)計 174.3傳感器采集模塊設(shè)計 184.4光控模塊設(shè)計 18第五章智能照明控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 205.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 205.2系統(tǒng)程序流程圖 215.2.1網(wǎng)絡(luò)建立過程 215.2.2路由器程序設(shè)計 225.3.3終端程序設(shè)計 225.3系統(tǒng)的核心程序設(shè)計 235.4上位機 245.4.1上位機的功能簡介 245.4.2上位機工作流程 245.5系統(tǒng)測試 255.5.1系統(tǒng)硬件測試 255.5.3協(xié)議棧的測試 255.5.4上位機的測試 25第六章結(jié)論 27致謝 28參考文獻 29第一章緒論1.1本課題研究背景對于繁雜的照明控制系統(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。如藍牙技術(shù)傳輸速度快,可是傳輸距離有限,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,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,而且其在工作模式下,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)。進入二十一世紀已來,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?？墒亲鳛橹悄芙ㄖ械闹悄苷彰骺刂葡到y(tǒng)方面的發(fā)展卻相對比較滯后。當前在很多成熟的智能建筑系統(tǒng),照明方面依然采用傳統(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分的光源就能夠了,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行研究和推廣智能照明系統(tǒng)1?，F(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?，F(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)。現(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)、藍牙技術(shù)、WiFi技術(shù)等。UWB不采用傳統(tǒng)無線通信技術(shù)常見的連續(xù)載波,而是經(jīng)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。藍牙技術(shù)的通信距離一般在10m以內(nèi),現(xiàn)階段藍牙技術(shù)主要應(yīng)用在計算機外設(shè),比如藍牙打印機、藍牙音箱等。另外當前的智能手機都內(nèi)置有藍牙模塊,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10~250kbit/s之間,通信距離在開闊空間難能夠達到300m,若是在室內(nèi)等較封閉的空間也在10~100m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行補充1。1.3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)中用戶能夠根據(jù)需要設(shè)置不同的情景模式,另外還能夠經(jīng)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、學習和生活提供更好的環(huán)境。就當前的發(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。由于維護方面?zhèn)鹘y(tǒng)照明比較有局限性,因此網(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)標準化。智能照明系統(tǒng)的標準化很重要,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)上做好理論知識準備。(2)進行了相應(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)要求等。(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”,該部分首先說本課題的研究背景做了較為詳細的闡述,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)——Zigbee技術(shù)”,該部分主要對Zigbee技術(shù)進行了具體的說明。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)論并給出了進一步的展望。

第二章智能家居照明控制系統(tǒng)支撐技術(shù)——zigbee技術(shù)2.1ZigBee概述ZigBee技術(shù)一種應(yīng)用于傳輸距離短、速率低的電子設(shè)備間的無線通信技術(shù)。是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(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、維護服務(wù)。每個服務(wù)實體經(jīng)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。圖2-1ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)從圖中能夠看出,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)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標準的規(guī)定,傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用支持子層則遵循ZigBee聯(lián)盟標準的規(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經(jīng)過原語進行信息的交換和應(yīng)答的。層與層之間經(jīng)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,為了達到節(jié)能的目的,系統(tǒng)將會采用Zigbee技術(shù)來構(gòu)建智能家居照明系統(tǒng)。2.2ZigBee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)拓撲結(jié)構(gòu)以及工作模式這三方面的內(nèi)容進行介紹,在ZigBee標準中,網(wǎng)絡(luò)主要有三類網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、三種拓撲結(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);三種拓撲形式是星型拓撲、樹型拓撲和網(wǎng)狀拓撲;兩種工作模式為信標(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式。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)中進行協(xié)調(diào)的,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)為其它節(jié)點提供必要的路由信息,管理其它節(jié)點的安全及其它服務(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)為了達到節(jié)能的目的,一般當終端節(jié)點不需要數(shù)據(jù)收發(fā)時,就會進入休眠狀態(tài)以降低能耗。2.2.2網(wǎng)絡(luò)拓撲形式(1)星型拓撲在星型拓撲中有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和若干個終端節(jié)點,協(xié)調(diào)器節(jié)點負責全網(wǎng)的運行,這種拓撲結(jié)構(gòu)是Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中最簡單的拓撲形式,如圖2-2所示。