年4月19日智能家居照明控制系統設計文檔僅供參考本科畢業(yè)論文(設計)題目智能家居照明控制系統設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本(01)班學號學生姓名謝國鑫指導教師田新志完成日期5月西安思源學院教務處制二〇一六年五月摘要人們日常生活照明是必不可少的,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,通信和計算機網絡技術為智能照明控制系統提供了條件,具有廣闊的發(fā)展前景。本課題中所設計的系統中使用CC2530作為無線網絡設備,MSP430F2619微控制器芯片作為處理器,并結合TI公司Z-堆棧協議棧來實現打開和關閉以及控制LED燈泡。本設計在上位機經過節(jié)點之間關系的靈活配置進而能達到智能控制。本設計中的電氣系統的自組網功能,用戶能夠經過路由器到路由器節(jié)點控制協調器發(fā)送信號任何終端設備,終端接收到命令和PWM信號,實現每個燈導致多級調光和場景模式控制功能,具有一定的實用價值。關鍵詞:智能照明系統ZigBee無線網絡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智能家居照明系統國內外研究現狀 11.2.1智能家居照明系統發(fā)展現狀 11.2.2短距離無線通信技術發(fā)展現狀 21.3智能家居照明控制系統發(fā)展方向 21.4本課題設計的主要工作和任務 31.5論文結構安排 4第二章智能家居照明控制系統支撐技術——zigbee技術 52.1ZigBee概述 52.2ZigBee網絡基礎 62.2.1網絡節(jié)點類型 62.2.2網絡拓撲形式 62.2.3工作模式 82.3本章小結 8第三章智能家居照明系統總體設計方案 93.1智能家居照明系統設計要求 93.2系統總體設計方案 93.3系統硬件設計方案 113.4系統軟件設計方案 11第四章智能照明系統的硬件設計與實現 134.1微控制器模塊設計 134.1.1MSP430F2619微控制器芯片 134.1.2MSP430F2619微控制器外圍電路設計 144.2無線射頻模塊設計 174.3傳感器采集模塊設計 184.4光控模塊設計 18第五章智能照明控制系統的軟件設計 205.1系統的結構 205.2系統程序流程圖 215.2.1網絡建立過程 215.2.2路由器程序設計 225.3.3終端程序設計 225.3系統的核心程序設計 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系統測試 255.5.1系統硬件測試 255.5.3協議棧的測試 255.5.4上位機的測試 25第六章結論 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來說,若采用傳統的有線控制方式則價格較高,電纜鋪設繁瑣,已經逐漸不能完全滿足現代都市人們的應用需求了。因而無線通信技術應運而生。無線通信技術的種類有很多,不同的技術應用的場合也不相同。如藍牙技術傳輸速度快,可是傳輸距離有限,適用于近距離且組網節(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,組網能力較差。而本文中將要使用的ZigBee技術則具有低成本、低功耗等特點,而且其在工作模式下,ZigBee傳輸速率較低,傳輸數據量很小,從而導致信號收發(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智能家居照明系統國內外研究現狀1.2.1智能家居照明系統發(fā)展現狀智能家居照明系統是近幾年開始發(fā)展起來的,本質上是隸屬于智能樓宇自動化系統中的一個子系統。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的用于通信方面網絡系統(包括有線與無線系統),有用于安全方面的智能監(jiān)控系統,有用于提高工作效率的智能辦公和通信自動化系統。智能建筑在這幾方面已經有了長足的發(fā)展,相關技術也比較成熟。可是作為智能建筑中的智能照明控制系統方面的發(fā)展卻相對比較滯后。當前在很多成熟的智能建筑系統,照明方面依然采用傳統的手動控制照明的方法。出現這一現象主要是因為智能照明控制系統在國外的定位太高,對于普通消費者來說只能是海市蜃樓,價格高得難以接受。而在國內以前則是主要是受傳統消費觀念的影響,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1。