智能家居照明控制系統(tǒng)設計11(共36頁)

1、本科畢業(yè)論文（設計）題 目 智能家居照明控制系統(tǒng)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(tǒng)本（01）班 學 號 121040110119 學生姓名 謝國鑫 指導教師 田新志 完成日期 2016年5月 西安思源學院教務處制二一 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,并且電子的發(fā)展,通信和計算機網(wǎng)絡技術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。本課題中所設計的系統(tǒng)中使用CC2530作為無線網(wǎng)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(xié)議棧來實現(xiàn)打開和關

2、閉以及控制LED燈泡。本設計在上位機通過節(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(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(xiàn)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(tǒng) ZigBee 無線網(wǎng)絡 CC2530Abstract Lighting is essential to People's Daily life, as people living standard rise, the requirements of general lighting up to don

3、't play that follow one's inclinations, and the development of electronic, communication and computer network technology provides conditions for the intelligent lighting control system, has a broad development prospects. This topic in the design of the system used in CC2530 as wireless netwo

4、rk equipment, MSP430F2619 microcontroller chip as the processor, and connecting with the TI company Z - stack protocol stack to achieve open and close and control LED bulbs. This design through the node in the upper machine of the relationship between the flexible configuration which can achieve int

5、elligent control. Electrical system in the design of the ad-hoc network function, the user can control the coordinator to send signals through the router to router nodes any terminal, terminal receives the command and the PWM signal, realize each lamp to multistage dimming and scene mode control fun

6、ction, has a certain practical value. Keywords: Intelligent Light System ZigBee wireless network CC2530 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(tǒng)支撐技術zigbee技術52.1 ZigBee概述52.2 ZigBee網(wǎng)絡基礎62.2.1 網(wǎng)絡節(jié)點類型62.2.2

7、 網(wǎng)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(tǒng)總體設計方案93.1 智能家居照明系統(tǒng)設計要求93.2 系統(tǒng)總體設計方案93.3 系統(tǒng)硬件設計方案113.4 系統(tǒng)軟件設計方案11第四章 智能照明系統(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)134.1微控制器模塊設計134.1.1 MSP430F2619 微控制器芯片134.1.2 MSP430F2619 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(tǒng)的軟件設計205.1 系統(tǒng)的結構205.2系統(tǒng)程序流程圖215.2.1網(wǎng)絡建立過程215.2.2路由器程序設計

8、225.3.3終端程序設計225.3系統(tǒng)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(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，電纜鋪設繁瑣，已經(jīng)逐漸不能完全滿足現(xiàn)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，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

9、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

10、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，相關技術也比較成熟。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，價格高得難以接受。而在國內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)

11、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(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(tǒng)中。而ZigBee技術的各種特性，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。1.2.2短距離無線通信技術發(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就是短距離無線通信技術?，F(xiàn)階段主要的無線短離距通信技術有ZigBee技術、UWB

12、技術、藍牙技術、WiFi技術等。UWB不采用傳統(tǒng)無線通信技術常用的連續(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。藍牙技術的通信距離一般在10m以內，現(xiàn)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。另外目前的智能手機都內置有藍牙模塊，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，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，通信距離在開闊空間難能夠達到300m，若是在室內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

13、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(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)的設計主要是為了解決傳統(tǒng)照明系統(tǒng)方面的不足?？v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)中用戶可以根據(jù)需要設置不同的情景模式，另外還可以通過一些傳感器感應周圍環(huán)境變化，從而實現(xiàn)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

14、加人性化。根據(jù)人們的不同需求來實現(xiàn)智能化調節(jié)，目的就是實現(xiàn)人機合一。2) 網(wǎng)絡化。由于維護方面?zhèn)鹘y(tǒng)照明比較有局限性，所以網(wǎng)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(tǒng)因實現(xiàn)可擴展，方便新設備能隨意接入網(wǎng)絡。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本課題設計的主要工作和任務智能家居照明系統(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。

15、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(xiàn)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(tǒng)（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(tǒng)的國內外的研究現(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(tǒng)的硬件設計與實現(xiàn)”,該部分主要

16、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(tǒng)的軟件設計實現(xiàn)”，該部分就系統(tǒng)的結構，功能以及相對應的程序的設計與實現(xiàn)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(tǒng)支撐技術zigbee技術2.1 ZigBee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(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：如果是一個數(shù)據(jù)實體就提供數(shù)據(jù)傳輸服務；如果是一個管理實體就提供管理、維護服務。每個服務實體通過一個提供了一系列的基本