圖2-2星形拓撲結(jié)構(gòu)(2)樹型拓撲在樹形拓撲結(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,它能夠連接路由器節(jié)點和終端節(jié)點,路由器節(jié)點能夠連接路由器節(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。樹狀拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3樹狀拓撲結(jié)構(gòu)(3)網(wǎng)狀拓撲在在ZigBee網(wǎng)狀拓撲中,網(wǎng)狀拓撲是最復(fù)雜的一種方式,當然也是最靈活的一種方式,具有很好的容錯能力,如果某個路由路徑出現(xiàn)問題,信息可自動選擇她路徑進行傳輸。網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-4所示。圖2-4網(wǎng)狀拓撲結(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(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式兩種。在信標模式下,網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備的工作與休眠都是同步的,這樣做的目的是能夠在最大程度上節(jié)省能源的消耗。而在而非信標模式進行周期性休眠,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,而且對節(jié)點類型和拓撲形式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習,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、遠端用戶和數(shù)據(jù)中心方面進行重點考慮。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)果經(jīng)過系統(tǒng)中的接入節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到遠端用戶或數(shù)據(jù)中心5。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,然后經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠程用戶或PC機上的數(shù)據(jù)中心;另外對于遠端用戶或者數(shù)據(jù)中心發(fā)送的時候關(guān)查詢命令、網(wǎng)絡(luò)拓撲更新命令和LED燈具的開/關(guān)燈及調(diào)光控制命令等接入節(jié)點應(yīng)當能夠及時的進行解析,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5。遠端用戶和數(shù)據(jù)中心:對于遠端用戶來說,一般都是采用手機監(jiān)控室內(nèi)環(huán)境信息,這樣用戶就能夠利用手機等終端設(shè)備經(jīng)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)的環(huán)境。對于數(shù)據(jù)中心來說,則需要進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)拓撲結(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5。3.2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/遠端用戶。如圖3-1所示。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)點經(jīng)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zigbee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。傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送LED燈具亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)路由器節(jié)點路由器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接入節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的建立節(jié)點的管理接入節(jié)點網(wǎng)絡(luò)的建立節(jié)點的管理數(shù)據(jù)的處理以及對外的接口網(wǎng)絡(luò)的建立節(jié)點的管理;數(shù)據(jù)的處理以及對外的接口接入節(jié)點節(jié)點的管理;數(shù)據(jù)的處理以及對外的接口接入節(jié)點實現(xiàn)對智能照明節(jié)點的集中控制與管理數(shù)據(jù)中心/遠端用戶:。實現(xiàn)對智能照明節(jié)點的集中控制與管理數(shù)據(jù)中心/遠端用戶: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。在該系統(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)試接口進行通信,是系統(tǒng)的核心部件。電源模塊電源模塊光控模塊CC2530射頻模塊串口單元調(diào)試接口MSP430F2619微控制器模塊GPIOSPIGPIOJTAG圖3-2節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖3.4系統(tǒng)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。數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)中心實時地顯示家居環(huán)境信息(自然光照度)用戶能夠經(jīng)過數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的管理、控制智能燈光節(jié)點上燈具的開關(guān)等;遠端用戶遠端用戶能夠?qū)崟r遠程監(jiān)控家居環(huán)境信息能夠經(jīng)過短信的形式向感知節(jié)點發(fā)送查詢、控制命令,并接收感知節(jié)點反饋的信息;接入節(jié)點接入節(jié)點組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送與接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與指令實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心/遠端用戶的通信;終端節(jié)點實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境信息的采集終端節(jié)點實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境信息的采集經(jīng)過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)及拓撲信息到接入節(jié)點路由節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由與轉(zhuǎn)發(fā),擴大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍具備終端節(jié)點的所有功能