現在隨著生活水平的提高,人們對生活品質的追求也越來越高,因而對智能照明系統提出了新的要求,現在的智能照明控制系統大部分是由舞臺燈光控制系統演變而來,但隨著智能家居和樓宇自動化的發(fā)展,智能照明系統也開始從舞臺燈光控制向各種建筑物照明發(fā)展?，F在隨著無線通信技術與計算機技術的發(fā)展,國內外很多的科研機構也開始研究如何將無線通信技術引入智能照明控制系統中。而ZigBee技術的各種特性,能夠很好的滿足智能照明系統的要求,成為智能照明控制系統研究的熱點技術。1.2.2短距離無線通信技術發(fā)展現狀對于智能照明系統來說使用的主在通信技術就是短距離無線通信技術。現階段主要的無線短離距通信技術有ZigBee技術、UWB技術、藍牙技術、WiFi技術等。UWB不采用傳統無線通信技術常見的連續(xù)載波,而是經過納秒級的脈沖來完成數據信號的發(fā)送,具有很寬的頻譜范圍。藍牙技術的通信距離一般在10m以內,現階段藍牙技術主要應用在計算機外設,比如藍牙打印機、藍牙音箱等。另外當前的智能手機都內置有藍牙模塊,用于短距離之間的數據傳輸。WiFi也是一種短距離的無線通信技術,主要用于數據傳輸量大,可靠性要求較高的場合(如無線局域網)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各有各的特點,因而其應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發(fā)展方向傳統的照明系統只為人們提供必要的照度,智能照明控制系統的設計主要是為了解決傳統照明系統方面的不足。縱觀智能照明控制系統發(fā)展,大致可分為三個階段:照明系統的電子化、照明系統自動化和照明系統智能化2。在智能照明系統中用戶能夠根據需要設置不同的情景模式,另外還能夠經過一些傳感器感應周圍環(huán)境變化,從而實現智能調節(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。根據人們的不同需求來實現智能化調節(jié),目的就是實現人機合一。2)網絡化。由于維護方面?zhèn)鹘y照明比較有局限性,因此網絡化能及時監(jiān)測到各種信息并及時反饋方便人們的使用。3)可擴展性。智能照明系統因實現可擴展,方便新設備能隨意接入網絡。4)標準化。智能照明系統的標準化很重要,如果說不同廠商生產出來的用時不能使用會給人們帶來極大地不便。1.4本課題設計的主要工作和任務智能家居照明系統是一項實踐性很強的課題。需要具有一定的理論基礎知識,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)設計,從畢設的準備到最后的完成主要做了以下幾方面的工作。(1)查閱相關的文獻資料,搜集相應的理論基礎知識。在此基礎上做好理論知識準備。(2)進行了相應的實地考察,理論與現實相結合,分析判斷考慮設計的整體框架。(3)深入了解了ZigBee技術的特性和通信原理以及智能照明的技術要求等。(4)在相關理論基礎完備的情況下設計了基于ZigBee的智能家居照明系統(5)4)最后進行仿真與調試,完成課題設計。1.5論文結構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的國內外的研究現狀過行了系統的分析。論文第二部分為”智能照明控制系統支撐技術——Zigbee技術”,該部分主要對Zigbee技術進行了具體的說明。論文的第三部分為”系統的硬件設計與實現”,該部分主要介紹智能照明控制技術中的硬件部分的設計。論文第四部分為”系統的軟件設計實現”,該部分就系統的結構,功能以及相對應的程序的設計與實現分別進行關鍵技術說明分析。第五部分為”結論”,該部分用于描述本課題的實施結論并給出了進一步的展望。

第二章智能家居照明控制系統支撐技術——zigbee技術2.1ZigBee概述ZigBee技術一種應用于傳輸距離短、速率低的電子設備間的無線通信技術。是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。Zigbee協議棧由子層組成,每一層為其上層提供服務:如果是一個數據實體就提供數據傳輸服務;如果是一個管理實體就提供管理、維護服務。每個服務實體經過一個提供了一系列的基本服務指令來實現相應的功能服務接入點(SAP)為其上層提供服務接口。其協議棧結構如圖2-1所示。圖2-1ZigBee協議棧結構從圖中能夠看出,ZigBee協議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網絡層(NWK)、應用層(APL)(應用支持子層和應用層)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、網絡層及應用支持子層則遵循ZigBee聯盟標準的規(guī)定。