17、服務指令來實現(xiàn)相應的功能服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口。其協(xié)議棧結構如圖2-1所示。圖2-1 ZigBee協(xié)議棧結構從圖中可以看出，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)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IEEE 802.15.4標準的規(guī)定，傳輸層、網(wǎng)絡層及應用支持子層則遵循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通過原語進行信息的交換和應答的。層與層之間通過服務接口來完成相關服務與相關數(shù)據(jù)的傳遞的。Zi

18、gBee協(xié)議提供數(shù)據(jù)服務和管理服務兩種服務接口，數(shù)據(jù)服務接口的主要任務是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)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(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制4。在本課題所設計的系統(tǒng)中，為了達到節(jié)能的目的，系統(tǒng)將會采用Zigbee技術來構建智能家居照明系統(tǒng)。2.2 ZigBee網(wǎng)絡基礎ZigBee網(wǎng)絡和傳統(tǒng)意義上的網(wǎng)絡是不同的。本文主要從ZigBee網(wǎng)絡中的設備類型，網(wǎng)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(wǎng)絡主要有三類網(wǎng)絡節(jié)點、三種拓撲結構以及兩種工作模式。三類網(wǎng)絡節(jié)點分別是網(wǎng)絡協(xié)調器（Coordinator）、路由器(Router)和終端節(jié)點（E

19、nd Device）；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)絡節(jié)點類型(1) 協(xié)調器（Coordinator）協(xié)調器顧名思義就是在網(wǎng)絡中進行協(xié)調的，在ZigBee網(wǎng)絡中，協(xié)調器的主要作用有：1）ZigBee網(wǎng)絡中通信頻道的選擇；2）ZigBee網(wǎng)絡的建立；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。根據(jù)ZigBee協(xié)議的規(guī)定在一個Zigbee網(wǎng)絡中有且只有一個協(xié)調器節(jié)點。(2) 路由器（Router）在ZigBee網(wǎng)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

20、之間轉發(fā)信息的收發(fā)；3）協(xié)助其它節(jié)點加入到網(wǎng)絡中；4）為網(wǎng)絡提供路由信息。(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)絡拓撲形式 (1) 星型拓撲在星型拓撲中有一個協(xié)調器節(jié)點和若干個終端節(jié)點，協(xié)調器節(jié)點負責全網(wǎng)的運行，這種拓撲結構是Zigbee網(wǎng)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(xié)調器節(jié)點作為整個網(wǎng)絡的根節(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

21、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(wǎng)狀拓撲在在ZigBee網(wǎng)狀拓撲中，網(wǎng)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(xiàn)問題，信息可自動選擇他路徑進行傳輸。網(wǎng)狀拓撲結構如圖2-4所示。圖2-4 網(wǎng)狀拓撲結構2.2.3 工作模式不同的應用需求，對網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡中的所有設備的工作與休眠都是同步的，這樣做的目的是可以在最大程度上節(jié)省能源的消耗。而在

22、而非信標模式進行周期性休眠，網(wǎng)絡中的設備的工作與休眠不是同步的，網(wǎng)絡中的協(xié)調器和所有路由器設備長期處于工作狀態(tài)，以確保系統(tǒng)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，并且對節(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(tǒng)總體設計方案3.1 智能家居照明系統(tǒng)設計要求現(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。因而在設計智能家居照明系統(tǒng)時應圍繞這幾個方面來考慮。針對以上要求智能控制系統(tǒng)的設計方面應在無線感知網(wǎng)絡方

23、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通過系統(tǒng)中的接入節(jié)點轉發(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,然后通過通信網(wǎng)絡將收集到的數(shù)據(jù)轉發(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)送的時候關查詢命令、網(wǎng)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(jù)解析的結果將信息轉發(fā)給底

24、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)控室內環(huán)境信息,這樣用戶就可以利用手機等終端設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)絡拓撲結構、發(fā)送控制命令并顯示查詢結果,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)總體設計方案智能家居照明系統(tǒng)是一個較為復雜的系統(tǒng)，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(jīng)過充分的認證后決定采用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術來設計本系統(tǒng)。本系統(tǒng)的主要組成部分有感知節(jié)點、