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4.1.1MSP430F2619微控制器芯片微控制器(MCU),也被稱為單片機,能夠被認為在其內(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,指令告訴微控制器其操作的每一步應(yīng)該去調(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。經(jīng)過編寫設(shè)計文件,或者程序,能夠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)計者只需要進行少量的工作就能夠完成。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6?？删幊踢壿嬈骷谙螺d設(shè)計文件以后,在它的內(nèi)部將形成對應(yīng)的硬件電路,這些電路是能夠同時工作的。例如向2個數(shù)碼管傳送顯示代碼,這時能夠同時進行。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。圖4-1MSP430F2619芯片管腳排列圖圖4-2MSP430F2619芯片功能方框圖4.1.2MSP430F2619微控制器外圍電路設(shè)計

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MSP430F2619系列芯片的時鐘系統(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(LFXT1)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4-3

MSP430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。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)位電路的作用是能夠經(jīng)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)串口連接電路串行數(shù)據(jù)通信中數(shù)據(jù)位的傳送,按位順序進行,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。圖4-６串口模塊原理圖5)調(diào)試接口電路調(diào)試接口是單片機系統(tǒng)中常見接口,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準協(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,先對芯片進行預(yù)編譯,沒問題后裝配到目標板上。利用該項技術(shù)能夠改變其設(shè)計流程,簡化元器件,從而提高工作效率,加快工程進度。JTAG接口原理圖如圖4-7所示。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)中的其它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行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸,以達到目標識別和數(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。ZigBeeCC2530片上系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的性能而且節(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、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,當傳感節(jié)點收集到這些信息后經(jīng)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)進行處理、依據(jù)內(nèi)置條件進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的LHI787熱釋電紅外探頭,用于釆集環(huán)境溫度的DS18B20溫度傳感器組成。傳感器釆集模塊方案框圖如圖4-8所示。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燈的一個重要特點。本系統(tǒng)選用LED作為被控燈具,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、溫度等)數(shù)據(jù)進行處理,結(jié)合特點進行邏輯判斷,然后經(jīng)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)繼電器節(jié)點LEDLEDLED電腦(上位機)網(wǎng)關(guān)繼電器節(jié)點繼電器節(jié)點路由節(jié)點本課題所設(shè)計的智能家居照明系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、繼電器節(jié)點LEDLEDLED電腦(上位機)網(wǎng)關(guān)繼電器節(jié)點繼電器節(jié)點路由節(jié)點圖5-1智能LED系統(tǒng)示意圖(1)在本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)的作用是網(wǎng)間連接器和協(xié)議轉(zhuǎn)換器。它在傳輸層上以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連,是比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)互連設(shè)備,用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡(luò)互連(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。上電復(fù)位上電復(fù)位硬件、堆棧初始化發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是否加入網(wǎng)絡(luò)入網(wǎng)成功否是繼電器收到數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)送成功?是否嘗試重新建立綁定成功?是否圖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)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)點的確認后,協(xié)調(diào)器開始接收數(shù)據(jù),最后經(jīng)過RS-232串口發(fā)送給上位機8。5.2.2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)進行中繼和轉(zhuǎn)發(fā),并管理及維持網(wǎng)絡(luò)的正常運行,當然為了達到節(jié)能的目的,路由器可能會不定時休眠。而對于應(yīng)用層來說,路由是透明的,應(yīng)用程序只負責向下發(fā)送去往任何設(shè)備的數(shù)據(jù)到相應(yīng)的棧中,棧會負責尋找相關(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、路由表維護和終端與協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)交換的中繼。程序流程如下圖5-3所示:設(shè)備路由初始化設(shè)備路由初始化路由已入網(wǎng)開始無線監(jiān)測接收數(shù)據(jù)是否轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù) 5.3.3終端程序設(shè)計設(shè)備上電設(shè)備初始化成功入網(wǎng)設(shè)備上電設(shè)備初始化成功入網(wǎng)是否有數(shù)據(jù)采集命令采集傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)發(fā)送成功是否有高光命令PWM調(diào)光否否是 采集 是是是 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_PROFILE_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