從協議的工作過程來看,ZigBee協議中層與層之間與OSI參考模型的工作過程類似都是經過原語進行信息的交換和應答的。層與層之間經過服務接口來完成相關服務與相關數據的傳遞的。ZigBee協議提供數據服務和管理服務兩種服務接口,數據服務接口的主要任務是向上層提供所需的常規(guī)數據服務,管理服務接口的主要任務是向上層提供訪問內部層參數、配置和管理數據的機制4。在本課題所設計的系統中,為了達到節(jié)能的目的,系統將會采用Zigbee技術來構建智能家居照明系統。2.2ZigBee網絡基礎ZigBee網絡和傳統意義上的網絡是不同的。本文主要從ZigBee網絡中的設備類型,網絡拓撲結構以及工作模式這三方面的內容進行介紹,在ZigBee標準中,網絡主要有三類網絡節(jié)點、三種拓撲結構以及兩種工作模式。三類網絡節(jié)點分別是網絡協調器(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網絡節(jié)點類型(1)協調器(Coordinator)協調器顧名思義就是在網絡中進行協調的,在ZigBee網絡中,協調器的主要作用有:1)ZigBee網絡中通信頻道的選擇;2)ZigBee網絡的建立;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。根據ZigBee協議的規(guī)定在一個Zigbee網絡中有且只有一個協調器節(jié)點。(2)路由器(Router)在ZigBee網絡中,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)點之間轉發(fā)信息的收發(fā);3)協助其它節(jié)點加入到網絡中;4)為網絡提供路由信息。(3)終端節(jié)點終端節(jié)點是Zigbee系統中的最小單元,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)點不需要數據收發(fā)時,就會進入休眠狀態(tài)以降低能耗。2.2.2網絡拓撲形式(1)星型拓撲在星型拓撲中有一個協調器節(jié)點和若干個終端節(jié)點,協調器節(jié)點負責全網的運行,這種拓撲結構是Zigbee網絡拓撲結構中最簡單的拓撲形式,如圖2-2所示。圖2-2星形拓撲結構(2)樹型拓撲在樹形拓撲結構中,協調器節(jié)點作為整個網絡的根節(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。樹狀拓撲結構如圖2-3所示。圖2-3樹狀拓撲結構(3)網狀拓撲在在ZigBee網狀拓撲中,網狀拓撲是最復雜的一種方式,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問題,信息可自動選擇她路徑進行傳輸。網狀拓撲結構如圖2-4所示。圖2-4網狀拓撲結構2.2.3工作模式不同的應用需求,對網絡的工作方式的要求也不同。為了滿足不同的應用需求,ZigBee網絡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,網絡中的所有設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,網絡中的設備的工作與休眠不是同步的,網絡中的協調器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài),以確保系統時刻處于響應中。2.3本章小結本章就ZigBee技術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計。

第三章智能家居照明系統總體設計方案3.1智能家居照明系統設計要求現代家居照明系統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具有節(jié)能功能以及用戶操作的方便性。因而在設計智能家居照明系統時應圍繞這幾個方面來考慮。針對以上要求智能控制系統的設計方面應在無線感知網絡方面、接入節(jié)點功能方面、遠端用戶和數據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應該能夠監(jiān)測室內的溫度、濕度、室內光照強度及設備電池電壓等環(huán)境信息,然后將感知到的結果經過系統中的接入節(jié)點轉發(fā)到遠端用戶或數據中心5。