25、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)結構圖在本系統(tǒng)中，系統(tǒng)中的所有節(jié)點通過自適應方式組成一個網(wǎng)狀的無線傳感器網(wǎng)絡,在該網(wǎng)絡中接入節(jié)點承擔zigbee網(wǎng)絡中的協(xié)調器,該節(jié)點上電后會自動建立網(wǎng)絡,隨后路由節(jié)點和終端節(jié)點能自由地加入網(wǎng)絡。在本系統(tǒng)中,各部分的作用如下。傳感器節(jié)點環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送LED燈具亮度的自適應調節(jié)路由器節(jié)點網(wǎng)絡的管理數(shù)據(jù)轉發(fā)接入節(jié)點網(wǎng)絡的建立節(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)硬件設計方案本課題中的硬件部分的設計

26、本質上就是無線傳感器網(wǎng)絡中的節(jié)點的設計。由于系統(tǒng)需要實現(xiàn)無線方式照度的調節(jié)，燈具的開與關，因此本系統(tǒng)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(tǒng)的結構框圖如圖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、串口單元以及調試接口進行通信，是系統(tǒng)的核心部件。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(tǒng)軟件設計方案系統(tǒng)的硬件是系統(tǒng)正常運行的基礎，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

27、中的智能家居照明系統(tǒng)的設計，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做到以下幾個方面5。數(shù)據(jù)中心Ø 實時地顯示家居環(huán)境信息（自然光照度）Ø 用戶能夠通過數(shù)據(jù)中心對網(wǎng)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Ø 可以實時遠程監(jiān)控家居環(huán)境信息Ø 可以通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Ø 組建無線傳感器網(wǎng)絡Ø 發(fā)送與接收網(wǎng)絡數(shù)據(jù)與指令Ø 實現(xiàn)與數(shù)據(jù)中心/遠端用戶的通信;終端節(jié)點Ø 實現(xiàn)對室內環(huán)境信息的采集Ø 通過無

28、線傳感器網(wǎng)絡發(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Ø 實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的路由與轉發(fā),擴大網(wǎng)絡覆蓋范圍Ø 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、串口單元及調試接口的設計與實現(xiàn)。4.1微控制器模塊設計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

29、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。通過編寫設計文件，或者程序，可以在可編程邏輯器件內部產(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)的部分設計時，設計者只需要進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。采用硬件方案設計的數(shù)字系統(tǒng)總是比軟件方案設計的數(shù)字系統(tǒng)的工作速度快6

30、?？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炔侩娐纺K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4-1 MSP430F2619芯片管腳排

31、列圖圖4-2 MSP430F2619芯片功能方框圖4.1.2 MSP430F2619 微控制器外圍電路設計 1 MSP430F2619系列芯片的時鐘系統(tǒng) MSP430 F2619芯片的時鐘系統(tǒng)具有4種時鐘信號源：內部數(shù)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(chǎn)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。MSP430F26

32、19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 按鍵復位電路圖 3) 按鍵復位電路 按鍵復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)中控制其復位。圖 4-5是系統(tǒng)的按鍵復位電路。 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

33、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-所示。圖 4- 串口模塊原理圖5) 調試接口電路 調試接口是單片機系統(tǒng)中常用接口，調試接口也有很多很多，在本系統(tǒng)中調試接口采用JTAG，JTAG(Joint Test Action Group，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。利用該項技術可以改變其設計流程，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 4-7 JTAG 接口原理圖6) 復位電路 系統(tǒng)在啟動運行

34、時都需要復位，復位使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(tǒng)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(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。在本課題的設計過程中，考慮到智能家居照明

35、系統(tǒng)的低功耗、響應快等特點,在本系統(tǒng)中的協(xié)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。ZigBee CC2530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傳感器采集模塊設計本課題所設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通過RF無線射頻模塊發(fā)送到系統(tǒng)中的協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點，而系統(tǒng)中的MCU微處理器則需要對收集過來的

36、數(shù)據(jù)進行處理、依據(jù)內置條件進行邏輯分析和智能判斷，然后根據(jù)結論來實現(xiàn)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(tǒng)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(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。綠色低碳、節(jié)能減排是LED燈的一個重要特點。本系統(tǒng)

37、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脈沖恒流驅動器。具體的工作過程是系統(tǒng)中的MCU對室內環(huán)境參數(shù)(光照度、移動目標、溫度等)數(shù)據(jù)進行處理，結合特點進行邏輯判斷，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4-9 LED驅動調光節(jié)點方案框圖 第五章 智能照明控制系統(tǒng)的軟件設計5.1 系統(tǒng)的結構繼電器節(jié)點LEDLEDLED電腦（上位機）網(wǎng) 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(tǒng)由ZigB