接入節(jié)點:對于接入點來說,首先收集感知層傳感節(jié)點采集到的室內溫度、室內濕度、室內光照強度及設備電池電壓等環(huán)境信息,然后經過通信網絡將收集到的數據轉發(fā)給遠程用戶或PC機上的數據中心;另外對于遠端用戶或者數據中心發(fā)送的時候關查詢命令、網絡拓撲更新命令和LED燈具的開/關燈及調光控制命令等接入節(jié)點應當能夠及時的進行解析,并根據解析的結果將信息轉發(fā)給底層的感知節(jié)點5。遠端用戶和數據中心:對于遠端用戶來說,一般都是采用手機監(jiān)控室內環(huán)境信息,這樣用戶就能夠利用手機等終端設備經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)控室內的環(huán)境。對于數據中心來說,則需要進行接收并顯示感知層監(jiān)測到的數據、實時顯示網絡拓撲結構、發(fā)送控制命令并顯示查詢結果,還具有歷史數據查詢及統計信息顯示等功能5。3.2系統總體設計方案智能家居照明系統是一個較為復雜的系統,涉及到通信技術、智能控制技術以及計算機技術等方面,本課題經過充分的認證后決定采用基于ZigBee無線傳感器網絡技術來設計本系統。本系統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)點和數據中心/遠端用戶。如圖3-1所示。圖3-1系統結構圖在本系統中,系統中的所有節(jié)點經過自適應方式組成一個網狀的無線傳感器網絡,在該網絡中接入節(jié)點承擔zigbee網絡中的協調器,該節(jié)點上電后會自動建立網絡,隨后路由節(jié)點和終端節(jié)點能自由地加入網絡。在本系統中,各部分的作用如下。傳感器節(jié)點傳感器節(jié)點環(huán)境數據的采集與發(fā)送LED燈具亮度的自適應調節(jié)路由器節(jié)點路由器節(jié)點網絡的管理數據轉發(fā)接入節(jié)點網絡的建立節(jié)點的管理接入節(jié)點網絡的建立節(jié)點的管理數據的處理以及對外的接口網絡的建立節(jié)點的管理;數據的處理以及對外的接口接入節(jié)點節(jié)點的管理;數據的處理以及對外的接口接入節(jié)點實現對智能照明節(jié)點的集中控制與管理數據中心/遠端用戶:。實現對智能照明節(jié)點的集中控制與管理數據中心/遠端用戶:3.3系統硬件設計方案本課題中的硬件部分的設計本質上就是無線傳感器網絡中的節(jié)點的設計。由于系統需要實現無線方式照度的調節(jié),燈具的開與關,因此本系統的硬件設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、串口單元和調試接口等的設計,系統的結構框圖如圖3-2所示。在該系統中,微處理器單元需要與光控模塊、射頻模塊、串口單元以及調試接口進行通信,是系統的核心部件。電源模塊電源模塊光控模塊CC2530射頻模塊串口單元調試接口MSP430F2619微控制器模塊GPIOSPIGPIOJTAG圖3-2節(jié)點結構框圖3.4系統軟件設計方案系統的硬件是系統正常運行的基礎,而系統中的軟件部分則是系統的靈魂,一個好的系統離不開優(yōu)秀的軟件系統。為了實現本課題中的智能家居照明系統的設計,在該系統中的數據中心/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做到以下幾個方面5。數據中心數據中心實時地顯示家居環(huán)境信息(自然光照度)用戶能夠經過數據中心對網絡中節(jié)點的管理、控制智能燈光節(jié)點上燈具的開關等;遠端用戶遠端用戶能夠實時遠程監(jiān)控家居環(huán)境信息能夠經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絡發(fā)送與接收網絡數據與指令實現與數據中心/遠端用戶的通信;終端節(jié)點實現對室內環(huán)境信息的采集終端節(jié)點實現對室內環(huán)境信息的采集經過無線傳感器網絡發(fā)送監(jiān)測數據及拓撲信息到接入節(jié)點路由節(jié)點實現數據包的路由與轉發(fā),擴大網絡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的硬件設計與實現按照系統的規(guī)劃,智能家居照明系統的硬件部分的設計與實現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、串口單元及調試接口的設計與實現。4.1微控制器模塊設計4.1.1MSP430F2619微控制器芯片微控制器(MCU),也被稱為單片機,能夠被認為在其內部集成了許多完成算術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該去調用什么邏輯電路模塊,以及如何調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。經過編寫設計文件,或者程序,能夠在可編程邏輯器件內部產生希望的硬件電路,或者控制微控制器完成不同的工作,正時由于這個特點,使得硬件系統的設計變得非常方便。當由于需求的更改而需要修改系統的部分設計時,設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。采用硬件方案設計的數字系統總是比軟件方案設計的數字系統的工作速度快6?？删幊踢壿嬈骷谙螺d設計文件以后,在它的內部將形成對應的硬件電路,這些電路是能夠同時工作的。例如向2個數碼管傳送顯示代碼,這時能夠同時進行。在微控制器中,向2個數碼管傳送顯示代碼的工作只能是逐個傳送?？删幊踢壿嬈骷炔侩娐纺K中信號處理的時間只來源于硬件電路產生的時間延遲,不存在指令讀取和執(zhí)行產生的時間延遲。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計

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MSP430F2619系列芯片的時鐘系統

MSP430F2619芯片的時鐘系統具有4種時鐘信號源:內部數控振蕩器(DCO)內部低功耗振蕩器(VLO)低頻振蕩器(LFXT1)高頻振蕩器(XT2)。這些時鐘信號源被用來產生芯片內部使用的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)支持芯片內部外圍模塊的工作。MSP430F2619微控制器芯片的時鐘系統方框圖如圖4-3所示。

圖4-3

MSP430系列芯片的時鐘系統方框圖2)傳感器電路傳感節(jié)點的作用就是感知信息的,在本系統中傳感電電路的設計中使用了溫度方面的傳感器。在該系統中溫度采集使用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按鍵復位電路圖3)按鍵復位電路按鍵復位電路的作用是能夠經過按鍵的斷開和閉合在運行的系統中控制其復位。圖4-5是系統的按鍵復位電路。4)串口連接電路串行數據通信中數據位的傳送,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)調試接口電路調試接口是單片機系統中常見接口,調試接口也有很多很多,在本系統中調試接口采用JTAG,JTAG(JointTestActionGroup,聯合測試行動小組)是一種適合于國際性的標準協議測試,主要用于芯片內部的測試。JTAG屬于在線編程,具體的做法是,先對芯片進行預編譯,沒問題后裝配到目標板上。利用該項技術能夠改變其設計流程,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)復位電路系統在啟動運行時都需要復位,復位使MCU和系統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。在系統中,有時也會出現顯示不正常,也為了調試方便,需要設計一個復位電路。4.2無線射頻模塊設計無線射頻是20世紀90年代興起的一種非接觸式的自動識別技術。射頻技術相對于傳統的磁卡及IC卡技術具有非接觸、閱讀速度快、無磨損等特點。無線射頻技術在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數據傳輸,以達到目標識別和數據交換的目的。與傳統的條型碼、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。在本課題的設計過程中,考慮到智能家居照明系統的低功耗、響應快等特點,在本系統中的協調器、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片上系統提高了系統的性能而且節(jié)省系統的成本;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,因此在設計本系統也提供了很大的便捷性。4.3傳感器采集模塊設計本課題所設計的智能家居照明控制系統需要采集照明現場的光照度、移動目標、溫度、LED狀態(tài)等環(huán)境參數等,而要完成這一功能則是由系統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過RF無線射頻模塊發(fā)送到系統中的協調器網關節(jié)點,而系統中的MCU微處理器則需要對收集過來的數據進行處理、依據內置條件進行邏輯分析和智能判斷,然后根據結論來實現LED燈具的PWM線性無極智能調光、智能調色溫、分組群控、情景模式等復雜功能。