38、ee協(xié)調器節(jié)點、節(jié)點、繼電器器節(jié)點組成。ZigBee協(xié)調器的主要任務是進行分布式處理。它能夠和若干個繼電器節(jié)點進行通信，從而完成控制任務。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，當系統(tǒng)沒有數(shù)據(jù)請求時，相關的傳感器節(jié)點只進行低功耗的信道掃描。 圖5-1 智能LED系統(tǒng)示意圖(1)在本系統(tǒng)中網(wǎng)關的作用是網(wǎng)間連接器和協(xié)議轉換器。它在傳輸層上以實現(xiàn)網(wǎng)絡互連，是比較復雜的網(wǎng)絡互連設備，用于兩個高層協(xié)議不同的網(wǎng)絡互連(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實現(xiàn)網(wǎng)絡的加入、與協(xié)調器綁定來建立LED控制。(3)本系統(tǒng)中的上位機主要作用是完成對所

39、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計的關鍵，是系統(tǒng)能否達到節(jié)能的關鍵所在，系統(tǒng)采用的是基于ZigBee技術的智能LED控制。5.2.1網(wǎng)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(wǎng)絡的功能，要完成這一功能需要系統(tǒng)自動建立網(wǎng)絡，在這一過程中首先協(xié)調器發(fā)起網(wǎng)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(wǎng)絡中。系統(tǒng)流程圖如圖5-2所示。上電復位硬件、堆棧初始化發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡是否加入網(wǎng)絡入網(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)絡建立過程具體的工作過程是，相關設備經(jīng)過一系列的初始化后，系統(tǒng)

40、中的繼電器節(jié)點依據(jù)ZigBee協(xié)議來搜尋網(wǎng)絡，一旦發(fā)現(xiàn)有相應網(wǎng)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(tǒng)中的協(xié)調器，并自動與協(xié)調器進行綁定。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)調器。協(xié)調器將新建無線網(wǎng)絡。若成功，允許協(xié)調器設定為綁定。協(xié)調器檢測是否有節(jié)點要求加入網(wǎng)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(shù)據(jù)請求，得到節(jié)點的確認后，協(xié)調器開始接收數(shù)據(jù)，最后通過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(tǒng)中，路由器的作用是對數(shù)據(jù)進行中繼和轉發(fā),并管理及維持網(wǎng)絡的正常運行,

41、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(shù)據(jù)到相應的棧中,棧會負責尋找相關路徑,本系統(tǒng)中路由的程序設計包括路徑的發(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)調器數(shù)據(jù)交換的中繼。程序流程如下圖5-3所示:設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)是否轉發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)上 5.3.3終端程序設計設備上電設備初始化成功入網(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調光本系統(tǒng)中終端節(jié)點主要負責采集室內溫濕度和室內光照度等信息,并將采集的相關數(shù)據(jù)發(fā)送給父節(jié)點來進行傳送,另外終端節(jié)點還要接收控制

42、端發(fā)送過來的脈沖信號來進行數(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)絡通信功能比較簡單,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集程序和網(wǎng)絡通信控制程序如圖5-4所示:否是采集是圖5-4 終端程序設計流程5.3系統(tǒng)的核心程序設計(1)設備的描述程序在該系統(tǒng)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(xié)調器或路由器啟動，具體描述為：const SimpleDescriptionFormat_t zigb_SimpleDesc =MY_ENDPOINT_ID, MY_PROFILE_ID, DEV_ID_COLLECTOR, DEVICE_VERSION_COLLECTOR, NUM_I

43、N_CMD_COLLECTOR, (cId_t *) zb_InCmdList, NUM_OUT_CMD_COLLECTOR, (cId_t *) NULL (2)繼電器設備的描述為：const SimpleDescriptionFormat_t zigb_SimpleDesc =MY_ENDPOINT_ID, MY_PROFILE_ID, DEV_ID_COLLECTOR, DEVICE_VERSION_COLLECTOR, M_IN NU_CMD_COLLECTOR, (cId_t *) zb_InCmdList, NUM_OUT_CMD_SENSOR, (cId_t *) zb_OutCmdList 5.4 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。本課題的設計中，上位機通過串口來對協(xié)調器進行實時控制，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 上位機工作流程開始 接收來自串口的數(shù)提取地址是否新地址？控制開關否是更新地址信息 初始化串口在上位機中當程序啟動后，需要做以下幾件事情，第一對串口進行相應設置并檢測網(wǎng)絡啟