在該系統中傳感器采集模塊主要由以下內部分組成: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光控模塊設光控模塊是系統中的主要控制模塊,在該系統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。綠色低碳、節(jié)能減排是LED燈的一個重要特點。本系統選用LED作為被控燈具,相比傳統的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脈沖恒流驅動器。具體的工作過程是系統中的MCU對室內環(huán)境參數(光照度、移動目標、溫度等)數據進行處理,結合特點進行邏輯判斷,然后經過智能分析,最終實現對LED燈具的PWM無極智能調光、智能調色溫、分組群控、情景模式等復雜功能。LED驅動調光節(jié)點方案框圖如圖4-9所示。圖4-9LED驅動調光節(jié)點方案框圖

第五章智能照明控制系統的軟件設計5.1系統的結構繼電器節(jié)點LEDLEDLED電腦(上位機)網關繼電器節(jié)點繼電器節(jié)點路由節(jié)點本課題所設計的智能家居照明系統由ZigBee協調器節(jié)點、繼電器節(jié)點LEDLEDLED電腦(上位機)網關繼電器節(jié)點繼電器節(jié)點路由節(jié)點圖5-1智能LED系統示意圖(1)在本系統中網關的作用是網間連接器和協議轉換器。它在傳輸層上以實現網絡互連,是比較復雜的網絡互連設備,用于兩個高層協議不同的網絡互連(2)本系統中的繼電器節(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實現網絡的加入、與協調器綁定來建立LED控制。(3)本系統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系統程序流程圖LED的控制是本課題所設計的關鍵,是系統能否達到節(jié)能的關鍵所在,系統采用的是基于ZigBee技術的智能LED控制。5.2.1網絡建立過程本課題的設計中,各個終端節(jié)點具有自動加入ZigBee網絡的功能,要完成這一功能需要系統自動建立網絡,在這一過程中首先協調器發(fā)起網絡的建立并進行信道選擇;隨后相關的路由節(jié)點和終端節(jié)點才能加入網絡中。系統流程圖如圖5-2所示。上電復位上電復位硬件、堆棧初始化發(fā)現網絡是否加入網絡入網成功否是繼電器收到數據據發(fā)送成功?是否嘗試重新建立綁定成功?是否圖5-2網絡建立過程具體的工作過程是,相關設備經過一系列的初始化后,系統中的繼電器節(jié)點依據ZigBee協議來搜尋網絡,一旦發(fā)現有相應網絡存在就發(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)送給系統中的協調器,并自動與協調器進行綁定。在接受到數據傳送請求之后,繼電器節(jié)點就會將LED電路及時傳送給協調器。協調器將新建無線網絡。若成功,允許協調器設定為綁定。協調器檢測是否有節(jié)點要求加入網絡,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)出傳送數據請求,得到節(jié)點的確認后,協調器開始接收數據,最后經過RS-232串口發(fā)送給上位機8。5.2.2路由器程序設計在本系統中,路由器的作用是對數據進行中繼和轉發(fā),并管理及維持網絡的正常運行,當然為了達到節(jié)能的目的,路由器可能會不定時休眠。而對于應用層來說,路由是透明的,應用程序只負責向下發(fā)送去往任何設備的數據到相應的棧中,棧會負責尋找相關路徑,本系統中路由的程序設計包括路徑的發(fā)現、路徑的選擇、路徑的保持維護、路由表維護和終端與協調器數據交換的中繼。程序流程如下圖5-3所示:設備路由初始化設備路由初始化路由已入網開始無線監(jiān)測接收數據是否轉發(fā)數據發(fā)送數據 5.3.3終端程序設計設備上電設備初始化成功入網設備上電設備初始化成功入網是否有數據采集命令采集傳感器數據發(fā)送數據發(fā)送成功是否有高光命令PWM調光否否是 采集 是是是 圖5-4終端程序設計流程5.3系統的核心程序設計(1)設備的描述程序在該系統中,繼電器和中心收集設備需要進行配置,中心收集設備將作為協調器或路由器啟動,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)繼電器設備的描述為:constSimpleDescriptionFormat_tzigb_SimpleDesc={MY_ENDPOINT_ID,MY_PROFILE_ID,DEV_ID_COLLECTOR